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論在評估示波器中次要技術(shù)指標的重要性 示波器技術(shù)指標

時間:2020-07-30    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
近幾年來,隨著半導(dǎo)體集成度和功能的穩(wěn)步提高、模擬模型的不斷改進、結(jié)構(gòu)不斷變化等等,電子系統(tǒng)的性能正在不斷提高。但是,設(shè)備之間的信令速度和技術(shù)并沒有明顯變化。為什么呢?因為過去的I/O信令結(jié)構(gòu)足以完成工作,而實現(xiàn)變動的底層技術(shù)還沒有到位。

在過去5年左右的時間中,工程師一直把重點更多地放在低壓差分信令上,以明顯提高系統(tǒng)性能。數(shù)據(jù)速率已經(jīng)以幾何級數(shù)提高,推動著設(shè)備之間的通信更廣泛地采用復(fù)雜的串行協(xié)議,如PCI Express、Infiniband、XAUI等等。這些環(huán)境涵蓋了各種數(shù)據(jù)速率和傳輸結(jié)構(gòu),但所有這些數(shù)據(jù)速率和傳輸結(jié)構(gòu)都需要嚴格的設(shè)計和檢驗方法。

這使得示波器等測試設(shè)備的重要性大大提高。工程師依賴示波器分析串行設(shè)備設(shè)計的性能,支持檢驗和調(diào)試工作。他們的任務(wù)包括精確進行參數(shù)測量、檢修和信號完整性分析。在開發(fā)流程后期,他們轉(zhuǎn)向示波器,生成眼圖進行一致性測試。

選擇示波器的工程師經(jīng)常只考慮產(chǎn)品手冊和雜志廣告標題中列明的技術(shù)指標。人們最熟知的指標是帶寬、取樣速率和記錄長度。盡管衡量示波器性能的這些指標也非常重要,但它們并不能全面表明儀器在實際日常使用環(huán)境中的效果。例如,帶寬指標僅指明了示波器的大體頻率范圍,而幾乎與儀器可靠地檢測和捕獲快速異常事件的能力沒有關(guān)系。

因此,在評估示波器時,領(lǐng)會主要指標的言外之意非常重要。這個建議實際有兩層含義:第一,可以深入分析廠商大肆宣傳的技術(shù)指標后面所隱藏的細微差別;第二,記住要研究某些功能,這些功能可能不如市場上較為普遍吹捧的功能那樣光彩奪目,但它們可能會明顯影響設(shè)計人員工作的效果,甚至?xí)绊懝ぷ鞯挠行浴?br />
帶寬界定

帶寬指標當然非常重要。對不斷挑戰(zhàn)高速串行總線結(jié)構(gòu)極限的設(shè)計人員來說,在購買示波器時,帶寬一直是其最首要的考慮因素。

但是,帶寬本身只是描述儀器頻響的一個指標(正弦波滾降-3 dB的頻率)。擁有相同額定帶寬的兩臺示波器可能會擁有非常不同的上升時間,對復(fù)雜波形的響應(yīng)完全不同。是不是需要認真推敲部分指標或功能,以更好地促進購買者決策呢?

有兩個方面可以回答這個問題,一個是示波器真正的上升時間性能,另一個是儀器在數(shù)字信號處理(DSP)模式下的行為。

模擬上升時間是示波器帶寬的函數(shù)。它試圖使用教科書中的公式,從帶寬中簡單地計算上升時間,這是某些公布的上升時間指標的基礎(chǔ)。客觀測得的上升時間為測量提供了更好的基礎(chǔ),包括帶有或不帶DSP增強功能。每名工程師都了解上升時間響應(yīng)的重要意義。衡量測得的上升時間與計算得出的上升時間之間的差異就是領(lǐng)會言外之意。

可以使用DSP濾波,擴展示波器的凈帶寬,使其頻響平坦化,在通道之間提供更好的匹配。在被測設(shè)備采用高速多通路串行傳輸環(huán)境時,這些都是關(guān)鍵功能。但是,DSP會引入某些誤差,其一般會與超過實際模擬帶寬的頻率范圍部分成比例提高。

什么時候應(yīng)該使用DSP呢?在測量低于納秒的上升時間或眼圖時(圖1),從示波器中獲取最大帶寬至關(guān)重要。很明顯,這有利于DSP方法。較快速的測量幾乎一直需要最高的帶寬。


圖1: 眼圖分析取決于示波器的主要指標,如帶寬。但它還取決于時鐘恢復(fù)功能、探頭、觸發(fā)等等。透過主要指標、考察其它指標是保證高效準確地進行測量的較佳方式。

但有時可以通過某種方式旁路DSP擴展技術(shù),僅使用儀器本身的模擬帶寬和上升時間。例如,某些研究人員使用專用DSP算法,需要處理示波器中的原始數(shù)據(jù)。在這種情況下,DSP旁路功能非常重要。這類指標可能并不會被廠商大肆宣傳,但在選擇高性能示波器時是一個重要考慮因素。

示波器觸發(fā)與信號復(fù)雜性

"高速測量"一詞在低于納秒的邊沿和快速時鐘速率方面有各種各樣的含義。有時人們忽略了這些高速測量通常是復(fù)雜性非常高的測量。捕獲數(shù)據(jù)流中的某個碼要涉及判斷、運氣、估算、猜測…或正確選擇觸發(fā)功能。

示波器觸發(fā)決定著使用儀器可以捕獲、查看和測量的項目,這一功能與帶寬和取樣速率一樣重要。觸發(fā)系統(tǒng)有自己不同的一套技術(shù)指標。觸發(fā)通路一般是主輸入信號通路的支路,應(yīng)該體現(xiàn)許多相同的環(huán)境特點,如靈敏度、抖動等等。觸發(fā)性能的另一個指標是觸發(fā)類型的范圍,也就是在發(fā)生觸發(fā)時可以定義的條件。

當然,觸發(fā)系統(tǒng)有自己的主要指標。選擇示波器測量快速串行信號的設(shè)計人員可能會認為觸發(fā)通路的帶寬與儀器規(guī)定的帶寬相同。事實上,相關(guān)的指標是觸發(fā)靈敏度。這一指標體現(xiàn)了一個簡單的問題:在捕獲頻率范圍頂部附近的信號時,幅度要求是什么?在許多示波器中,觸發(fā)靈敏度與模擬采集帶寬是不匹配的。

即使信號的正常成分完全落在觸發(fā)器的性能指標范圍內(nèi),但是如果高速時的觸發(fā)靈敏度不足,仍可能會檢測不到窄毛刺或截斷的脈沖。幸運的是,硅鍺(SiGE)觸發(fā)電路拓撲等創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)開始克服了這種限制。

工程師通常把示波器的觸發(fā)功能視為"一定的",認為他們一直使用的邊沿和毛刺觸發(fā)是足夠的。但事實上,為有效完成實際工作,觸發(fā)靈敏度也是儀器的主要指標。

每臺示波器都具有邊沿觸發(fā)功能,大多數(shù)高端儀器還具有"高級"觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)技術(shù)簡單地檢測超出電壓門限的事件,高級觸發(fā)則應(yīng)用與電壓、定時或邏輯條件等有關(guān)的更多指標。在以串行方式傳輸?shù)臄?shù)字信號領(lǐng)域中,高級觸發(fā)正變得越來越重要。

在某些情況下,高級觸發(fā)設(shè)置可能是觸發(fā)感興趣的實際信號的唯一方式。例如,處理多通路Infiniband設(shè)備的設(shè)計人員必須保證通路時間落在特定容許誤差范圍內(nèi),不僅要符合標準,還要能夠正常運行。

應(yīng)對這一測量挑戰(zhàn)的普通方式是觸發(fā)一條數(shù)據(jù)流中的一個特點,然后測量不同通路之間的偏移或時間位移。測量結(jié)果會匯總某個時點上的偏移值,這提供了有用的信息,但通常不足以保證儀器在長期內(nèi)穩(wěn)定運行。


圖2: 雙觸發(fā)快照,顯示了高速串行通路偏移超限。注意觸發(fā)復(fù)位條件,如果在發(fā)生第二個事件前時限期滿,序列本身會再次啟動。

最近,采用全功能雙觸發(fā)技術(shù)的示波器已經(jīng)明顯簡化了在不同時間觀察這些偏移變化的復(fù)雜任務(wù)??梢远x兩種高級觸發(fā)功能,并可以從完整的觸發(fā)條件菜單中選擇每種功能。在數(shù)據(jù)特點激發(fā)第一個觸發(fā)器時,第二個觸發(fā)器可以找到設(shè)定期間內(nèi)的偏移誤差,或重新裝備第一個觸發(fā)器,再次啟動搜索,如圖2所示。在必要時,可以設(shè)置成用幾天時間等待發(fā)生誤差組合。

在評估示波器時,觸發(fā)指標很少放在優(yōu)先考慮的位置上。但是,觸發(fā)系統(tǒng)在檢測和捕獲復(fù)雜事件或間歇性事件方面是一個重要的配套指標。在長期內(nèi)以無人值守的方式進行偏移測量可以節(jié)約大量的時間,這要比認真推敲觸發(fā)指標強得多!

相關(guān)的"次要"指標

到目前為止,我們討論的技術(shù)指標通常要次于帶寬、取樣速率等主要指標。但事實上,在示波器評估過程中經(jīng)常被視為次要問題的許多其它參數(shù),可能會促進或阻礙緊張的工程時間表。

對許多串行標準來說,嵌入式時鐘恢復(fù)是示波器眼圖分析的基礎(chǔ),它還為時鐘到數(shù)據(jù)恢復(fù)(CDR如圖3所示)等測量提供支持。處理嵌入式時鐘信號的設(shè)計人員除了要考察主要指標外,還要考慮示波器可以通過哪些方式使時鐘恢復(fù)得更快、更簡便、更靈活、可重復(fù)性更高。


圖3: 眼圖分析程序簡化了復(fù)雜的測量工作,但很少出現(xiàn)在示波器的主要指標清單內(nèi)。

應(yīng)用需求一直引導(dǎo)著選擇方向。示波器能否用于檢修或一致性測量?有哪些時鐘恢復(fù)機制?示波器能不能實時恢復(fù)時鐘,顯示動態(tài)眼圖特點?

大多數(shù)高端示波器都提供了兩種時鐘恢復(fù)中的一種方法,即基于軟件的時鐘恢復(fù)或基于硬件的時鐘恢復(fù)。軟件時鐘恢復(fù)從存儲的采集數(shù)據(jù)中生成。對采用TDSRT-Eye自動化一致性測試和分析軟件等程序的一致性測試,軟件方法是公認的工具。

可以使用基于鎖相環(huán)(PLL)的時鐘恢復(fù),進行實時眼圖采集,但這里也需要認真推敲指標:PLL (可以是軟件恢復(fù)或硬件恢復(fù))能不能適應(yīng)當前串行標準中演變的時鐘頻率?有些能,有些不能,因此必須了解其間的差異。

眼圖測量是設(shè)計人員需要使用示波器進行的某些最復(fù)雜的程序,另一個實例是抖動測量。在這兩種情況下,設(shè)計人員都可以從示波器上運行的應(yīng)用軟件的專業(yè)經(jīng)驗中受益。軟件工具最大限度地減少了學(xué)習(xí)時間,明顯降低了設(shè)置、測量和分析時間,如圖3所示。但是,這些工具從沒有出現(xiàn)在主要指標清單內(nèi)。工程師必須自己下功夫,透過主要指標,保證提供適當?shù)墓ぞ摺?br />
探頭指標

還需要討論探頭指標。這里介紹的所有采集和分析功能都取決于信號在被測設(shè)備與示波器本身之間的真實傳輸。許多新型高速接口標準基于差分信令,而不是人們比較熟悉的單端通信。

盡管探頭解決方案有自己的主要指標,特別是在帶寬和負荷方面,但還應(yīng)了解示波器和探頭作為一個系統(tǒng)使用時產(chǎn)生的影響。示波器系統(tǒng)是否提供了真正的差分探頭工具?如果沒有,那么有必要使用兩個單端探頭和機載數(shù)學(xué)運算,排除某些測量類型。此外,共模抑制、靈敏度、響應(yīng)精度和本底噪聲等問題都影響著探頭對信號的影響。在測量當前高速信號時,這些參數(shù)很小的差異,都可能會導(dǎo)致很大的探頭負荷失真。

探頭連接方法很少被放到示波器主要指標中,但它們在每項測量中都非常重要。某些被測設(shè)備裝有SMA測試點,其它設(shè)備則要求接觸微小的表面封裝設(shè)備上的各個針腳。示波器的系列探頭解決方案能否滿足所有這些需求?

總結(jié)

主要指標一直是比較示波器的公認標準。但是,精明的工程師會透過主要指標,仔細考察影響日常任務(wù)的底層性能。從整體上看,采集、觸發(fā)、分析工具和探測中的某些不太顯著的指標可能會和描述帶寬、取樣速率和記錄長度的"主打"指標一樣重要。一切應(yīng)以工作為中心,即使最次要的指標有時也會決定著成敗。
示波器探頭的安裝和使用方法

  探頭的安裝方法是很有講究的,如果安裝錯誤很容易導(dǎo)致示波器檢測出現(xiàn)問題。那么示波器探頭的安裝方法是什么呢?今天小編就來為大家介紹一下具體的安裝方法吧,希望可以幫助大家更加了解示波器的應(yīng)用。

  首先是帶寬,這個通常會在探頭上寫明,多少MHz。如果探頭的帶寬不夠,示波器的帶寬再高也是無用,瓶頸效應(yīng)。

  另外就是探頭的阻抗匹配。探頭在使用之前應(yīng)該先對其阻抗匹配部分進行調(diào)節(jié)。通常在探頭的靠近示波器一端有一個可調(diào),有一些探頭在靠近探針一端也具有可調(diào)電容。它們是用來調(diào)節(jié)示波器探頭的阻抗匹配的。如果阻抗不匹配的話,測量到的波形將會變形。調(diào)節(jié)示波器探頭阻抗匹配的方法如下:首先將示波器的輸入選擇打在GND上,然后調(diào)節(jié)Y軸位移旋鈕使掃描線出現(xiàn)在示波器的中間。檢查這時的掃描線是否水平(即是否跟示波器的水平中線重合),如果不是,則需要調(diào)節(jié)水平平衡旋鈕(通常模擬示波器有這個調(diào)節(jié)端子,在小孔中,需要用螺絲刀伸進去調(diào)節(jié)。數(shù)字示波器不用調(diào)節(jié))。

  然后,再將示波器的輸入選擇打到直流耦合上,并將示波器探頭接在示波器的測試信號輸出端上(一般示波器都帶有這輸出端子,通常是1KHz的方波信號),然后調(diào)節(jié)掃描時間旋鈕,使波形能夠顯示2個周期左右。調(diào)節(jié)Y軸增益旋鈕,使波形的峰-峰值在1/2屏幕寬度左右。然后觀察方波的上、下兩邊,看是否水平。如果出現(xiàn)過沖、傾斜等現(xiàn)象,則說明需要調(diào)節(jié)探頭上的匹配電容。用小螺絲刀調(diào)節(jié)之,直到上下兩邊的波形都水平,沒有過沖為止。當然,可能由于示波器探頭質(zhì)量的問題,可能調(diào)不到完全無失真的效果,這時只能調(diào)到較佳效果了。

  另外就是示波器上還有一個選擇量程的小開關(guān):X10和X1。當選擇X1檔時,信號是沒經(jīng)衰減進入示波器的。而選擇X10檔時,信號是經(jīng)過衰減到1/10再到示波器的。因此,當使用示波器的X10檔時,應(yīng)該將示波器上的讀數(shù)擴大10倍(有些示波器,在示波器端可選擇X10檔,以配合探頭使用,這樣在示波器端也設(shè)置為X10檔后,直接讀數(shù)即可)。當我們要測量較高電壓時,就可以利用探頭的X10檔功能,將較高電壓衰減后進入示波器。另外,X10檔的輸入阻抗比X1檔要高得多,所以在測試驅(qū)動能力較弱的信號波形時,把探頭打到X10檔可更好的測量。但要注意,在不甚明確信號電壓高低時,也應(yīng)當先用X10檔測一下,確認電壓不是過高后再選用正確有量程檔測量,養(yǎng)成這樣的習(xí)慣是很有必要的,不然,哪天萬一因為這樣損壞了示波器,要后悔就來不及了。

  經(jīng)常有人提問,為什么用示波器看不到晶振引腳上的波形?一個可能的原因就是因為使用的是探頭的X1檔,這時相當于一個很重的負載(一個示波器探頭使用×1檔具有上百pF的電容)并聯(lián)在晶振電路中,導(dǎo)致電路停振了。正確的方法應(yīng)該是使用探頭的X10檔。這是使用中應(yīng)當注意的,即或不停振,也有可能因過度改變振蕩條件而看不到真實的波形了。

標簽: 示波器探頭
示波器探頭 示波器探頭的安裝和使用方法_示波器探頭
示波器探頭安全使用的原則

  不要隨便用單個探頭去測量電路中的非接地元件的兩端電壓,那樣極易造成地線短路。

  地線容易短路的原因是:

  1)示波器探頭的地線夾與示波器線的地在示波器內(nèi)部已經(jīng)連在一起了。

  2)大多數(shù)測量儀器(除了穩(wěn)壓電源)的電源線地,信號線地在儀器內(nèi)部都是連在一起的。

  3)不同儀器的地也通過電源插排連在一起了。

  示波器探頭安全使用的幾條原則:

  1)兩個示波器通道的探頭地,從安全考慮,可以只接一個(反正在示波器內(nèi)部它們是相連的),并且接在地電平上。

  2)如果確需使用兩個地線夾(例如測量高頻信號),則一定要保證兩個地線夾連的都是地電平。

  3)如果要用示波器探頭測量浮地信號,可以是用兩探頭信號相減的辦法。示波器探頭不接地可能導(dǎo)致電路錯誤甚至是短路。

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示波器 示波器探頭安全使用的原則_示波器

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