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選擇合適的示波器進行高速電路調(diào)試和驗證 示波器技術(shù)指標

時間：2020-07-29    來源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
示波器，作為全球使用廣泛的通用儀器，伴隨電子設(shè)計工程師走過了60年的歷程。第一代的模擬實時示波器（ART）和第二代的數(shù)字存儲示波器（DSO），都有其明顯的缺點?；贒PX數(shù)字熒光技術(shù)的第三代數(shù)字熒光示波器（DPO），結(jié)合了前兩代示波器的優(yōu)點，同時消除了兩者的缺點。全新一代的數(shù)字熒光技術(shù)進一步提升了數(shù)字熒光示波器的實時性，使DPO在性能和適用性方面已經(jīng)遠遠超過了同等帶寬的ART和DSO，成為當前業(yè)界性能較優(yōu)、效率最高、分析能力較強的選擇。為什么DPO具有這樣的能力呢？本文接下來的部分，將結(jié)合DPX技術(shù)的核心，為讀者完整介紹三代示波器在調(diào)試和驗證工作中的優(yōu)劣勢，同時解答一些已談?wù)撨^多年的疑問。

第一章 示波器技術(shù)的發(fā)展和演變

泰克的511模擬實時示波器，標志著商用示波器時代的到來。511之前也有一些“示波器”產(chǎn)品，但是由于其沒有觸發(fā)系統(tǒng)和校準的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進行定量測試，所以只是一種定性觀測的工具。511首次在“示波器”這種測試設(shè)備中加入了邊沿觸發(fā)以顯示穩(wěn)定波形、使用校準的時基和垂直放大器以提供定量測試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。

模擬實時示波器發(fā)展到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，下圖是一個基本的結(jié)構(gòu)框圖：


圖1: 模擬示波器結(jié)構(gòu)簡圖

模擬實時示波器機構(gòu)簡單，沒有信號的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號進入放大器（或探頭）到最后在CRT上顯示，幾乎是實時（延遲時間幾乎可以忽略）的。

但是，模擬示波器也有死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)的信號是不能顯示在屏幕上的。這個死區(qū)時間來自于觸發(fā)系統(tǒng)的“觸發(fā)抑止（hold off）”和等待觸發(fā)的時間。所以，模擬示波器也不是能100％地捕獲信號。不同型號的模擬實時示波器，最大波形捕獲概率大約從30％～70％不等，掃描速度較快可達50萬次/秒。這是一個非常好的指標。

再來看模擬示波器顯示的方式——CRT陰極射線管。電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)，再轟擊顯示屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光形成波形軌跡。當電子束停止轟擊后，亮點不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。在余輝效應(yīng)的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數(shù)（頻度）成正比關(guān)系。因此，模擬實時示波器顯示的波形，不僅有時間和幅度的信息，還能以亮度等級表示信號出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質(zhì)發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會很低，甚至根本無法觀測到。所以模擬示波器比較適合于重復(fù)信號（如連續(xù)正弦波）或者有重復(fù)特性的信號（如模擬視頻信號）。而對單次信號（如單個脈沖或偶發(fā)故障）的觀測能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實時示波器有以下幾點主要優(yōu)點：實時性強、波形捕獲概率高、直觀的三維（時間、幅度和信號出現(xiàn)概率）顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數(shù)據(jù)、分析能力有限、對低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡單、預(yù)觸發(fā)延時不足和帶寬提升困難（從前端放大器到CRT必須同時提升）等。隨著數(shù)字化運動的興起和越來越多的單次信號測量需求，模擬示波器這些缺點使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉(zhuǎn)向數(shù)字示波器的研發(fā)和生產(chǎn)。

第一代數(shù)字示波器現(xiàn)在被稱為數(shù)字存儲示波器（DSO），使用串行的工作結(jié)構(gòu)。原理框圖如下：


圖2: 數(shù)字存儲示波器結(jié)構(gòu)簡圖

數(shù)字存儲示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測的模擬波形最終可以以數(shù)據(jù)的格式存儲。當然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進行自動測量、頻譜分析、數(shù)學(xué)計算或者其它高級分析。所以數(shù)字示波器特別適于單次信號的采集和分析，這是一個很大的突破。

另外一方面，數(shù)字存儲示波器在ADC以后就是全數(shù)字化處理，所以帶寬的提升僅受限于可變增益的前置放大器帶寬和ADC的速率。隨著技術(shù)的進步，現(xiàn)在，泰克TDS6154C是業(yè)界真實模擬代寬最高的數(shù)字存儲示波器，達到12.5GHz(3dB)。 由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設(shè)計中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設(shè)計都采用每一個通道獨立的硬件放大器設(shè)計方法，這樣保證每一個通道的性能沒有限制。當每一個通道放大器的設(shè)計帶寬不足時，有些示波器通過DBI技術(shù)利用示波器每一個通道6GHZ的低帶寬放大器在不同的頻段“拼接”在一起，在某一個通道上達到超過6GHZ的帶寬，例如3個通道的6GHZ頻段“拼接”后達到18GHZ帶寬。從DBI技術(shù)實現(xiàn)的方法可以明顯看出它的優(yōu)點和相應(yīng)的缺陷，最明顯的優(yōu)勢是利用多通道的低帶寬合并為單通道超過10GHZ的高帶寬，在示波器設(shè)計中成本最高的放大器和ADC均采用低速設(shè)計，非常有利于控制成本。 由于DBI技術(shù)本質(zhì)上首先經(jīng)過將信號頻率分配到不同的通道，通過相對低速的ADC進行采樣，最后通過DSP技術(shù)將這些包含不同分量的頻率數(shù)字“拼接”，它會導(dǎo)致以下幾個限制。

1. 通道數(shù)限制：當使用不同通道時帶寬不同，3通道或4通道使用時僅僅提供6GHZ帶寬，ADC采樣率也有限制。

2. 頻譜“拼接”錯誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個頻率“拼接”點都有明顯的非線性，當被測信號的頻譜分量在該區(qū)域時，示波器時域顯示的波形會出現(xiàn)波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術(shù)需要軟件處理和“拼接”數(shù)字頻域的波形，數(shù)據(jù)量比較大時波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制： 當DBI打開時，雖然單通道帶寬和ADC提升，但是觸發(fā)系統(tǒng)的帶寬無法通過DBI技術(shù)提升，最大僅為800MHZ，另外示波器的外參考輸入，垂直靈敏度的精細調(diào)整等功能都會由于DBI打開而受限。

數(shù)字存儲示波器在觸發(fā)系統(tǒng)上也有很大的進步。從結(jié)構(gòu)框圖上可以看到，數(shù)字示波器的觸發(fā)系統(tǒng)是完全獨立的一個以模擬電路為主的電路。高性能的觸發(fā)系統(tǒng)好比是照相機的快門，可以幫助測試人員準確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點，數(shù)字存儲示波器可配備毛刺觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、過渡時間、通訊觸發(fā)、串行觸發(fā)、窗口觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、碼型出發(fā)和總線觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式。泰克的Pinpoint?觸發(fā)系統(tǒng)是當前全業(yè)界先進的觸發(fā)系統(tǒng)，在邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)中使用完全的SiGe技術(shù)，所以觸發(fā)靈敏度都可到達到很高的水平，例如TDS6124C這款儀器，邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)的靈敏度都可以同時達到3div@9GHz。這個雙觸發(fā)系統(tǒng)輔以觸發(fā)延遲設(shè)置和觸發(fā)重置，幾乎可以不受限制地設(shè)置觸發(fā)模式。

數(shù)字存儲示波器有了這些特性，在帶寬性能可以遠高于較模擬實時示波器；在觸發(fā)和采樣的配合下，數(shù)字存儲示波器對單次信號（低重復(fù)概率信號）的捕獲能力有巨大提升；對于信號的測試和分析能力也今非昔比……但是，在增強了對單次信號的捕獲、分析能力以后，也引入了難以避免的弱點，這主要體現(xiàn)在波形捕獲率和單調(diào)的顯示能力上。以下我們來說明一下這些弱點：

數(shù)字存儲示波器的結(jié)構(gòu)上已經(jīng)決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經(jīng)過調(diào)理，進入ADC采樣；ADC的采樣數(shù)據(jù)在觸發(fā)系統(tǒng)的控制下送入采集內(nèi)存；采集內(nèi)存存滿以后，波形數(shù)據(jù)被送到計算機系統(tǒng)；微處理器根據(jù)用戶需求，對這些數(shù)據(jù)進行處理、計算、分析；最后波形和分析結(jié)果被顯示在顯示器上（滾動模式下工作流程略有不同，這里不做詳細描述）。在這個過程中：從信號調(diào)理、觸發(fā)監(jiān)控到ADC采樣，幾乎是實時的，不會影響工作效率；而數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯接嬎銠C系統(tǒng)、微處理器的處理、計算過程、最終的顯示，都會因為示波器的構(gòu)架不同而影響其實時性。其中最關(guān)鍵的部分是微處理器的處理過程。我們都知道，流行的示波器采樣率都會在每秒數(shù)十吉（GS/s），沒有任何一個通用的微處理器可以實時處理這樣的數(shù)據(jù)流，所以示波器微處理器的處理方式只能是“抓取一段、慢慢處理、控制顯示”，然后重復(fù)。這樣，在其“慢慢處理”的時間中，示波器將不能監(jiān)視波形，這也就是我們所說的“死區(qū)時間”，在死區(qū)時間內(nèi)發(fā)生的事件，是不會顯示在屏幕上的。為了衡量數(shù)字存儲示波器的死區(qū)時間占到總觀測工作時間的比例，我們引入“波形捕獲率”的概念，也就是示波器可以連續(xù)提供的每秒種內(nèi)捕獲并顯示的波形個數(shù)。此處的“波形”指一次觸發(fā)采集的全部信息。試驗證明，業(yè)界波形捕獲率最高的高性能（帶寬1GHz以上）數(shù)字存儲示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時間大約占到總觀測時間的1～2％，也就是說：全部信號的98％以上的細節(jié)，因示波器的死區(qū)時間而漏失掉了。

每個工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會考慮到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形細節(jié)——舉個例子，如果您觀測的信號里存在一種平均1秒發(fā)生一次的故障，那么數(shù)字存儲示波器1秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)這個故障的概率只有不到2％，15秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)的概率也只有大約26％。而事實上，由于開發(fā)時間緊迫，一般工程師觀測一個信號的時間都不會超過10秒——結(jié)果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個故障并進行有效調(diào)試。

幾乎所有的示波器廠商都意識到數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低這種缺陷，并且開發(fā)出了很多提高示波器速度的方法。但是，無論在數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯轿⑻幚砥鲿r使用兩對1.25Gbps的千兆以太網(wǎng)鏈路的構(gòu)架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點顯示的加速技術(shù)，都未能從最根本的問題上解決吞吐率的問題——串行的構(gòu)架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結(jié)構(gòu)、解放微處理器，才是解決問題的關(guān)鍵。

在這個方面，泰克公司走在了行業(yè)的最前面，從一開始就著手于串行構(gòu)架的改造。從上世紀90年代中期的InstaVu?到2006年初的實時DPO，基于并行構(gòu)架的第三代示波器：數(shù)字熒光示波器，從出現(xiàn)逐漸走向成熟。下圖是DPO數(shù)字熒光示波器的結(jié)構(gòu)圖：


圖3:數(shù)字熒光示波器結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)可以看出，DPO數(shù)字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數(shù)據(jù)的存儲、光柵化和統(tǒng)計處理以生成三維數(shù)據(jù)庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導(dǎo)入顯存。在這種構(gòu)架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數(shù)據(jù)處理過程中充當瓶頸。

DPO數(shù)字熒光示波器的并行結(jié)構(gòu)從根本上解決了DSO數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實時數(shù)字熒光示波器的波形捕獲率可以達到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數(shù)字熒光示波器更可超過300000wfm/s，捕獲波形占總體信號的比例也最高可達60％（連續(xù)提供）；而且新一代的DPX采集也沒有了上一代“準實時熒光示波器” 的最高1.25G實時采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進一步增強，是現(xiàn)在業(yè)界發(fā)現(xiàn)問題的較佳工具。下圖是三家不同廠商的同等級示波器同時觀測一個帶有偶發(fā)故障（約一秒鐘發(fā)生一次）的時鐘，15秒以后的情況?？梢钥吹?，在前面兩種示波器幾乎沒有發(fā)現(xiàn)任何問題的時候，泰克的數(shù)字熒光示波器（右圖）卻捕獲到了此間發(fā)生的多次故障，差別一目了然。


圖4: 對同一個信號觀察相同時間，DPO發(fā)現(xiàn)更多波形行為

DPX生成三位數(shù)據(jù)庫在顯示上也有巨大優(yōu)勢。這種由硬件緩沖器記錄的數(shù)據(jù)庫可以保存波形的幅度、時間和隨時間變化的幅度（即各點信號出現(xiàn)的頻度）信息，無論在累計速度還是緩沖器深度（每點26bit）上都遠遠超過其它廠商的軟件生成的數(shù)據(jù)庫。由此三位數(shù)據(jù)庫生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級等方式，同時告知用戶幅度、時間和信號出現(xiàn)的概率信息，效果非常類似模擬示波器。

數(shù)字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當?shù)牟ㄐ尾东@率和顯示方式，對重復(fù)信號和有重復(fù)特性的信號（如數(shù)字信號、串行通信信號）的捕獲和觀測能力大大超越傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器，能顯著提高調(diào)試和驗證的效率。同時，數(shù)字熒光示波器也具有數(shù)字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構(gòu)架的優(yōu)勢，數(shù)字熒光示波器在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面比較好于數(shù)字存儲示波器。

如何使用數(shù)字熒光示波器進行高效的電路調(diào)試和驗證，我們將在下兩章著重介紹。

第二章 使用實時數(shù)字熒光示波器進行調(diào)試——發(fā)現(xiàn)問題、定位問題、分析問題

調(diào)試（Debug）的任務(wù)，是要檢查設(shè)計中存在的問題：改正電路中的錯誤，消除設(shè)計里的缺陷，使設(shè)計達到預(yù)期的功能，并優(yōu)化電路。

調(diào)試的一般過程，我們可以把它歸納為：發(fā)現(xiàn)問題——定位問題——分析問題——解決問題。萬用表、示波器、邏輯分析儀等儀表都是重要的調(diào)試觀察工具。

使用示波器進行調(diào)試，準確、快捷、使用方便是每個使用者的要求。選用合適的工具來工作，可以起到事半功倍的效果。

隱藏在正常信號里的異常（偶發(fā)性故障），是調(diào)試電路錯誤的一種關(guān)鍵對象。發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性故障對于調(diào)試工具提出了很高的要求——調(diào)試工具的波形捕獲概率要足夠高，漏失率要足夠低，才能快速可靠地發(fā)現(xiàn)這些偶發(fā)的異常，為我們下一步定位問題提供足夠的信息。正像圖四中看到的例子，一秒發(fā)生一次的故障，可能來自于時鐘電路的周期性失效，也可能源于其它電路的干擾。由于這種失效或者干擾的出現(xiàn)概率可能只有幾百萬分之一甚至更低，所以對于傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器不到2％的捕獲概率來講，要以比較高的置信度來發(fā)現(xiàn)這些問題，需要花費很長的時間。這時，數(shù)字熒光示波器的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來了，它高達數(shù)十萬次的波形捕獲率和最高可超過60％的捕獲概率，可以幫助調(diào)試人員迅速“看到”問題，減少在眾多正常信號里面搜尋故障的時間——結(jié)果，您可能只需要幾秒鐘，而不是數(shù)分鐘、數(shù)小時甚至幾天的時間，就能發(fā)現(xiàn)令人頭痛的偶發(fā)性錯誤。

事實上，偶發(fā)性故障對于調(diào)試人員來說本來是未知的——在有限的觀測時間內(nèi)，發(fā)現(xiàn)問題的概率越高，則調(diào)試的效率越高。這時數(shù)字熒光示波器的價值更加明顯——DPO觀測一段時間所獲得的信息量，用數(shù)字存儲示波器可能需要數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的時間才能完成。所以，DPO是現(xiàn)今數(shù)字示波器領(lǐng)域，能較快發(fā)現(xiàn)問題的調(diào)試工具。還是圖四的例子，使用DPO觀測10秒鐘，發(fā)現(xiàn)一秒一次的故障的概率大約是99.99%。而使用數(shù)字存儲示波器，達到同樣的捕獲概率需要約450秒，也就是七分半鐘，差別一目了然。從這種意義上來講，DPO提供的不僅僅是遠遠比較好的效率，更加為調(diào)試人員增添了無以倫比的信心。

發(fā)現(xiàn)問題，完成了調(diào)試中關(guān)鍵的一步。下一步就是定位問題。

在定位問題上，業(yè)界有兩種方法：一種是使用長內(nèi)存，抓取很長的數(shù)據(jù)量，然后通過肉眼觀測或者搜索插件來找到關(guān)心的問題點；另一種是使用觸發(fā)，直接定位需要的的波形細節(jié)。這兩種方法，實際上是有其技術(shù)背景的：第一種方法是除了泰克公司以外的其它示波器生產(chǎn)商支持的——在沒有DPX并行處理技術(shù)，波形捕獲率低的情況下，“放大網(wǎng)，抓小魚”成了唯一的解決方案；加之這些廠商產(chǎn)品的高級觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬一般在800MHz以下，“抓取——篩選”也是這些示波器最容易實現(xiàn)的對高速信號“定位問題”的方法。數(shù)字熒光示波器更傾向于后一種方法：在DPX波形捕獲技術(shù)發(fā)現(xiàn)問題以后，使用得到的波形異常信息設(shè)置Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)的高級觸發(fā)條件，直接定位問題。

調(diào)試時使用長內(nèi)存加查找來定位問題，好比是用攝像機攝錄下一段時間的風(fēng)景，然后再返回去查看所有記錄來搜索我們想看的景色；硬件觸發(fā)定位，類似高性能照相機加準確的快門設(shè)置，直接拍下我們關(guān)心的景色。兩種方法在效率上的優(yōu)劣一看自明。

另一方面，使用長內(nèi)存來直接“定位問題”，并沒有從根本上改善數(shù)字存儲示波器高漏失率的問題。在圖四的例子里面，如果使用目前業(yè)界高速內(nèi)存最長的數(shù)字存儲示波器，其可以提供最高20G的采樣率和100M存儲深度。您可以發(fā)現(xiàn)，即時使用全部100M存儲空間，在20G采樣率下只能無漏失地捕獲5ms長度的波形；而處理這100M的數(shù)據(jù)，這種示波器通常需要幾秒到幾分鐘的時間，漏失概率高達99.5%以上。所以在不知道偶發(fā)故障主要參數(shù)的前提下使用長內(nèi)存加搜索，其調(diào)試過程好比高射炮打蚊子，命中率極低。

DPO的高波形捕獲率，能在很短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)信號的異常，如毛刺、欠幅脈沖、建立/保持時間違規(guī)、邊沿速率或者單調(diào)性問題等等，并能以色溫等方式告知其發(fā)生頻度。用戶使用基于DPX捕獲技術(shù)的快采（FastAcq）方式捕獲了這些問題以后，就可以使用簡單的如光標測量等方式確定其主要參數(shù)，并將這些參數(shù)作為觸發(fā)條件，就可以直接定位故障了。

用來定位故障的觸發(fā)系統(tǒng)，各公司使用的技術(shù)也是不一樣的。雖然各個廠商均宣稱在觸發(fā)系統(tǒng)上使用了SiGe的高速半導(dǎo)體技術(shù)，但是真實效果卻有待研判。泰克公司在中高端數(shù)示波器中使用的Pinpoint雙觸發(fā)系統(tǒng)，使用了完全的SiGe 技術(shù)，這種高帶寬、低功耗、低噪聲的半導(dǎo)體技術(shù)造就了Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)的強大性能：擁有業(yè)界較多的觸發(fā)模式——除了邊沿觸發(fā)外，還提供毛刺、欠幅脈沖、寬度、轉(zhuǎn)化時間、超時、碼型、狀態(tài)、建立/保持時間、窗口、通信相關(guān)觸發(fā)和串行碼型和解碼觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式；業(yè)界最高的觸發(fā)帶寬——前十大類觸發(fā)模式的觸發(fā)帶寬都可高達9GHz，串行碼型觸發(fā)可支持高達3.125Gbps的碼流；業(yè)界較強大的組合觸發(fā)模式——通過時間延時或事件延時，以及時間/狀態(tài)/轉(zhuǎn)換復(fù)位控制，Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)可提供超過1400種組合觸發(fā)模式。所以該觸發(fā)系統(tǒng)可以幾乎不受限制地設(shè)置各種觸發(fā)條件。相比起來，其它廠商的示波器觸發(fā)系統(tǒng)，一般僅僅能在邊沿觸發(fā)這種繼承于模擬示波器的觸發(fā)模式上有可與示波器匹配的觸發(fā)帶寬。而在高級（智能、違規(guī)）觸發(fā)模式下，這些示波器一般僅能夠提供不高于800MHz的觸發(fā)能力。這對于當前的高性能、超高性能示波器來說幾乎沒有任何意義。

有些調(diào)試人員可能會有這樣的疑問：用DPX快采看到的故障，如果是不可重復(fù)的，那觸發(fā)系統(tǒng)再強大也捕獲不了啊？不錯，如果故障是單次的、不可重復(fù)的，那示波器是不能重新捕獲的。但是，您完全沒有必要擔心，事實上，純粹的不可重復(fù)故障并不是調(diào)試工作的任務(wù)，我們在調(diào)試時也不必關(guān)心這種問題。它可能源自一些非本電路的原因，如電力系統(tǒng)偶然失效、突發(fā)外部EMI干擾等——既然不會重復(fù)，我們?yōu)槭裁匆獡哪兀?

當然，如果調(diào)試人員已經(jīng)習(xí)慣使用長內(nèi)存的方式定位故障，DPO也能勝任。實時數(shù)字熒光示波器是現(xiàn)在業(yè)界內(nèi)存最長、處理速度較快的產(chǎn)品。它能在每通道上提供100M存儲深度，單通道下最高可達400M。400M是一個非常優(yōu)秀的指標，在20G采樣率下，400M存儲深度可以捕獲從工頻50Hz直到示波器滿帶寬的頻譜成份，這在高性能示波器里面還是首屈一指的。

下面就是分析問題。示波器能提供的分析方法一般有：自動測量、數(shù)學(xué)運算、頻譜分析、濾波和其它分析?，F(xiàn)代示波器一般都使用開放式的Windows操作系統(tǒng)，較為容易實現(xiàn)分析功能的擴展。

DPO提供的標準配置分析功能很多。在自動測量方面，有關(guān)于幅度、時間、組合、直方圖和眼圖的53種測試項；在數(shù)學(xué)運算方面，有數(shù)十種運算符號可供調(diào)試人員自由編輯；頻譜分析方面，除了一般示波器可以提供的基本FFT頻譜分析儀外，DPO還提供高級的FFT分析，您可以設(shè)置中心頻率、頻譜跨度、分辨率帶寬和選擇合適的窗口函數(shù)（總共8種）；DPO也提供用戶自定義的FIR濾波器功能，用戶可以使用低通、高通、帶通、帶阻、平滑等濾波器。此外，泰克還提供幾十個免費小插件，使用這些小插件，可以輕松實現(xiàn)諸如“觸發(fā)－存盤”、“測量－歸檔”這樣的自動操作。另外，通過選件支持，用戶還可以進行抖動分析、功率測量等高級測量。

有幾個分析工具是值得注意的：第一個是快幀（FastFrame），它能將內(nèi)存分段，連續(xù)觸發(fā)，用戶可設(shè)置觸發(fā)捕獲次數(shù)。當示波器捕獲用戶要求的次數(shù)后，每次捕獲的信息都存入內(nèi)存。用戶可以觀察每次捕獲的波形（觀察單個或者疊放），并且可以了解每次觸發(fā)的時間（精確到皮秒）。這個功能對測量故障或者低占空比脈沖信號的頻率和重復(fù)性有很大的幫助。和業(yè)界其它類似功能相比，DPO的快幀功能擁有較快的連續(xù)觸發(fā)速率和準確的定時精度；

第二個是DPX快采數(shù)據(jù)的自動測量功能。之前有人認為DPX快采的數(shù)據(jù)不能進行測試。事實上，DPX采集生成的波形數(shù)據(jù)庫不僅可以測量，而且由于其本來就有統(tǒng)計效果，所以該三維數(shù)據(jù)庫的信息用作重復(fù)信號或者有重復(fù)特性的信號的測量時，標準偏差（std. deviation）還較其它采集模式下小很多，亦即測試結(jié)果更準確。

在調(diào)試中，工作效率除了體現(xiàn)在快速發(fā)現(xiàn)問題、準確定位問題和精確測量外，儀器的易用性也十分重要?，F(xiàn)代示波器的功能越來越豐富，性能也日益強大，其操作也變得越來越復(fù)雜。為了讓調(diào)試人員專注于設(shè)計本身而不是測試儀器，DPO專門設(shè)計了用戶自定義操作界面的MyScope（我的示波器）和Windows風(fēng)格的鼠標右鍵彈出菜單功能。MyScope使示波器操作人員可以根據(jù)自己的使用風(fēng)格和操作習(xí)慣，自由地將操作按鈕組合成自己需要的操作界面。這樣，MyScope操作面板可只包含用戶需要的按鈕，而其它不用的功能可以被完全忽略掉——于是用戶將不再在眾多復(fù)雜的菜單列表里尋找自己需要的功能——只要簡單地打開“我的示波器”操作界面即可。更加簡便的是，MyScope的自定義過程是完全的圖形界面操作，您無須編寫script，使用鼠標拖拽即可。

鼠標右鍵的彈出菜單，是用戶操作時，可以在顯示界面的特定位置（如測量結(jié)果、采集狀態(tài)、通道標號、觸發(fā)方式等等）上點擊鼠標右鍵，即有與該位置所指示的參數(shù)相關(guān)的設(shè)置菜單彈出。熟悉Windows風(fēng)格的用戶可以使用這一功能，幾乎只用一只鼠標就可以完成所有的示波器操作，效率倍增。

從以上幾點我們可以看到：采用DPX技術(shù)的DPO平臺示波器和傳統(tǒng)示波器相比，快速采集能夠較快較為可靠地發(fā)現(xiàn)問題；Pinpoint硬件實時觸發(fā)系統(tǒng)能夠更精確地定位問題；FastFrame快采、自動測量、數(shù)學(xué)運算、FIR濾波器等功能可以從各種角度分析問題；同時，MyScope、鼠標右鍵彈出菜單等可以提高操作效率，降低工作復(fù)雜程度。這些都讓DPO數(shù)字熒光示波器成為當今業(yè)界功能較強大、效率最高、分析能力較強的調(diào)試工具。

下一章中，我們將介紹使用DPO數(shù)字熒光示波器進行信號的驗證。

第三章 使用實時數(shù)字熒光示波器進行驗證——捕獲和分析

驗證（Verification），就是測試設(shè)計是否和它對應(yīng)的各種標準（行業(yè)標準或者自定義標準）相符，以及有多少冗余量。驗證和調(diào)試，是示波器的主要用途。

在使用示波器進行調(diào)試時，我們關(guān)心的主要指標是：

波形捕獲率——決定儀器能夠多快發(fā)現(xiàn)故障

觸發(fā)系統(tǒng)——決定儀器能夠多精確地定位故障

分析能力——決定儀器能夠從波形里提取出多少有用信息。

而在使用示波器進行驗證時，我們更關(guān)心的指標是：信號保真度——決定采集的樣點是否能夠真實反映信號特性；采樣率和內(nèi)存深度——決定單次捕獲可以以多快的速度以及抓取多少樣點供驗證測試；分析工具——決定深入分析的程度和準確性。

信號保真度是一個比較復(fù)雜的問題，涵蓋了示波器的帶寬、采樣率、內(nèi)插、抖動噪底、本底噪聲、時間測量精度、探頭系統(tǒng)等多個方面。業(yè)界對此的討論很多，也有很多相關(guān)文章，所以本文不再做詳細分析，只強調(diào)示波器的頻率響應(yīng)對驗證的影響。

頻率響應(yīng)，在示波器指標上反映為帶寬和上升時間。帶寬表征的是示波器的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)能力，而上升時間是瞬態(tài)相應(yīng)。經(jīng)驗上，帶寬和上升時間（10～90％）的乘積是一個常數(shù)，這個常數(shù)和示波器的放大器模型有關(guān)。如高斯響應(yīng)的放大器模型，這個常數(shù)是0.35；而高性能的示波器放大器模型比較復(fù)雜，該常數(shù)一會在0.4~0.55之間。當然，從用戶的角度看，這個常數(shù)應(yīng)該越小越好：常數(shù)越小，則表示相同的帶寬（穩(wěn)態(tài)響應(yīng)）下，該示波器的上升時間更快，也就是說瞬態(tài)響應(yīng)更好；而上升時間一樣的情況下，乘積小的示波器需要的帶寬會相對低一些——而對示波器，帶寬和價格是正比的，也就是說乘積小的示波器性價比更高。

我們驗證測試對象一般都是脈沖（非正弦）信號，如通信信號、串行總線信號、高速脈沖信號、調(diào)制信號等等，所以示波器的瞬態(tài)響應(yīng)相比起來更加重要。泰克DPO示波器在相同帶寬下，能提供較快的上升時間，對于瞬態(tài)信號的測試非常有幫助。

另外一方面，高帶寬示波器的不同設(shè)計結(jié)構(gòu)，也會影響到驗證測試的正確性、精度和速度：

近幾年示波器帶寬不斷高速提升，如何在提升帶寬的同時，保證帶內(nèi)幅度響應(yīng)的平坦和相位響應(yīng)的線性，成了一個重要的問題。有經(jīng)驗的工程師都知道，要完全從硬件入手，是不可能得到理想的平坦幅度響應(yīng)和線性相位響應(yīng)的。所以在高性能示波器的放大器技術(shù)中，各大示波器生產(chǎn)商都在使用軟件提升帶寬和優(yōu)化響應(yīng)的DSP技術(shù)。DSP技術(shù)的使用，確實能得到比較理想的幅度和相位響應(yīng)，但是它并不是有利無害的。下圖是示波器對階躍信號的響應(yīng)，藍色為完全的模擬響應(yīng)，而紅色是DSP處理后的響應(yīng)。

DSP提升、修正幅度和相位響應(yīng)后，示波器可以更加精確地測量上升時間、眼圖冗余等指標，有利于對數(shù)字通信信號、計算機總線信號等的驗證測試。但是從紅色的波形可以看到：虛線框部分，我們叫做“預(yù)過沖”，是一種不存在于現(xiàn)實信號中“假波形”，是由DSP處理產(chǎn)生出來的失真——對于階躍信號來說，沒有理由當上升能量還沒有產(chǎn)生時，波形就開始振蕩。所以當使用示波器測量高速脈沖、激光脈沖或類似信號時，DSP的處理就不再是測試人員期望的了——失真的波形錯誤指示了各個時間點的物理行為。

當然，DSP還有其它一些問題，如過驅(qū)動的信號的錯誤顯示、較低的數(shù)據(jù)吞吐速度、DSP之前的原始數(shù)據(jù)無法導(dǎo)出等。所以當用戶需要觀測過驅(qū)動信號（如脈沖頂端的過沖細節(jié)）、需要使用示波器采集的原始數(shù)據(jù)做自定義分析（如激光脈沖測量）或者需要較高的處理速度時，都要求示波器不使用DSP功能。

泰克在所有2.5GHz帶寬以上的DPO中都使用了DSP的頻響修正和通道匹配功能，DPO72004還有DSP的帶寬提升功能。但是泰克公司也深知DSP功能的利弊，所以在其它公司“悄悄”使用DSP功能時，泰克唯一讓用戶有了“知情權(quán)”和“控制權(quán)”，即用戶可以知道示波器是否正在使用DSP功能，同時還可以根據(jù)需要打開或者關(guān)閉DSP提升功能。這樣，如進行需要示波器原始采集數(shù)據(jù)的脈沖測試，用戶可以選擇關(guān)閉DSP功能；而進行串行信號一致性測試時，泰克建議可以打開DSP功能。


圖6: 幾種“帶寬”的定義圖示

除了應(yīng)用上需要注意以上這些事項以外，DSP功能還有一些要求。從上圖我們可以看到，DSP要求必須滿足奈奎斯特采樣率實時采樣。有一些廠家的示波器當采樣率不滿足奈奎斯特帶寬時，會有難以預(yù)料的波形幅度失真，大多來自于這個原因。

同時，高性能示波器一般都是4通道。但是要在四個通道上同時實現(xiàn)標定帶寬，還需要采樣率的支持。業(yè)界一般公認2.5倍于帶寬的采樣率是保證帶寬的最低要求。這樣，如果使用8GHz以上的示波器做信號驗證（一般都是單次采集），泰克的DPO可以同時在4條通道同時提供全帶寬性能（每通道50G的采樣率可以有效保證最高20GHz的帶寬），而采用共享放大器和ADC結(jié)構(gòu)的示波器較多只能在兩條通道上達到全帶寬指標，有的甚至僅僅能保證一條通道的性能。

存儲深度方面，很多驗證測試需要足夠的數(shù)據(jù)。如目前在高速串行信號的抖動和眼圖測試過程中都要求一次捕獲大量的數(shù)據(jù)，以進行精確的抖動測量和預(yù)估，同時保證低誤碼率。以避免捕獲少量數(shù)據(jù)進行分析的結(jié)果的偶然性和不確定性。類如HDMI測試規(guī)范（CTS1.2 a Page 15）要求捕獲1百萬個比特數(shù)據(jù)進行眼圖分析，則需要示波器兩通道在10Gs/S的采樣率下使用16M的存儲深度。FBD Sigtest（Release notes Page6）推薦捕獲1百萬個比特數(shù)據(jù)進行眼圖分析.PCIE 2.0的規(guī)范（Page239）規(guī)定強制要求捕獲1Mlillion數(shù)據(jù)進行眼圖抖動分析。則需要示波器單通道在40Gs/S的采樣率下使用8M的存儲深度。

另一個例子：為了減少EMI的串擾和輻射，在大多數(shù)高速串行信號中均使用了加入了擴頻時鐘（spread spectrum clock）,它可以使串行信號的速率在一個適當?shù)姆秶鷥?nèi)進行漂移，從而使其頻譜在一個較寬的范圍內(nèi)擴散，尖峰值顯著降低，可以有效減少EMI問題。例如FBD規(guī)范（Page15）明確規(guī)定需要支持頻率很低的30-33K的頻率的擴頻時鐘，其他如PCIE,SATAI,SATAII同樣要支持此功能。為了驗證Motherboard上的諸如此類的串行信號是否支持擴頻時鐘，而且確認其調(diào)制頻率是否在30-33K之間。就必須一次捕獲足夠長時間的信號進行頻率抖動分析。一次抓取的采樣點數(shù)可以用下面的公式計算：每個擴頻周期約位1/33k=30uS，由于是捕獲高速串行信號，采樣率至少為40Gs/S,即采樣間隔為25pS，則捕獲單個周期的總采樣點數(shù)為30uS/25ps=1.2M,為了實現(xiàn)準確的擴頻時鐘的測量，一般建議捕獲10個以上的擴頻時鐘周期,所以總的采樣點數(shù)為1.2M*10=12M.需要強調(diào)的是，此12M的存儲深度必須使用在40Gs/s或更高的采樣率下才有意義。

有些示波器設(shè)計時采用將高速采集前端（多達80顆ADC）和高速內(nèi)存在物理上用一顆SOC芯片實現(xiàn)，由于有太多功能在一個芯片內(nèi)部實現(xiàn)，導(dǎo)致片內(nèi)高速內(nèi)存容量的限制（在40GS/s下不大于2M），而且無法對內(nèi)存擴展升級。為了彌補這種設(shè)計結(jié)構(gòu)的缺陷，這類示波器會采用在芯片外部添加低速存儲器彌補片內(nèi)高速內(nèi)存的限制，但外部存儲器不能在高采樣率下工作，一般只能提供2GS/s，樣點間隔500ps，無法在信號邊沿采集足夠樣點，甚至出現(xiàn)會出現(xiàn)混疊，所以它無法提供高精度時間測試結(jié)果。泰克DPO可以提供每通道200M的存儲深度，且無任何使用限制，是業(yè)界最高的能力。這一能力讓使用DPO進行驗證測試的工程師在工作里游刃有余。

在分析工具方面，工程師一般會按優(yōu)先順序考慮以下三個方面：第一是準，即分析工具能夠精確地得出結(jié)果；第二是全，即分析工具能夠盡可能多地完成要求的測試項；第三是快，即在保證“準”和“全”的基礎(chǔ)上，分析工具還能迅速、自動地工作，可以能夠生成標準的測試報告。

“準”是第一要求，工業(yè)的標準文檔一般會推薦一些解決方案，這些解決方案通常是標準工作組正在使用的方案，當然這類方案可以滿足“準”的要求。還有一些所謂的“執(zhí)行標準”，就是在標準工作組推薦的多個方案中，主要廠商或者行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者選擇的方案。這類方案有較多的采用者，當然使用這類方案，可以得到業(yè)界最主要廠商的認同，所遇到的兼容性問題也最小。

建立在“準”基礎(chǔ)上的“全”也是一個重要條件。一種分析工具，如果能夠提供盡可能多的測試項，可以還能用戶自定義測試點，那么將會為工程師帶來很大的便利。行業(yè)規(guī)范以及業(yè)界認可的設(shè)備對驗證測試非常重要，不同廠家的設(shè)備雖然都對外宣稱可以支持某一項標準的一致性測試，但由于硬件平臺以及軟件實現(xiàn)方式的不同，使測試項目的完整性，覆蓋率以及測試結(jié)果存在很大差異。這種測試結(jié)果的差異會大大降低客戶對測試報告的認可程度，對于OEM/ODM廠商這一點尤其需要重視。

“快”的要求，必須要建立在“準”和“全”的基礎(chǔ)上——高效必須以質(zhì)量為前提。

以高速計算機總線測試為例，下表列出泰克的解決放案，其中大部分方案都是標準規(guī)范所推薦的。值得注意的是，唯有泰克的DPO70000系列實時數(shù)字熒光示波器可以涵蓋所有的標準一致性測試要求的帶寬：

另外，在通信規(guī)范的驗證上，泰克的Pinpoint觸發(fā)系統(tǒng)提供通信相關(guān)觸發(fā)，它使用硬件時鐘恢復(fù)電路恢復(fù)高速串行數(shù)據(jù)的嵌入式時鐘，從而可以進行等效眼圖測試。泰克示波器也是業(yè)界唯一可以實現(xiàn)標準等效眼圖測試的實時示波器。

本文結(jié)論

本文回顧了示波器的發(fā)展歷程，通過對當前示波器硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)探討了不同示波器在進行高速測試時的差異性，數(shù)字存儲示波器，數(shù)字熒光示波器，以及針對不同測試需求必須考慮的因素等等。詳細討論了示波器的兩大應(yīng)用調(diào)試和驗證。
示波器寬帶的定義

　　帶寬是示波器較為重要的一個指標，它決定了這臺示波器測量高頻信號的能力。示波器的帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定。對于一般的放大器來說，其増益不可能在任何頻率下都保持一樣，示波器中使用的放大器也是如此。示波器中的放大器的工作頻點是從直流開始的，其增益隨著輸入信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降一3dB對應(yīng)的頻點稱為這個放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的(如下圖展示)。

　　對于一臺標稱帶寬為1GHz的示波器，假設(shè)輸入一個標準的50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，在示波器上測量到的信號幅度為A；然后將輸入信號的幅度保持不變，頻率逐漸增加到1GHz,這時在示波器上測量到的信號幅度為B。如果20lg的計算結(jié)果沒超過一3dB(例如為一2.8dBh)這臺示波器就是合格的，否則就是不合格的。對于示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法?！　⌒枰⒁獾氖牵?dB是按信號功率計算的，相當于信號的功率增益下降1/2。示波器實際測量的是電壓信號，功率與電壓的平方成正比，所以一3dB相當于示波器電壓的增益隨著頻率的増加下降到原來的0.707倍。因此，對于一個50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，用1GHz帶寬的示波器測量到的幅度應(yīng)該是1V左右，而如果被測信號的幅度不變但是頻率増加到1GHz,這時測量到的信號幅度可能只有0.7V左右了?！　∈静ㄆ鞑⒉皇菍拑?nèi)的所有頻率信號都保持相同的測量精度的，被測信號頻率越接近帶寬附近，測量結(jié)果的幅度誤差越大，如果這個幅度誤差超過了可以接收的范圍，就要考慮用更高帶寬的示波器進行測量。另外示波器也不是絕對不可以對超過帶寬的信號進行測量，如果被測信號的頻率只是稍微超過了示波器的帶寬，雖然信號的衰減會比較大，但大概的頻率、周期等時間信息還是比較準確的（對正弦波信號）。　　至于具體某個頻點衰減是多大，需要準確知道示波器的頻響曲線。一般示波器廠商在公開的場合只會提供帶寬指標而沒有具體得獎頻響曲線，如果確實需要，可以通過用微波信號源配合功率計掃描得到這條曲線。

標簽: 示波器
示波器 示波器寬帶的定義_示波器 【導(dǎo)讀】示波器使用前需要自校準和需要探頭補償調(diào)節(jié)，執(zhí)行這種調(diào)節(jié)是使探頭匹配輸入通道。首次操作儀器時以及同時顯示多個輸入通道的數(shù)據(jù)時，可能需要在垂直和水平方向上校



    示波器使用前需要自校準和需要探頭補償調(diào)節(jié)，執(zhí)行這種調(diào)節(jié)是使探頭匹配輸入通道。首次操作儀器時以及同時顯示多個輸入通道的數(shù)據(jù)時，可能需要在垂直和水平方向上校準數(shù)據(jù)，以使時基、幅度和位置同步。例如，發(fā)生明顯溫度變化（>5°）時就需要進行校準。
    探頭自校準的操作步驟如下：
    1、從通道輸入連接器上斷開任何探頭或電纜。確保儀器運行并預(yù)熱一段時間。RFile（文件）菜單中，選擇Selfalignment（自校準）。
    2、在Control（控制）選項卡上，點擊StartAlignment（開始校準）。
    3、Ralignmentstate（整體校準狀態(tài)）字段中。每個輸入通道各個校準步驟的結(jié)果會顯示在Results（結(jié)果）選項卡中。
    探頭補償調(diào)節(jié)的操作步驟如下：
    1、將示波器探頭連接到通道，按前面板上的PRESET（預(yù)設(shè)）按鍵（左側(cè)面板設(shè)置區(qū)域中）
    2、檢查所顯示波形的形狀
    以上兩點看似簡單，但往往是工程師忽略的。為了使測量更精確，請一定要注意檢驗。這兩個校準功能在任何示波器都應(yīng)該有。
    下面給大家介紹下在電源線測量檢定電源與其使用環(huán)境之間的交互情況。
    要注意的是，電源可以采用任何規(guī)格，從個人電腦中的小型風(fēng)扇盒，到工廠內(nèi)大小適中為設(shè)備提供動力的發(fā)動機，到為電話群和服務(wù)器群提供支持的大規(guī)模電源。
    每種電源都對饋電的輸入電源(一般是市政電源)有一定影響。
    為確定插入電源的影響，必須直接在輸入電源線上測量電源電壓和電流參數(shù)。





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