數(shù)字示波器基礎與使用技巧

1、數(shù)字示波器基礎數(shù)字示波器基礎與使用技巧與使用技巧2014.4AMC 閆博學閆博學Agenda 示波器基礎 示波器概述 數(shù)字示波器的主要性能 探頭基礎示波器概述示波器概述1939年出現(xiàn)了第一臺模擬示波器，帶寬5MHz1980年HP發(fā)明了第一臺數(shù)字示波器1985年HP首先推出了帶寬達到1GHz的數(shù)字示波器1990年代初HP推出了第一臺混合信號示波器(MSO)2004年安捷倫首先推出了業(yè)界第一臺帶寬超過10GHz（達到13GHz實時帶寬）的超帶寬實時示波器2010年安捷倫推出業(yè)界第一臺硬件帶寬達到32G的實時示波器90000X2012年安捷倫推出業(yè)內(nèi)第一臺硬件帶寬達63GHz的實時示波器l示波器是精

2、確復現(xiàn)信號隨時間變化波形的儀器示波器是精確復現(xiàn)信號隨時間變化波形的儀器l廣泛應用于通用電子電路測試與調(diào)試，計算機及通信高速信號測試，航廣泛應用于通用電子電路測試與調(diào)試，計算機及通信高速信號測試，航空航天、雷達測量等領域空航天、雷達測量等領域模擬示波器模擬示波器快速的波形捕獲速度快速的波形捕獲速度灰度顯示灰度顯示價格便宜價格便宜 不能存儲波形不能存儲波形 很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象 帶寬窄，只能到幾百帶寬窄，只能到幾百MHz 通道數(shù)一般最多只有通道數(shù)一般最多只有2個通道個通道 參數(shù)測量很麻煩參數(shù)測量很麻煩 不能作復雜的應用不能作復雜的應用模擬示波器的優(yōu)點：模擬示波器的優(yōu)點：模擬示波器的缺點

3、：模擬示波器的缺點：l純純“模擬模擬”技術實現(xiàn)。技術實現(xiàn)。Analog Scopes模擬示波器的基本結(jié)構模擬示波器的基本結(jié)構數(shù)字示波器數(shù)字示波器 始于80年代初期。采用現(xiàn)代的A/D技術和計算機技術實現(xiàn)的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當今示波器的主流。 帶寬可以達數(shù)帶寬可以達數(shù)10GHz 可以捕獲瞬態(tài)波形可以捕獲瞬態(tài)波形 可以存儲波形可以存儲波形 易于使用易于使用 功能更多、應用范圍更廣泛功能更多、應用范圍更廣泛 波形捕獲速度慢波形捕獲速度慢 量化噪聲量化噪聲 價格相對較貴價格相對較貴數(shù)字示波器的優(yōu)點：數(shù)字示波器的優(yōu)點：數(shù)字示波器的缺點：數(shù)字示波器的缺點：Digital ScopesBand

4、widthSample rateMemory depthDisplay Mode數(shù)字示波器的基本結(jié)構數(shù)字示波器的基本結(jié)構數(shù)字示波器能為我們解決哪些問題？數(shù)字示波器能為我們解決哪些問題？電路診斷與調(diào)試電信號的參數(shù)測量 - 電壓、頻率、相對相位、上升/下降時間、抖動、過沖等等高速數(shù)據(jù)采集 - 用于數(shù)學后分析或自動測試系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)采集信號完整性分析 -眼圖、抖動、過沖標準總線的兼容性/一致性測試 - 用于對PCI Express、USB、10M/100M/1000M以太網(wǎng)、SATA、HDMI等標準通訊總線的一致性/兼容性測試超寬帶調(diào)制信號(UWB)的解調(diào)分析 - 對諸如無線USB、超寬帶雷達信號

5、等UWB信號的調(diào)制質(zhì)量進行分析l 帶寬帶寬l 采樣采樣技術技術l 存儲存儲深度深度l 顯示顯示技術技術l 觸發(fā)觸發(fā)數(shù)字示波器的主要性能指標數(shù)字示波器的主要性能指標Front EndFlash A/D Sampling inputDigital storage 示波器帶寬：示波器帶寬：-3dB帶寬帶寬 帶帶 寬寬-3dBfGain(dB) 0dBinoutVVdBGainlog20)(一、示波器的帶寬一、示波器的帶寬不同帶寬的示波器觀察到的不同帶寬的示波器觀察到的50MHz的方波信號的方波信號60MHz帶寬的帶寬的示波器示波器100MHz帶寬的帶寬的示波器示波器350MHz帶寬的帶寬的示波器示波

6、器500MHz帶寬的示波器帶寬的示波器帶寬對信號測試的影響實例帶寬對信號測試的影響實例足夠的帶寬才能覆蓋體現(xiàn)信號絕大部分能量的諧波足夠的帶寬才能覆蓋體現(xiàn)信號絕大部分能量的諧波 ！被測信號被測信號頻譜頻譜頻率頻率足夠的帶寬足夠的帶寬頻譜頻譜頻率頻率帶寬不夠帶寬不夠精確的復現(xiàn)波形精確的復現(xiàn)波形觀察到失真的波形觀察到失真的波形trtr示波器帶寬對信號測試的影響示波器帶寬對信號測試的影響使上升時間變緩使使上升時間變緩使幅度衰減，因為衰幅度衰減，因為衰減器和放大器，并減器和放大器，并考慮到探頭及附件考慮到探頭及附件數(shù)字信號的帶寬數(shù)字信號的帶寬* 來源：High-Speed Digital Design:

7、 A Handbook of Black Magic, Howard Johnson and Martin Graham, Prentice Hall, 1993 (ISBN:0133957241) 數(shù)字信號的能量絕大部分集中在轉(zhuǎn)折頻率數(shù)字信號的能量絕大部分集中在轉(zhuǎn)折頻率(Fknee*) 以下，以下， 這個轉(zhuǎn)這個轉(zhuǎn)折頻率也稱為數(shù)字信號的帶寬折頻率也稱為數(shù)字信號的帶寬BWsignal BWsignal=0.5/Tr Tr為為10%到到90%的上升沿時間的上升沿時間 BWsignal=0.4/Tr Tr為為20%到到80%的上升沿時間的上升沿時間示波器的頻響方式示波器的頻響方式 不同頻響類型的不同

8、頻響類型的1 GHz 帶寬帶寬, 4 G采樣率的示波器的比較采樣率的示波器的比較與平坦響應相比較，高與平坦響應相比較，高斯響應在通帶內(nèi)具有更斯響應在通帶內(nèi)具有更多的誤差多的誤差-3dB 1 GHz平坦響應示波器平坦響應示波器高斯響應示波器高斯響應示波器評估所需的示波器帶寬評估所需的示波器帶寬確定信號的最快上升沿時間Tr計算信號的帶寬BWsignal BWsignal = 0.5 / Tr (10% to 90% 閾值) BWsignal = 0.4 / Tr (20% to 80% 閾值)根據(jù)上升時間測量精度要求，計算出示波器的帶寬 BWscope 誤差要求 高斯響應示波器BWscope 平坦

9、響應示波器BWscope 20% 1.0 Bwsignal 1.0 Bwsignal 10% 1.3 Bwsignal 1.2 Bwsignal 3% 1.9 Bwsignal 1.4 Bwsignal 示波器的頻響方式與上升時間測量精度示波器的頻響方式與上升時間測量精度對于信號上升時間的精確測量（誤差小于對于信號上升時間的精確測量（誤差小于15%），平坦響），平坦響應示波器優(yōu)于同等帶寬的高斯響應示波器應示波器優(yōu)于同等帶寬的高斯響應示波器13GHz bandwidth = 406uV/p-p = 4.3mV10GHz bandwidth= 365uV/p-p = 3.6mV6GHz bandw

10、idth= 278uV/p-p = 2.8mV示波器的底噪與帶寬相關，帶寬越大，噪聲電平越高！示波器的底噪與帶寬相關，帶寬越大，噪聲電平越高！示波器帶寬不是越大越好示波器帶寬不是越大越好探頭帶寬探頭帶寬 示波器帶寬示波器帶寬 和頻響和頻響采樣率采樣率探頭連接探頭連接 部分帶寬部分帶寬 示波器測試系統(tǒng)帶寬可以看作是多個環(huán)節(jié)決定的鏈路響應，整示波器測試系統(tǒng)帶寬可以看作是多個環(huán)節(jié)決定的鏈路響應，整個鏈路中的最薄弱的環(huán)節(jié)限制了的整個測量系統(tǒng)的帶寬性能。個鏈路中的最薄弱的環(huán)節(jié)限制了的整個測量系統(tǒng)的帶寬性能。示波器測試系統(tǒng)的帶寬示波器測試系統(tǒng)的帶寬 利用采樣電路將被測電信號等間隔的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，以便存儲

11、和利利用采樣電路將被測電信號等間隔的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，以便存儲和利用計算機基礎進行處理。用計算機基礎進行處理。 A/D是是“模擬世界模擬世界” 到到“數(shù)字世界數(shù)字世界”的核心的核心 為了能夠精確的重建波形，采樣速率必須要大于信號最高頻率的為了能夠精確的重建波形，采樣速率必須要大于信號最高頻率的2倍，倍，即滿足柰奎斯特采樣定律即滿足柰奎斯特采樣定律二、數(shù)字示波器的采樣二、數(shù)字示波器的采樣精密電阻鏈精密電阻鏈256級比較級比較參考參考電壓電壓輸入輸入信號信號地地256到到8譯碼器譯碼器輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)字示波器通常使用高速數(shù)字示波器通常使用高速Flash AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字示波器的數(shù)字示波器的AD

12、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器特點：很高的實時采樣速率（幾到幾十GSa/s)通常為8bit的采樣分辨率 不同頻響類型的不同頻響類型的1 GHz 帶寬帶寬, 4 G采樣率的示波器的比較采樣率的示波器的比較與理想磚墻響應相比與理想磚墻響應相比較，高斯響應在通帶較，高斯響應在通帶內(nèi)具有更多的誤差內(nèi)具有更多的誤差高斯響應允許超過奈奎斯特頻高斯響應允許超過奈奎斯特頻率以上的成分也被采樣，會造率以上的成分也被采樣，會造成混疊誤差成混疊誤差(Wobble)-3dB 1 GHz平坦響應示波器平坦響應示波器高斯響應示波器高斯響應示波器采樣速率的選擇采樣速率的選擇示波器帶寬與采樣速率示波器帶寬與采樣速率確定信號的最快上升沿時間Tr

13、計算信號的帶寬BWsignal BWsignal = 0.5 / Tr (10% to 90% 閾值)或BWsignal = 0.4 / Tr (20% to 80% 閾值)根據(jù)上升時間測量精度要求，計算出示波器的帶寬 BWscope 誤差要求 高斯響應示波器BWscope 平坦響應示波器BWscope 20% 1.0 BWsignal 1.0 BWsignal 10% 1.3 BWsignal 1.2 BWsignal 3% 1.9 BWsignal 1.4 BWsignal 根據(jù)示波器響應類型，計算出示波器的采樣速率SRscope高斯響應示波器SRscope平坦響應示波器SRscope4.

14、0 BWsignal 2.5 BWsignal 1.實時采樣(Real Time) 2.等效時間采樣(Equivalent Time) 3.順序采樣(Sequential Sampling)數(shù)字示波器的采樣模式數(shù)字示波器的采樣模式 用于重復或單次信號的采樣 所有樣點的采集通過一次觸發(fā)完成 前一次觸發(fā)的采樣點被覆蓋 采樣率可能限制示波器的總體帶寬 最佳的分辨率直接取決于采樣率EachTriggerIdentical1.實時采樣技術實時采樣技術實時采樣技術實時采樣技術在使用示波器觀察波形時，實際采樣率可能會遠遠低于示波器標稱的最大采樣速率實際采樣率會受到時基設置與存儲深度的影響（后面詳細討論）采樣

15、率下降會造成示波器系統(tǒng)帶寬的下降系統(tǒng)帶寬 = min（前端模擬帶寬, 采樣率決定的數(shù)字帶寬）當采樣率當采樣率SR 4 * BWscope時并沒有顯著效果時并沒有顯著效果 高于高于4倍帶寬的采樣率，并不能提高測試快信號與毛刺的能力倍帶寬的采樣率，并不能提高測試快信號與毛刺的能力 過高的采樣率，反而會浪費寶貴的存儲資源過高的采樣率，反而會浪費寶貴的存儲資源前端硬件前端硬件A/DSR 4*BWA/DSR = 4*BW在在ADC采樣前，毛刺采樣前，毛刺已經(jīng)被濾除已經(jīng)被濾除采樣率不是越高越好采樣率不是越高越好只用于重復信號的采樣之前觸發(fā)得到的采樣點仍然保持經(jīng)過多次觸發(fā)事件重構信號的波形采樣率不是最主要的

16、因素觸發(fā)硬件決定了最大的分辨率1st Trigger2nd Trigger3rd Trigger2. 等效時間（重復）采樣技術等效時間（重復）采樣技術Acq #1Acq #2Acq #3Acq #200等效時間采樣的波形重建過程等效時間采樣的波形重建過程3. 順序采樣技術順序采樣技術 只用于重復信號 每次觸發(fā)只捕獲一個采樣點 通過多次觸發(fā)事件重構信號波形 通常用于帶寬大于10GHz的采樣示波器中 沒有觸發(fā)點之前的信息1st Trigger2nd Trigger3rd Trigger三、數(shù)字示波器的存儲三、數(shù)字示波器的存儲每一個采樣點必須存儲到存儲器，以便后續(xù)的處理和顯示更深的存儲深度可以存儲更

17、多的采樣點捕捉更長時間數(shù)據(jù)意味如果需要保持采樣率就需要保存更多的采樣點示波器的存儲深度是指每個通道每個通道可以存儲的數(shù)字化的點數(shù)14 16 43 122 176 232 231 229 228Scope Memory10s2G100M1G10M1M100K采樣率采樣率 (Sa/s)1us100us1ms10us100ms1s10ms100kB8MB10kB采樣速率和時間窗口的關系采樣速率和時間窗口的關系時間長度時間長度 = 存儲深度存儲深度 x 采樣周期采樣周期 或或 時間長度時間長度 = 存儲深度存儲深度 采樣速率采樣速率由于有限的存儲深度，采樣率在測量由于有限的存儲深度，采樣率在測量“長長

18、”信號時會下降，從而影響示信號時會下降，從而影響示波器的系統(tǒng)帶寬。波器的系統(tǒng)帶寬。計算需要的存儲深度 對于重復周期 2ms，上升時間為2ns （10%90%）的脈沖信號，希望觀測至少一個整周期的脈沖，問至少需要多大的存儲深度？2ns2ms1. BWsignal = 0.5 / 2ns = 250MHz2. BWscope = 1.9 x 250MHz 500MHz 3. SR = 4 x 500M 2GSa/s 4. 存儲深度存儲深度 = 2ms x 2GSa/s = 4Mpts 存儲存儲深度深度4M，標稱采樣率，標稱采樣率4GSa/s，實際采樣率，實際采樣率2GSa/s 存儲深度對測試的影響

19、 存儲存儲深度深度8K，標稱采樣率，標稱采樣率4GSa/s，實際采樣率，實際采樣率4MSa/s 不同示波器觀測同樣的信號，波形長度不同示波器觀測同樣的信號，波形長度 2ms展開展開展開展開同樣存儲深度下，快時基還是慢時基？同樣存儲深度下，快時基還是慢時基？ time base = 1us/Div10 us1 us10 mstime base = 1ms/Div10ms1us 毛刺毛刺快時基快時基:觀察毛刺觀察毛刺慢時基慢時基:觀察長時間的波形觀察長時間的波形 Digitized Waveform Sample Rate慢時基設置使采樣率降低慢時基設置使采樣率降低低采樣率意味著可能遺漏信息低采樣

20、率意味著可能遺漏信息慢時基下可能會遺漏信息慢時基下可能會遺漏信息 峰值檢測峰值檢測(Peak Detect)能夠捕獲采樣點之間的毛刺能夠捕獲采樣點之間的毛刺 Digitized WaveformMax Sample Clockl 保持高的采樣率，采樣率與時鐘設置無關保持高的采樣率，采樣率與時鐘設置無關l 檢測最大值和最小值檢測最大值和最小值l 每個時間間隔內(nèi)保存每個時間間隔內(nèi)保存2個點個點峰值檢測技術峰值檢測技術分段存儲 Segment Memory將波形分多次采集依次存放在存儲器里，可以長時間記錄只感興趣的部分，然后可以回放和分析，依此節(jié)省寶貴的存儲資源。 舉例： - 脈沖信號 - 塊傳輸（

21、Burst）數(shù)據(jù)信號 - 深存儲的目的深存儲的目的在捕獲更長時間記錄時仍保持高的采樣率。更高采樣率意味著 更精確的重建信號波形 樣點間更好的分辨率 有更大幾率捕獲毛刺或異常事件捕獲更長時間記錄可以放大波形觀察波形細節(jié)深存儲在下面兩個應用中特別重要 模數(shù)混合信號應用 串行通信應用深存儲帶來的負面影響深存儲帶來的負面影響 波形更新率較慢 面板響應時間較慢 波形捕獲的死區(qū)時間增加 “死區(qū)時間”內(nèi)的信息被錯過深存儲示波器如何解決死區(qū)時間問題深存儲示波器如何解決死區(qū)時間問題在采樣系統(tǒng)中內(nèi)建自定義ASIC硬件：安捷倫的MegaZoom技術 一半用于存儲當前的數(shù)字化波形 另外一半一半用于顯示前一個采集波形M

22、egaZoom 是一個存儲管理工具乒乓采樣存儲沒有特殊模式 始終打開始終快速這種技術使得在采樣之間具有最小的死區(qū)時間并且沒有處理瓶頸，加這種技術使得在采樣之間具有最小的死區(qū)時間并且沒有處理瓶頸，加快了波形更新速率及面板響應速度快了波形更新速率及面板響應速度A/DMegaZoom 專利芯片專利芯片深采集深采集存儲器存儲器示波器示波器CPU深采集深采集存儲器存儲器示波器示波器 顯示顯示示波器示波器顯示顯示示波器示波器CPUMegaZoom 深存儲示波器結(jié)構圖深存儲示波器結(jié)構圖第一代深存儲示波器結(jié)構圖第一代深存儲示波器結(jié)構圖A/D采集的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)全部全部送到送到CPU，造成造成 瓶頸瓶頸。瓶瓶 頸頸協(xié)同處理協(xié)同處理MegaZoom 自動優(yōu)化采樣速率，自動優(yōu)化采樣速率，只傳送需要的波只傳送需要的波形數(shù)據(jù)形數(shù)據(jù): 刷