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迅速确认问题根本 示波器充分发挥数位血统
让测试更精确更稳定

【作者: 王岫晨】2019年09月04日 星期三

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电子装置可以分成两类:类比装置和数位装置。类比装置适用於连续变化的电压,数位装置则适用於表示电压样点的离散二进位数字。例如传统留声机是一种类比装置,而唱片播放机则是一种数位装置。


示波器可以按类似方式分类,分成类比示波器和数位示波器。与类比示波器相比较,数位示波器采用类比转数位转换器(ADC),将测得的电压转换成数位资讯。它作为一串样点撷取波形,然後储存这些样点,直到累积足够的样点,描述波形。然後,数位示波器会重组波形,显示在萤幕上。数位示波器可以分成数位储存示波器(DSO)、数位萤光示波器(DPO)、混合讯号示波器(MSO)和数位取样示波器等。



图一 : 类比示波器追踪讯号,数位示波器对讯号取样,建置显示画面。
图一 : 类比示波器追踪讯号,数位示波器对讯号取样,建置显示画面。

数位方法意味着示波器可以相对稳定性、亮度和清晰度来显示范围内的任何频率。对重复的讯号,数位示波器的频宽与示波器前端装置的类比频宽有关,通常称为-3dB点。对单次和暂态事件(如脉冲和阶梯波),频宽会受到示波器的取样率限制。


数位储存示波器

传统数位示波器称为数位储存示波器(DSO)。其显示一般依赖光栅类萤幕,而不是旧式类比示波器中的发光萤光。DSO可以撷取和观察可能只发生一次的事件,称为暂态讯号。由於波形资讯以数位形式存在,作为一串储存的二进位值,因此可以在示波器内部或使用外部电脑分析、归档、列印及以其他方式处理这些波形资讯。波形不需要是连续的,在讯号消失时,甚至可以显示这些波形。与类比示波器不同,数位储存示波器提供永久的讯号储存功能及全面的波形处理功能。然而,DSO一般没有即时亮度阶层,因此,它们不能表示即时讯号中变化的亮度


构成DSO的部分子系统与类比示波器中类似。但是,DSO包含额外的资料处理子系统,用来收集和显示整个波形的资料。DSO采用串列处理架构,在萤幕上撷取和显示讯号。与类比示波器类似,DSO的第一个(输入)阶段是垂直放大器。垂直控制功能允许在这个阶段调整振幅和位置范围。然後,水平系统中的类比转数位转换器(ADC)在离散的时点上对讯号取样,将这些时点上的电压转换成数位值,称为样点。这个过程称为讯号数位化。


水平系统的取样时脉决定着ACD取样的频次。这一速率称为取样率,用每秒样点数(S/s)表示。来自ADC的样点作为波形点储存在撷取记忆体中。多个样点可能会构成一个波形点。多个波形点结合在一起,构成一条波形记录。建立波形记录使用的波形点数量称为记录长度。触发系统决定着记录的开始点和结束点。


DSO的讯号路径包括一个微处理器,实测讯号经过这个微处理器传送到显示器上。这个微处理器处理讯号,协调显示活动,管理前面板控制功能等等。然後讯号传送透过显示记忆体,显示在示波器萤幕上。


数位萤光示波器

数位萤光示波器(DPO)提供一种新的示波器架构方法。透过这种架构,DPO可以提供独特的撷取和显示功能,准确地重建讯号。DSO采用串列处理架构撷取、显示和分析讯号,DPO则采用并列处理架构执行这些功能。DPO架构要求使用独特的ASIC硬体撷取波形影像,提供高波形撷取速率,达成更高的讯号检视水准。这种效能提高了看到数位系统中发生暂态事件的机率,如矮波、突波和转态错误,实现了进一步的分析功能。


DPO的第一个(输入)阶段与类比示波器类似,也是垂直放大器,第二个阶段与DSO类似,是一个ADC。但是,在类比转数位之後,DPO与前几代产品有着明显的差别。


对任何示波器来说,不管是类比示波器、DSO还是DPO,总有一个触发延迟时间,在这段时间内,仪器处理新撷取资料,重定系统,等待下一个触发事件。在这段时间内,示波器看不见所有讯号活动。看到偶发事件或低重复率事件的机率会随着触发延迟的时间提高而下降。


值得一提的是,只看显示更新速率,是不可能确定撷取机率的。如果只依赖更新速率,那麽很容易误认为示波器正在撷取与波形有关的所有资讯,但事实上却没有。


数位储存示波器是以串列方式处理撷取的波形。在这个过程中,微处理器的速度是瓶颈,因为它限制着波形的撷取速率。DPO将数位化的波形资料光栅化到数位萤光资料库中。每1/30秒(大约和人眼能够感受到的速度一样),储存在资料库中的讯号影像萤幕撷取画面,会透过管线直接传送到显示系统。这种波形资料直接光栅化及从资料库直接拷贝到显示记忆体,消除了其他架构中固有的资料处理瓶颈。其结果,增强「即时」显示更新功能。它即时撷取讯号细节、间歇性事件及讯号的动态特性。DPO的微处理器与这个整合撷取系统并列工作,实现显示管理、量测自动化和仪器控制,从而不会影响示波器的撷取速度。


DPO忠实地模拟类比示波器的隹显示属性,用三个维度显示讯号:时间、振幅和振幅在时间上的分布,而且所有资讯都是即时显示的。


DPO与类比示波器的不同

与类比示波器依赖化学萤光不同,DPO采用纯电子数位萤光,其实际上是一个连续更新的资料库。对示波器显示画面中的每一个图元,这个资料库有一个单独的资讯「单元」。每次在撷取波形时,或者说每次在示波器触发时,它都映射到数位萤光资料库的单元中。表示萤幕位置、波形接触的每个单元都会使用亮度资讯加强,而其他单元则不会。这样,亮度资讯会在波形经常传送的单元中累积。



图二 : 数位萤光示波器(DPO)的并列处理架构。
图二 : 数位萤光示波器(DPO)的并列处理架构。

在数位萤光资料库输送到示波器的显示器时,显示器会揭示加强的波形区域,且与每个点上的讯号发生频率成比例,这和类比示波器的亮度阶层特性很类似。DPO还允许作为对比颜色在显示器上显示发生频率变化的资讯,这一点不同於类比示波器。在DPO中,可以很容易看到几??每次触发都发生的波形与每100次触发才发生一次的波形之间之差别。


数位萤光示波器(DPOs)清除了类比示波器技术与数位示波器技术之间的障碍。它们都同样适合即时观察高频和低频、重复波形、暂态讯号及讯号变化。只有DPO即时提供了Z (亮度)轴,而传统DSO中则没有这个轴。


混合域示波器

混合域示波器(MDO)将RF频谱分析仪与MSO或DPO结合在一起,实现从数位域、类比域到RF域的讯号相关视图。例如,MDO可以查看嵌入式设计内部协定、状态逻辑、类比讯号和RF讯号的时间相关显示,大大缩短获得资讯所需的时间,降低跨域事件之间的量测不确定度。


了解嵌入式RF设计内部微处理器命令与RF事件之间的时间延迟简化了测试设定,可以在工作台上完成复杂的量测。例如现在可以在一个画面中,以时间相关的方式观察无线电的所有域,包括协定(数位)、类比和RF等。


混合讯号示波器

混合讯号示波器(MSO)将DPO的效能与16通道逻辑分析仪的基本功能结合起来,包括并列/串列汇流排协定解码和触发。MSO的数位通道将数位讯号视作逻辑值高或逻辑值低,就像数位电路观察讯号一样。也就是说,只要振铃、过激量和接地杂讯位准没有导致逻辑转态,那麽这些模拟特性对MSO就不成问题。与逻辑分析仪一样,MSO使用临界电压,确定讯号是逻辑值高还是逻辑值低。


在使用强大的数位触发、高解析度撷取功能、和分析工具迅速除错数位电路等方面,MSO是首选的工具。透过分析讯号的类比和数位表示,可以更迅速地确定许多数位问题的根本原因,使得MSO特别适合核对总和除错数位电路。


数位取样示波器

与数位储存示波器和数位萤光示波器架构相比较,在数位取样示波器的架构中,衰减器或放大器与取样桥接器的位置颠倒。它先对输入讯号取样,然後执行衰减或放大。然後在取样桥接器後面,可以使用低频宽放大器,因为讯号已经被取样闸转换成较低的频率,进而大大提高仪器频宽。


然而,这种高频宽的代价是取样示波器的动态范围有限。由於取样闸前面没有衰减器或放大器,因此没有工具对输入定标。取样桥接器必须能够在任何时间处理输入的整个动态范围。因此,大多数取样示波器的动态范围限定在大约1Vp-p。而数位储存示波器和数位萤光示波器则可以处理50~100V。


此外,保护二极体不能放在取样桥接器的前面,因为这样会限制频宽。将取样示波器的安全输入电压限定在大约3V,相较之下,其他示波器上的安全输入电压为500V。


在量测高频讯号时,DSO或DPO可能不能在一次扫描中撷取足够的样点。在准确地撷取频率成分远远高於示波器取样率的讯号时,数位取样示波器提供了理想的工具。这种示波器量测讯号的速度要比任何其他示波器快一个量级。对重复讯号,它实现的频宽和高速时序要比其他示波器高10倍。市场上已提供了频宽高达80GHz的串列等时取样示波器。


(本文叁考资料:太克科技 深入了解示波器白皮书)


@产品特色


是德科技Infiniium UXR系列示波器


图三 : 是德科技Infiniium UXR系列示波器
图三 : 是德科技Infiniium UXR系列示波器图片来源:keysight.com

是德科技:「是德科技的突破性技术,可克服最困难的量测和设计挑战。」


是德科技推出Infiniium UXR系列示波器,具有高达110GHz的即时频宽。多达4个全频宽通道,而通道间的固有抖动小於35fs(rms),有足够的性能空间容纳讯号的幅度相位和频率的变化,加上每通道256 GSa/s的取样率,使其产品能让讯号的完整性达到最隹化,在业界中独树一帜。由於采用了第二代磷化??制程的晶片组,Infiniium UXR系列示波器可以帮助实现极宽的宽频及杂讯底线;10 位数的解析度和领先群伦的信号完整性,让研发人员能在针对调变标准进行特性分析时,实现卓越的有效位元数(ENOB)


Keysight Infiniium UXR系列除了具备优异的效能,并有多种频宽可供选择,使其成为开发任何一代DDR、USB、PCIe、MIPI或其他串列技术,以及 PAM4、5G、雷达、卫星通讯和光学设计的理想解决方案。


太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器


图四 : 太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器
图四 : 太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器图片来源:tektronix.com

太克科技:「为所有工程师提供更多使用者体验和贴心的选择。」


太克科技推出两款新产品,全新的3系列MDO和4系列MSO,而这也是目前市场上功能最强大、最多功能,而且操作方式简单易用的示波器。


全新登场的3系列MDO和4系列MSO延续了5和6系列MSO中大获好评的使用者体验,具有直觉易用的触控式萤幕使用者介面、同级产品中尺寸最大和解析度最高的显示器,以及现代化的工业设计。现在,Tektronix为各种严苛的应用提供了更多选项,推出拥有强大量测和分析功能的最先进产品组合,让工程师拥有全方位的效能选择。


全新的4系列MSO配备13.3寸的显示器,并具备1920 x 1080 HD解析度,而这也是同级产品中最大的尺寸和最高的解析度。3系列MDO旨在成为每位工程师的桌面上均可配备的精巧、多功能的测试仪器。不仅采用时尚的工业设计,还具备了同级产品中最大的11.6寸显示器与全高画质解析度。


罗德史瓦兹RTM3000系列示波器


图五 : 罗德史瓦兹RTP示波器
图五 : 罗德史瓦兹RTP示波器图片来源:rohde-schwarz.com

台湾罗德史瓦兹:「10位元垂直解析度可满足电源量测严苛需求!」


罗德史瓦兹(R&S)推出全新RTM3000系列及RTA4000系列示波器,再次壮大R&S示波器产品线阵容,其10位元垂直解析度可满足电源量测应用中严苛的测试需求。R&S RTA4000系列示波器更提供高达1 Gsample 的撷取储存深度,是分析串列协定的理想选择。


全新R&S RTM3000系列示波器提供100 MHz、200 MHz、350 MHz、500 MHz 和 1 GHz的频宽选择,并整合拥有专利的5 Gsample/s取样率、10位元类比数位转换器,每通道标准配置40 Msample的取样率,通过选配的分段储存功能可扩展储存深度至 400 Msample。R&S RTA4000系列示波器在频宽方面同样有200 MHz、350 MHz、500 MHz和1 GHz可供选择,除了一样内建10位元类比转换器,并提供更深的储存深度,每通道的标准配置高达 100 Msample以及分段储存模式下 1 Gsample 的储存深度。此外,RTM3000及RTA4000系列另一项共同的特色是两者皆采用10.1寸电容式触控萤幕,方便使用者快速操作。


国家仪器PXI示波器


图六 : 国家仪器PXI示波器
图六 : 国家仪器PXI示波器图片来源:ni.com

国家仪器:「PXI示波具备高度弹性。」


PXI示波器是一款软体定义仪器,不仅具备高度弹性,更提供丰富用途,可因应时域与频域量测,并兼顾PXI平台的种种优势。其最多可提供8个通道,最高取样速度可达12.5 GS/s,并享有5 GHz的类比频宽。只要使用PXI平台,即可透过以微微秒为单位的准确度来同步化多个示波器与其他仪器,以进行高通道数与混合讯号的应用。这些仪器也搭载多种触发模式、内建深层记忆体,以及包含资料串流与分析函式的驱动程式软体API。


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