数字示波器基础与使用技巧

14 16 43 122 176 232 231 229 228 Scope Memory
采样速率和时间窗口的关系
•由于有限的存储深度，采样率在测量“长”信号时会下降，从而影响示 波器的系统带宽。 时间长度 = 存储深度 x 采样周期 或 时间长度 = 存储深度 ÷ 采样速率
•2G
•1G
采样率 (Sa/s)
1939年出现了第一台模拟示波器，带宽5MHz 1980年HP发明了第一台数字示波器 1985年HP首先推出了带宽达到1GHz的数字示波器 1990年代初HP推出了第一台混合信号示波器(MSO) 2004年安捷伦首先推出了业界第一台带宽超过10GHz（达到13GHz实时带 宽）的超带宽实时示波器 2010年安捷伦推出业界第一台硬件带宽达到32G的实时示波器90000X 2012年安捷伦推出业内第一台硬件带宽达63GHz的实时示波器
* 来源："High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic",
Howard Johnson and Martin Graham, Prentice Hall, 1993 (ISBN:0133957241)
示波器的频响方式
-3dB @ 1 GHz
f
带宽对信号测试的影响实例
•不同带宽的示波器观察到的50MHz的方波信号
60MHz带宽的 示波器
100MHz带宽的 示波器 350MHz带宽的 示波器 500MHz带宽的示波器
示波器带宽对信号测试的影响
被测信号
频谱
频率
足够的带宽
精确的复现波形
tr
•
使上升时间变缓使 幅度衰减，因为衰 减器和放大器，并 考虑到探头及附件
•100M •10M •1M •100K
计算需要的存储深度
• 对于重复周期 2ms，上升时间为2ns （10%~90%）的脉冲信号，希望观 测至少一个整周期的脉冲，问至少需要多大的存储深度？
2ms
2ns
1. BWsignal = 0.5 / 2ns = 250MHz 2. BWscope = 1.9 x 250MHz ≈ 500MHz 3. SR = 4 x 500M ≈ 2GSa/s 4. 存储深度 = 2ms x 2GSa/s = 4Mpts
深存储的目的
•在捕获更长时间记录时仍保持高的采样率。更高采样率意味着 – 更精确的重建信号波形 – 样点间更好的分辨率 – 有更大几率捕获毛刺或异常事件 •捕获更长时间记录
•可以放大波形观察波形细节
•深存储在下面两个应用中特别重要 – 模数混合信号应用 – 串行通信应用
深存储带来的负面影响
• • • • 波形更新率较慢 面板响应时间较慢 波形捕获的死区时间增加 “死区时间”内的信息被错过
采样率不是越高越好
•当采样率SR > 4 * BWscope时并没有显著效果 • 高于4倍带宽的采样率，并不能提高测试快信号与毛刺的能力
• 过高的采样率，反而会浪费宝贵的存储资源
前端硬件
A/D SR = 4*BW A/D SR > 4*BW
在ADC采样前，毛刺 已经被滤除
三、数字示波器的存储
• 每一个采样点必须存储到存储器，以便后续的处理和显示 • 更深的存储深度可以存储更多的采样点 • 捕捉更长时间数据意味如果需要保持采样率就需要保存更多的采样点 • 示波器的存储深度是指每个通道可以存储的数字化的点数
数字示波器的基本结构
Digital Scopes
Bandwidth Sample rate Memory depth
Display Mode
数字示波器能为我们解决哪些问题？
• • • • 电路诊断与调试 电信号的参数测量 -- 电压、频率、相对相位、上升/下降时间、抖动、过冲等等 高速数据采集 -- 用于数学后分析或自动测试系统中的高速数据采集 信号完整性分析 --眼图、抖动、过冲 标准总线的兼容性/一致性测试 -- 用于对PCI Express、USB、10M/100M/1000M以太网、SATA、HDMI等标准通 讯总线的一致性/兼容性测试 超宽带调制信号(UWB)的解调分析 -- 对诸如无线USB、超宽带雷达信号等UWB信号的调制质量进行分析
1us 毛刺
1 us
慢时基:观察长时间的波形
10ms
10 = ms time base 1ms/Div
慢时基下可能会遗漏信息
Digitized Waveform Sample Rate
•
慢时基设置使采样率降低
•
低采样率意味着可能遗漏信息
峰值检测技术
• 峰值检测(Peak Detect)能够捕获采样点之间的毛刺
频谱
频率
tr
观察到失真的波形
带宽不够
足够的带宽才能覆盖体现信号绝大部分能量的谐波 ！
数字信号的带宽
数字信号的能量绝大部分集中在转折频率(Fknee*) 以下， 这个转 折频率也称为数字信号的带宽BWsignal BWsignal=0.5/Tr Tr为10%到90%的上升沿时间 BWsignal=0.4/Tr Tr为20%到80%的上升沿时间
MegaZoom技术原理
第一代深存储示波器结构图
深采集 A/D 存储器
瓶
颈
示波器 CPU
示波器 显示
采集的数据全部送到CPU，造成 瓶颈。
MegaZoom 深存储示波器结构图
A/D MegaZoom 专利芯片 协同处理 示波器 CPU 示波器 显示
存储深度对测试的影响
• 不同示波器观测同样的信号，波形长度 2ms • 存储深度4M，标称采样率4GSa/s，实际采样率2GSa/s
展开
• 存储深度8K，标称采样率4GSa/s，实际采样率4MSa/s 展开
同样存储深度下，快时基还是慢时基？
快时基:观察毛刺
time base 10 us = 1us/Div
平坦响应示波器
高斯响应示波器
与平坦响应相比较，高 斯响应在通带内具有更 多的误差
不同频响类型的1 GHz 带宽 , 4 G采样率的示波器的比较
评估所需的示波器带宽
•确定信号的最快上升沿时间Tr •计算信号的带宽BWsignal
– BWsignal = 0.5 / Tr – BWsignal = 0.4 / Tr (10% to 90% 阈值) (20% to 80% 阈值)
•
•
数字示波器的主要性能指标

带宽
采样技术 存储深度 显示技术 触发




一、示波器的带宽
input
Front End
Flash A/D Sampling
Digital storage
• 示波器带宽：-3dB带宽
Gain(dB)
0dB -3dB
Gain(dB) 20 log
带 宽
Vout Vin
Digitized Waveform
Max Sample Clock
保持高的采样率，采样率与时钟设置无关 检测最大值和最小值 每个时间间隔内保存2个点

分段存储 Segment Memory
将波形分多次采集依次存放在存储器里，可以长时间记录只感兴趣的部分， 然后可以回放和分析，依此节省宝贵的存储资源。 举例： -- 脉冲信号 -- 块传输（Burst）数据信号 -- „„
256到8 输入 信号
输出数据
译码器
地
数字示波器通常使用高速Flash AD转换器 特点： • 很高的实时采样速率（几到几十GSa/s) • 通常为8bit的采样分辨率
采样速率的选择
-3dB @ 1 GHz
平坦响应示波器
高斯响应示波器
与理想砖墙响应相比 较，高斯响应在通带 内具有更多的误差
不同频响类型的1 GHz 带宽 , 4 G采样率的示波器的比较 高斯响应允许超过奈奎斯特频 率以上的成分也被采样，会造 成混叠误差(Wobble)
数字示波器基础 与使用技巧
AMC 闫博学
2014.4
Agenda • 示波器基础 – 示波器概述 – 数字示波器的主要性能 – 探头基础
示波器概述
示波器是精确复现信号随时间变化波形的仪器 广泛应用于通用电子电路测试与调试，计算机及通信高速信号测试，航 空航天、雷达测量等领域
• • • • • • •
深存储示波器如何解决死区时间问题
在采样系统中内建自定义ASIC硬件：安捷伦的MegaZoom技术 – 一半用于存储当前的数字化波形 – 另外一半一半用于显示前一个采集波形 MegaZoom 是一个存储管理工具 –乒乓采样存储 –没有特殊模式— 始终打开始终快速
这种技术使得在采样之间具有最小的死区时间并且没有处理瓶颈，加 快了波形更新速率及面板响应速度
二、数字示波器的采样
• 利用采样电路将被测电信号等间隔的转化为数字信息，以便存储和利 用计算机基础进行处理。 • A/D是“模拟世界” 到“数字世界”的核心
• 为了能够精确的重建波形，采样速率必须要大于信号最高频率的2倍， 即满足柰奎斯特采样定律
数字示波器的AD转换器
参考
精密电阻链
256级比较
电压
10%
1.2× BWsignal 3% 1.4× BWsignal
1.3× BWsignal
1.9× BWsignal
•根据示波器响应类型，计算出示波器的采样速率SRscope
高斯响应示波器SRscope 4.0× BW 平坦响应示波器SRscope 2.5× BW
数字示波器的采样模式
1. 实时采样(Real Time) 2. 等效时间采样(Equivalent Time) 3. 顺序采样(Sequential Sampling)
模拟示波器
纯“模拟”技术实现。
•模拟示波器的优点：
•快速的波形捕获速度 •灰度显示 •价格便宜
•模拟示波器的缺点：
• 不能存储波形 • 很难捕获瞬态现象 • 带宽窄，只能到几百MHz • 通道数一般最多只有2个通道 • 参数测量很麻烦 • 不能作复杂的应用
模拟示波器的基本结构
Analog Scopes
1.实时采样技术
• • • • • 用于重复或单次信号的采样 所有样点的采集通过一次触发完成 前一次触发的采样点被覆盖 采样率可能限制示波器的总体带宽 最佳的分辨率直接取决于采样率
Each Trigger Identicቤተ መጻሕፍቲ ባይዱl
实时采样技术
• 在使用示波器观察波形时，实际采样率可能会远远低于示波器标称的 最大采样速率 • 实际采样率会受到时基设置与存储深度的影响（后面详细讨论） • 采样率下降会造成示波器系统带宽的下降 • 系统带宽 = min（前端模拟带宽, 采样率决定的数字带宽）
@10GHz bandwidth σ = 365uV/p-p = 3.6mV
@13GHz bandwidth σ = 406uV/p-p = 4.3mV
示波器测试系统的带宽
探头连接 部分带宽
探头带宽
示波器带宽 和频响
采样率
示波器测试系统带宽可以看作是多个环节决定的链路响应，整 个链路中的最薄弱的环节限制了的整个测量系统的带宽性能。
数字示波器
• 始于80年代初期。采用现代的A/D技术和计算机技术实现 的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的主 流。
•数字示波器的优点：
• 带宽可以达数10GHz
• 可以捕获瞬态波形 • 可以存储波形 • 易于使用 • 功能更多、应用范围更广泛
•数字示波器的缺点：
• 波形捕获速度慢 • 量化噪声 • 价格相对较贵
示波器带宽与采样速率
•确定信号的最快上升沿时间Tr •计算信号的带宽BWsignal
BWsignal = 0.5 / Tr 或 BWsignal = 0.4 / Tr (10% to 90% 阈值) (20% to 80% 阈值)
•根据上升时间测量精度要求，计算出示波器的带宽 BWscope
误差要求 20% 1.0× BWsignal 高斯响应示波器BWscope 平坦响应示波器BWscope 1.0× BWsignal
•根据上升时间测量精度要求，计算出示波器的带宽 BWscope
误差要求 BWscope 20% 1.0× Bwsignal 10% 1.2× Bwsignal 3% 1.4× Bwsignal 高斯响应示波器BWscope 1.0× Bwsignal 1.3× Bwsignal 1.9× Bwsignal 平坦响应示波器
示波器的频响方式与上升时间测量精度
对于信号上升时间的精确测量（误差小于15%），平坦响 应示波器优于同等带宽的高斯响应示波器
示波器带宽不是越大越好
示波器的底噪与带宽相关，带宽越大，噪声电平越高！
90000A示波器的降噪选件
@6GHz bandwidth σ = 278uV/p-p = 2.8mV