泰克示波器功能及应用

研究 设计 制造 服务/维修 教育
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为什么我们需要示波器?
验证:
测量控制已知操作
– 校准 – 功能验证
分析
故障寻找:
发现未知的故障
– 研究问题或缺陷 – 测试限度(范围) – 通过研究发现新的现象
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衡量示波器的指标
带宽 上升时间 采样率 存储深度 波形捕获率 丰富的分析功能
时间
低电平 门限 触发如果慢于 触发如果快于 如果慢于触发 如果快于触发
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欠幅触发
接受(或拒绝)由门限电平所定义的脉冲，脉冲极性可正可负
(+) 时间
(两者之一) (-)
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建立/保持触发
如果 ＋或－数据沿（瞬态）在预先定义的正极性时钟 沿 （或 负极性）建立保持时间窗口内时，触发
时钟源 (任何通道)
S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8 TN
S9
每次触发多个采样点提供较快 的更
新速率
仍然具有预/后触发能力
S(T1) S(TN)
20
数 字 示 波 器 和 混 叠
采 样 率< 1/2 信 号 带 宽 显示错误波形
21
视 觉 混 叠
The Eye Cannot Interpret or Connect Dots in the Proper Sequence
15 MHz
100 MHz 500 MHz 3 GHz 9 GHz 500 MHz 4 GHz
23 ns
3.5 ns 700 ps 120 ps 40 ps 700 ps 100 ps
100 pF
13 pF 8 pF 1 pF 0.15 pF 2 pF 0.4 pF
1 M
10 M 500 10 M 100 k

垂直精度
– 是指信号正确或接近正确的偏差
23
第 三 代 示 波 器
一种新的示波器技术
实时地 存储,分析,显示复杂的动态信号
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突破性的解决方案 数字荧光示波器
数字荧光示波器
定义:一台能将电信号数字化,并且以三维数据(信号的幅度, 时间,以及幅度相对于时间的分布)实时地存储,分析,显示 波形的仪器
Sine x /x Interpolation
Improved by connecting the Dots
Linear Interpolation
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垂直分辨率 和 水平分辨率
垂直分辨率
– 分辨率是指信号和其最小不可分部分的区别能力 6-bit 1/64 1.56% ( 人 眼 能 看 到 的) 8-bit 1/256 0.39% 10-bit 1/1024 0.097% 12-bit 1/4096 0.024%
体管,采用 0.65µ CMOS 工艺制作的
DPX提供每秒 24,000,000,000 read-modify-
write (RMW) 操作
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Tektronix 示波器交流
示波器的触发功能
34
波形获取过程
Pre Amp
ADC
16
Demux
128 SRAM
Triggering
仪器只有当触发事件发生时才进行存储 仪器连续采集，直到后触发条件满足 采集停止
数字存储
数字荧光
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三种示波器技术的比较
模拟示波器
数字存储示波器
数字荧光示波器
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Tektronix 的数字荧光示波器 技术的基础--- DPX™
DPX 是泰克公司的专有的波形成像处理器,用
于创建和管理信息的亮度等级
每个通道有自己的 DPX 波形成像处理器 DPX 在一快 13 mm2 芯片上集成了130万个晶
采样点等时间间隔分布 采样率以 样点数/秒描述(S/s, kS/s, MS/s, GS/s)
16
采样时发生了什么?
信号
采样
数字化
1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 . . . . . 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1
存储
0 0 1 . . . . . 1 0 1 1 0
14
50
100
数字存储示波器的定义
数字存储示波器
一台能将电信号数字化并经过后续的 处理去重建波形及显示波形的仪器.
DSO
Amp
A/D
DeMUX
Acquisition Memory
uP
Display Memory
Display
串行处理
15
采样
在特定的时间点采集输入信号的值
采样点
采样间隔
数字化 需要的 保持时间
Tektronix示波器交流
泰克科技（中国）有限公司设计与制造测试仪器产品部
1
Agenda
示波器篇
示波器的应用范围
示波器的参数 示波器的基本原理
探头篇
探头的分类及应用
应用篇
示波器的使用注意事项
2
Tektronix示波器交流
示 波 器 篇
3
示波器能够做什么?
采集和显示波形
什么地方需要(使用)示波器?
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有 源 探 头

优 点
– – – – – 低 高 高 兼 不 输 入 电 容 的 带 宽 输 入 电 阻 容50 ohm 系 统 需 补 偿

缺 点
– – – – 价 动 要 结 格 态 求 构 高 范 围 有 限 电 源 复 杂
48
典型电压探头特性
类型 1X Passive Probe 10X Passive Probe Z0 Passive Probe Active Probe 带宽 上升时间 输入电容 输入阻抗
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顺序等时取样数字化
数字化的样点触发后，以时间顺序积累，每 次触发 得到一个采样点
T1 T2 T3
S1
S2 TN
S3
No Pre-Trigger
S1
SN
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随机等时取样
数字化样点在每次触发点前后随机积累、必需准确得知从触发到下一个采 样点的 时间间隔以便正确地将数字化的点存入显示内存 、
T1 T2 T3
* 此系数仅适合高斯系统，目前的一些示波器其系数已经达到0.45
7
示波器带宽对被测信号的影响
• 例：100M带宽示波器输入100M 1V正弦波观察到的
将是100M 0.707V。
• 对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。
8
上升/下降时间 vs. 示波器带宽
上升时间(示波器) ~= 0.35/带宽(示波器)
DPX 波形成像处理器
Digital Phosphor
信号
Amp
A/D
Acquisition Rasterizer
Display Memory
Display
并行处理
uP
25
模拟示波器的好处
对实际的信号变化有直接的视觉
效果
亮度等级 (信息出现的频率) 没有量化误差和信号混叠 非常快的波形获取率
What you don’t know...
...can hurt you!
11
示波器带宽对测量波形影响
测量20MHz的方波
在200MHz带宽示波器测试所 显示的结果
在20MHz带宽示波器测试所 显示的结果
示波器所显示的波形
12
114 MHz Clock Signal - “5 Times” Rule
DC
Differential
43
探头的要求
负载效应低，对被测试信号的影响小 输入阻抗大 带宽高 动态范围大 频率响应曲线平坦 垂直放大精度高 垂直灵敏度大 丰富的探针类型
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探头参数的含义
带宽 上升时间 电容:给DUT带来容性负载 输入阻抗:给DUT带来的负载 衰减比:1X、5X、10X„„„„ 动态范围:探头放大器的线形工作范围 输入范围:被测试信号超出输入范围，探头损坏
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脉宽触发
仅接受 (或不接受) 由预先定义的脉宽介于两个时间 限制之间的，选择正负极性的脉冲触发 。
T1 Time T2
(+)
(-)
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斜率触发
在信号从高到低和/或从低到高的门限时间慢于（大于） 或快于（小于）规定的时间及正负极性时触发
高电平门限 + 极性 低到高 时间间隔 - 极性 高到低时间间隔
单一的用户界面
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模拟示波器的缺陷
纯粹的视觉信息 闪烁和遗失
有限的带宽性能
边缘触发 无法观测触发事件之前的信息
在单通道模式下性能最好
对于低重复率信号写速有限
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数字存储示波器的好处
存储波形 捕获罕见的异常事件 先进的触发功能 显示触发事件之前的信息 去除噪声 具有更精确的时基 彩色显示 信号处理 (averaging, FFT)
用 4GHz带宽示波器测试 100ps 上升时间
RT(measured) = SQRT[RT(oscilloscope)2 + RT(Signal)2] RT(measured) = SQRT[100ps2 + 100ps2] = 140ps!
9
如何正确的选择示波器？
10
多快才是足够快?
示波器上升时间 等于信号的上升时间 比信号的上升时间快2倍 比信号的上升时间快3倍 比信号的上升时间快4倍 上升时间慢/异常幅度衰 减 41% 12% 5% 2%
2 GHz BW Oscilloscope has ~200ps Risetime 4 GHz BW Oscilloscope has ~100ps Risetime
用 2GHz 带宽示波器测试 100ps 来自百度文库升时间
RT(measured) = SQRT[RT(oscilloscope)2 + RT(Signal)2] RT(measured) = SQRT[200ps2 + 100ps2] = 224ps!
49
探头对待测电路的负载效应
1GHz BW
250MHz BW
13
带宽 & 谐波
Digital Square Wave – Odd Fourier Sums
1
Fundamental (1st Harmonic) 3rd Harmonic 5th Harmonic Fourier Square Wave (1st-5thH)
0
-1 0
6
示波器带宽定义
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 100 97.5 95 92.5 90 87.5 85 82.5 80 77.5 75 72.5 70.7 (- 3 dB)
BW = 0.35* trise
在 3dB 带宽频率，信号的垂直幅度误差大约为30%
传输/拷贝存储的波形
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数字存储示波器的缺点
有限的波形捕获速率 由于数据信息不足产生混叠 没有亮度等级 (信息出现的分布)
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三代示波器结构的比较
Delay Line Vert Amp X Display Trigger Horiz Sweep Y Z
ART
Amp
模拟显示
DSO
Amp
System processor
16
35
传统的边缘触发
触发电平
时间
36
高级触发能力的考虑
脉冲 (宽度，毛刺，Runt，斜率，建立/保持时间 逻辑 (And, Or, Nand, Nor)
定时关系 (四通道) 状态分析 (3通道 + 1时钟)
电视/视频
可选场/行 线计数
偏移量:探头放大器的偏移量
45
1 X 无 源 探 头

优 点
– – 无 衰 减 价 廉
缺 点
– – – 很 大 的 反 射 很 大 的 输 入 电 容 很 窄 的 带 宽
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10 X 无 源 探 头

优 点
– – – 高 输 入 阻 抗 动 态 范 围 大 价 格 便 宜

缺 点
– – – 输 入 电 容 较 大 与 50 ohm 系 统 不 兼 容 必 须 补 偿
时钟电平
Time
数据源 (任何通道l)
触发参考
X
保持时间违反
数据电平
建立时间违反
X
触发参考
建立时间
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保持时间
Tektronix 示波器交流
探 头 篇
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基本探头类型
电压 逻辑
无源
有源
Z0 High Z High Voltage
电流 温度
无源 有源 有源
传感器 光电 转换
无源
AC Differential
(采样, 保持)
(转换成为数据）
(顺序存储）
屏幕显示选定 示波器 部分的内存 屏幕
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ET（等效时间） 与 RT（实时） 数字化
等效时间数字化
– 可以获取任何可达模拟带宽的重复信号 – 采样率低于模拟带宽 – 通过多次触发积累采样点
实时数字化
– 对于非重复性信号非常适合 – 最大获取信号频率更多地依赖采样率而不是模拟带宽 – 单次触发得到所有采样点
A/D
DeMUX
Acquisition Memory
uP
Display Memory
Display
串行处理
Digital Phosphor
DPX 并行成像处理器
DPO
Amp
A/D
Acquisition Rasterizer
Display Memory
Display
并行处理
uP
30
数字荧光显示技术
模拟实时