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數字存儲示波器迎接定時和抖動的挑戰

2015-01-29

——在生產設計涉及快速信號而且時間緊迫的情況下工程師有準確的儀器和良好的故障排除工具是非常重要的。為迎接這種挑戰示波器生產商提供了既有高精確基本特性又有先進解決問題能力的儀器。數字示波器的基本任務是為使用者捕捉、觀察和分析信號以及提供排除故障的工具。在選擇示波器時使用者要考慮觸發性能、帶寬、取樣率和采集存儲器長度。

——觸發

——許多高性能示波器裝有觸發器能夠區別變化率、毛刺和低脈沖的問題。如果使用者處理的是高速信號則理想的示波器可由快速事件觸發。最快的觸發電路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。

——當電路情況尚未清楚時使用非常快速的觸發并將數據全部存入顯示屏的長余輝圖形。使用者能觀察到可能引起錯誤的事件類型并設置觸發去捕捉這些事件。

——如果使用者知道正常信號應有的波形，涂層測厚儀則使用者只要在信號出現異常定時特性時觸發。

——帶寬和取樣率

——示波器帶寬和取樣率對精確信號捕捉是重要的。對定時測量來說兩種特性中取樣率通常更為重要。

——數字示波器在一個信號周期中最少應捕捉八個樣本才能進行精確的定時測量。精密測量可能需要更高的比率。

——前端放大器要有足夠的帶寬去跟蹤信號的最高帶寬成分。對于上升時間350ps的電路來說放大器具有350ps本征上升時間的1GHz示波器就足夠了。所有時鐘邊沿的上升時間將會同樣降低但不會影響它們的相對定時。

——應該選用更高帶寬的儀器去測量1GHz以上的噪聲效應同時應該認識更高帶寬的雙邊沿效應。更精確的上升時間要求示波器繪制更精確的帶寬但是過份的帶寬會使使用者獲得錯誤的結論。假定微處理器時鐘正在驅動高速RAM器件的選通輸入RAM器件將對時鐘邊沿發生響應而不是對高頻噪聲發生響應。在這種情況下電路響應受帶寬限制并忽略掉很高的高頻噪聲。

——寬帶垂直噪聲是邊沿抖動的主要制造者，但使用者不要過份估計垂直噪聲的影響把超過被測電路和帶寬的噪聲影響也考慮在內。因為放大器的寬帶噪聲隨帶寬的開方值增加，使用者應保證示波器不會把噪聲和抖動加入到信號中。具有500MHz至幾GHz帶寬的示波器只有幾ps的本征噪聲。

——存儲器深度

——對于復雜數據流的時鐘穩定度和定時分析示波器應該有足夠的存儲器在整個數據記錄上保持A/D轉換器的最高取樣率。如果存儲器不夠則必需降低A/D轉換器的取樣率去捕捉整個信號或者保持最高取樣率而不能記錄整個信號。

——定時測量

——多種定時測量都要統計數據的有效性。使用者不能只測量一次周期至周期的變化就測量出周期抖動。必須進行多次測量以保證一個具有高斯分布的參數的分布范圍的測量。這些分布需要包括多種信號定時變化由寬帶噪聲決定的定時測量。

——高斯分布測量

直分圖事件數時鐘周期抖動（б） 100±2.1 1,000±2.9 5,000 ±3.4 10,000 ±3.5 100,000 ±4.1 1,000,000 ±4.6 5,000,000 ±5.1

——參數測量值例如空度比誤差要有1000次測量獲得最可能的結果是分布范圍達到±2.9б。捕捉1×106次測量可將數值范圍擴展到大約9б（±4.6б）。這樣的置信度要高得多使最壞情況的電路性能得到特征化。

——某些示波器觸發一次只捕捉到一個參數值即使由長的存儲器去捕捉通常只是屏幕的第一個周期。另一些示波器觸發一次可捕促到1×106以上的周期并對所有周期都作測量。

——示波器的CPU速度和RAM大小隨型號的不同而不同沒有必要與價格掛鉤。某些低價示波器有很高的處理能力而某些高價的示波器的處理能力卻很低。某些示波器用專用DSP去快速運行某些計算但對另一些計算的運行會很慢。最好在購買示波器之前先讓示波器進行特定的測量。

——先進的故障排除性能

——多種先進的故障排除工具特別是尋找定時和抖動問題的工具現在都裝入示波器內。首先是某些示波器具有更快進入觸發方式的能力并且將數據顯示成余輝圖形使用者可觀察到大量事件。

——某些示波器使用這些余輝圖數據繪制出向量掃跡它顯示的包絡是±3б或其它б值而其它示波器可給出數據值的統計表示。它用四個數字一組來表示使邊沿的多次采集特征化用邊沿到達的最先、最后、平均和б值來顯示。

——其它示波器可繪制出表示所有邊沿到達時間的直方圖。多峰直方圖或帶肩直方圖表示除一項噪聲之外還有其它因素導致定時問題。

——某些示波器還可作出諸如周期——周期抖動、周期至下一周期的空度比變化、脈沖幅度分布等的信號參數直方圖。由于直方圖內容隨示波器型號的不同而不同工程師應考慮哪一種參數重要而選擇一種含有這種參數的示波器。在許多情況下需要保持與時間有關的參數測量記錄。某些示波器可采用與數據采集一樣的時基作出定時參數的連貫值掃跡。

——上述掃跡跟蹤著信號隨原始數據掃跡的定時變動。如果信號的周期、頻率或空度比變化則跟蹤著抖動的掃跡可顯示出隨這些變化而變化的曲線。

——因為統計數據用作證實一個系統是否處在指標之內示波器上的抖動跟蹤曲線是電路故障排除的極好工具。設計者可迅速確認被測信號的非正常部分的位置并深入尋找失效原因。

——選擇示波器

——每個連續進行的項目都會遇到更快的信號和更復雜的問題所以選擇示波器的最后一個因素是要考慮到未來的應用。選擇一個比目前需要的觸發更快、存儲能力更深和參數分析能力更強的示波器是很重要的。另外考慮示波器的設計將來能否增加分析工具和更多RAM。

——當選擇示波器作定時和抖動測量時使用者應該盡可能多地了解電路特性。在檢查市售示波器的指標后選取幾種不同供應商的樣品試用。花費時間用示波器作實際測量和作故障分析是值得的并且這可保證將來作定時和抖動分析更為精確。

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