原创 高性能示波器的选择及泰克产品应用

泰克频谱分析仪事业部 对任何示波器，被人们最广泛的认可的指标是带宽，也就是频响幅度相对于DC幅度降低3 dB的频率。高性能示波器采用先进的数字信号处理(DSP)技术，增强了精度和性能，但并不是所有高性能示波器都采用相同的方法。某些示波器采用DSP扩展带宽，如果用户不知道，那么这种作法会产生意想不到的波形显示和错误分析结果。 真正的模拟带宽是恒定的

    

     图1说明了高性能示波器输入系统的三个组成要素：探头/放大器、模数转换器(ADC)和解复用器/存储器。探头/放大器和ADC决定着示波器真正的模拟带宽。这些电路以恒定的连续速率运行，而与取样速率、通道数量或触发条件无关。 图 1. 这一方框图显示了三个方框：探头和放大器、模数转换器、解复用器/存储器。 选择示波器的规则 选择示波器的规则是，我们需要询问那些采用DSP来扩展带宽的示波器是否能提供所宣称的全带宽，而不管信号是怎样采集、取样或插补。除非示波器能够在移出DSP时仍能保持所宣称的全带宽，否则其性能将会在实际测量时下降。下面是检测带宽限制的某些具体线索： 1、 在较低的取样速率时幅度会产生变化 每台高性能示波器都在多种取样速率上工作，以适应各种应用和测量需求。低于最大值的取样速率在数据进入存储器前通过抽样流程实现 (而不是通过改变时钟频率来实现)。抽样不会改变真正模拟频响的幅度，但后期处理DSP可以改变频响。低带宽会损害测量R.F.包络或使用峰值检测毛刺的能力。 2、在较高的取样速率时幅度和带宽会产生变化 随机等时取样(有时称为“重复取样”或R.I.S.)用来对超过高性能示波器最大实时取样速率(目前是20 GS/s)的重复信号进行取样。为使RET实现这种提高的定时分辨率，信号必须是重复的，示波器必须在每个连续波形的相同点上触发。在第一个触发事件发生时，20 GS/s示波器会捕获间隔为50 ps的一套样点。在下一个触发事件上，示波器捕获间隔为50 ps的另一套样点，但在时间上对比第一次采集将略微偏移了。这一流程将持续进行，直到示波器采集了希望数量的样点。然后将对多次采集中采集的这些样点进行梳状滤波，构成一个随机等时记录，其分辨率要远远好于单次事件中没有插补时实现的分辨率。由于样点是在多个触发事件上采集的，因此在RET数据上不会进行DSP或插补。尽管与实时取样相同，但频响幅度仍取决于示波器的探头/放大器和模数据转换器(记住：示波器的真正模拟带宽是不变的)。 3、随选择不同的触发源带宽会产生变化 如前所述，真正的模拟带宽取决于示波器的前端器件(探头/放大器和模数据转换器)。这种真正的模拟带宽从来不会变化；它一直保持不变。但是，DSP产生的虚拟带宽经常会发生变化，而很少或根本不会通知用户。即使示波器操作人员似乎一切操作正常，但其仍会很容易导致不正确的测量结果。其中一个实例是触发源(例如使用不同的通道来触发示波器)。在这种情况下，DSP算法将会提供不同的幅度(带宽)，具体取决于选择了哪种触发源。 例如，若通道1是正弦波，通道2是方形波，使用通道1为触发时，在使用DSP增强带宽的示波器上，方形波的幅度可能会被不准确地表示，而在提供真正模拟带宽的示波器上则可以被正确显示。 现代高性能示波器必需在各种应用中生成可靠的结果。DSP已经证明可以用于、甚至精确地对Nyquist频率附近进行插补以及进行串行数据一致性测量都是必不可少的。示波器真正的模拟带宽取决于前端器件(探头/放大器和模数据转换器)的性能，在调节各种示波器设置或参数时不会变化。如果示波器依赖DSP提高带宽，来实现所宣称的带宽，那么用户必须注意了解每种环境或设置，因为这种作法可能会导致意想不到的测量结果。 DPO满足加快设计和系统检修周期的需求 数字荧光示波器(DPO)自其问世以来已经改变了工程师捕获、查看和测量动态信号信息的能力。最新的DPO，如泰克新推出的TDS/CSA7000B系列，不仅提供数字存储示波器(DSO)的所有传统优势，如波形数据存储和触发，而且还提供了任何DSO中未能提供的关键优势——每秒超过400,000个波形(wfms/s)的波形捕获速率，可以更快地进行设计和系统检修。 不同的采集方法 TDS/CSA7000/B系列的DPO捕获速率使其从其它采集结构中脱颖而出。它采用独有的第三代DPX?采集技术及明显降低示波器/采集/处理/更新周期的独特并行处理结构，其超高捕获速率允许示波器非常迅速地积累与信号有关的详细信息，其速度要比传统DSO快成百上千倍。结果，DPO提供了无可比拟的测量和分析吞吐量。 为什么波形捕获速率这么重要呢？答案非常简单：由于能够“看到”更多的信息，因此DPO可以“发现”更多的问题。把DPO与DSO对比一下可以看出，DSO只在非常短的时间内采集信号，通常不到前者的1%。最高的DSO捕获速率位于大约每秒7800个波形的范围内。大多数DSO的时间用在了处理采集的波形数据及创建显示画面上，而不能观察在此期间发生的信号活动。 DPO采用并行结构，明显缩短了处理时间，用在观察信号上的时间则成比例提高。其400,000 wfms/s的波形捕获速率比最快的DSO还要快50倍以上。由于它在多得多的时间内处于“警醒”状态，因此DPO一般可以捕获与经过的事件有关的更多信息。这意味着可以更好地查看关键信号行为及获得更多的数据，以深入展开分析。 由于DPO采集和处理波形的速度要比DSO高出数百倍，因此DPO可以更加迅速地捕获瞬变和稍纵即逝的幅度变化，加快设计和系统检修的速度，增强分析复杂信号的能力。实践证明，这些采用DPX的DPO为检测和分析间歇性畸变提供了最有效的工具，而这些畸变可能会损害PCI Express 和 XAUI器件等环境中的高速信号。 快速获得结果 由于DPO在更少的时间内收集更多的波形，因此它对示波器用户具有另一个重要意义：它只需几秒、而不是几分钟的时间，就可以累积信息丰富的显示图和深入分析的数据库。它拥有强大的FastAcq采集模式，并采用DPX?采集技术，为把波形带到显示屏上提供了最短、最快速的处理通路。除能够揭示瞬时信息外，DPO还可以几乎瞬间建立眼图、极坐标图、星座图和相关数据库。正是认识到DPO杰出的吞吐量所具有的重要意义，数字显示器工作小组(负责指导数字视频接口DVI标准)等行业委员会已经把DPO和FastAcq模式作为一致性测试的标准。对需要最详细地捕获复杂的信号、甚至捕获眼图(包括畸变)的工程师，FastAcq模式提供了一个强大的工具。 第二种采集模式称为WfmDB，生成与波形参数有关的连续数据库。WfmDB模式是为最大限度地提高高速眼图的测量和分析吞吐量而设计的，可以迅速累积“一批”采集信息，然后处理这些信息，最大限度地降低处理时间。它可以配置成采集预定数量的波形，这些波形是在许多次采集中汇聚在一起的。在选择这种模式时，将出现一个“Samples”(“样点”)菜单选项，用户可以设置数据库中保存的信息比例，而不是显示的采集数量。根据经验，最好在分析中使用WfmDB模式，而在检修和测量中使用FastAcq模式。 DPO推进余辉模式 多年来，示波器一直包括一种显示功能，称为余辉模式。这种模式最初源自模拟示波器。在轨迹通过之后，显示器的荧光会保留波形轨迹图像一段时间，从而可以更紧密地详细考察信号细节。 DSO通过后处理捕获的波形，仿真余辉模式。但是，DSO的余辉存在着局限性, 在前面讨论中提到, 它只能显示从采集频次较低的捕获中得到的信息。显示中不能揭示实时的细节，它可能会漏掉DSO在处理和显示格式化期间所发生的间歇性事件。 DPX?采集技术和余辉模式并不是一回事，尽管基本DPO显示模式实时提供了许多与余辉类似的优点。强度渐变(有时称为灰度)通过把数千次采集结果重叠到每次屏幕更新中实现，而不要求耗费大量时间累积波形图像。即便如此，DPO也包括余辉模式。DPO非常高的波形捕获速率最大限度地提高了检测到瞬时信号细节的可能，同时可以使用余辉模式，在屏幕上保留这些细节，以进行分析。 高速信号面临的测量挑战 对处理高速信号的设计人员，最新的测量挑战源自于大家已经熟悉的发展趋势：数据和边沿速率越来越快、定时容限越来越窄。与其它采集工具相比，采用DPX的DPO(如泰克新推出的TDS/CSA7000/B系列)提供了明显多得多的波形细节及更高的测量和分析吞吐量，可以简单、快速地检验、调试、检定和测试复杂的高速设计。通过这种优秀的测试工具，设计人员可以推进总线设计，满足紧密的时间表要求，或迅速解决棘手的系统检修问题。 新型示波器推进触发技术发展 数字系统结构的不断发展，促进了示波器触发功能的同等改进需求，以提供足够快速的触发速度，来捕获当前快速的数据速率上的各种事件。泰克TDS家族示波器一直因广泛并灵活的一系列触发解决方案而闻名。其新推出的TDS7000B/CSA7000B系列示波器提供了一种强大的新型触发系统，满足了尖端数字系统和串行总线不断提高的复杂性，并实现了超低的触发抖动和杰出的精度。 新推出的TDS7000B/CSA7000B示波器的触发功能建基于专用的触发IC，提供了先进的灵活性和性能。作为世界上第一个硅锗 (SiGe)触发器件，这种功能对于高速计算和通信设备中精确的定时和幅度最为敏感。这些新型触发功能提供了快速可靠的结果，可以应对高速一致性测试和检修测量中的挑战。 满足复杂的数字需求 大多数传统触发模式针对一种条件监测输入信号，可能会产生数量庞大的数据，分析这些数据可能非常困难、需要耗费大量的时间。当前的复杂数字协议和同步结构通常需要在满足多种逻辑和定时的条件后，才继续某种处理的操作。 新推出的TDS7000B/CSA7000B示波器满足了这一要求，可以执行条件触发，采集更加有限但却高度相关的数据集，明显减小了因查看大量不相关数据所花的时间, 简化了评估和检修的工作。触发系统可以同时在其它条件下评估事件，例如，只在其它信号处于某种状态时，才会对建立时间和保持时间超限等事件作出反应。即使传统边沿检测触发，在TDS7000B/CSA7000B系列中也有了进一步发展。现在，它可以把仪器设置成在信号的上升沿和下降沿上触发，确定哪种触发能够更好地检测状态不确定的事件。 这些新的触发功能增强了示波器已经非常强健的、可以广泛选择的触发模式，包括超过门限的简单检测器，以至能够定义当事件“A”出现时、才开始检测事件“B”的顺序触发器。另外，如果信号在用户选择的时间内离开指定的“窗口”，也可以触发示波器。 保证高速测量的置信度 眼图和抖动测量是一致性测试的基石，触发抖动影响着眼图和抖动测量的精度。为在测量工作速率超过2.5 Gb/s的器件时能够提供可靠的测量结果，示波器必须提供非常稳定的低抖动触发功能。TDS7000B/CSA7000B系列的触发系统提供了超低的触发抖动，可以低达1.0 ps RMS，可以支持高置信度的眼图；触发抖动对眼图闭合的影响将达到了绝对的最低值。 隔离毛刺 随着边沿速度提高及互连阻抗降低，信号完整性问题(如电感性串扰)可能会成为主要的问题。在极高的数据速率上，有时不可能看到毛刺，因为它简单地出现在示波器所显示的有效的数据脉冲当中。快速采集(FastAcq)模式采用独有的DPX?采集技术，可以确认毛刺是否存在。TDS7000B/CSA7000B系列强大的基于SiGe的触发系统可以检测难以捕捉的事件，如宽110 ps的事件，从而可以简便地捕获某些高速设计面临的棘手的窄毛刺。触发重新装备时间(250 ps)也非常短，可以协助捕获迅速连续出现的事件。触发器不仅能检测微小的瞬时脉冲，而且它能迅速重新装备，保证不会漏掉下一个脉冲。此外，触发器提供了判定参数，可以简便地检测那些可能影响电路操作的毛刺。 捕获建立时间和保持时间超限 对处理XAUI、PCI Express和10 GB以太网等数字结构的设计人员，最新的测量挑战源自于人们已经熟悉的发展趋势：数据和边沿速率越来越快、定时容限越来越窄。这已经是老生常谈的问题。但是，最新一轮的发展已经超出某种极限，使得许多测量工具很难跟上目标应用的性能发展步伐。 例如，使用双倍、四倍、甚至八倍速率数据传送的源同步总线拥有非常窄的建立时间和保持时间。边沿(转换)速率有时不到100 ps，在关键测量中累积的抖动容限在单位数皮秒的范围内。所有这些测量要求都迫使工程师寻找新的解决方案。 TDS7000B/CSA7000B示波器可以检测最低360 ps的建立时间/保持时间超限，可以简便地揭示其它工具会漏掉的错误。 应对各种标准的挑战 许多高速串行通信设备依赖嵌入式时钟进行定时和同步。在一致性测试和检修过程中，测量系统必须能够模拟接收机中的时钟恢复功能，以生成丰富、完整的眼图。输出成为与采集同步的时钟信号。 TDS7000B/CSA7000B系列提供了业内第一个内置的、连续变化的(1.5 Mb/s-3.125 Gb/s)硬件时钟恢复电路，提供了基于软件的功能的所有灵活性。但是，由于它是硬件实现方案，因此可以最紧密地接近实际环境中接收机的效应。与数据接收机一样，它实时从数据中恢复时钟，而不需进一步处理。TDS7000B/CSA7000B系列除了提供这种新型的硬件时钟恢复功能，还内置了软件恢复功能，涵盖了业内范围最广泛的各种串行标准。 为分析和存档测量结果提供多种选择 与TDS高性能家族中的其它系列产品一样， TDS7000B和CSA7000B系列示波器在一个自含式系统中同时包括示波器和PC，在硬件和软件方面实现了全面集成。示波器波形显示屏可以与Windows程序一起使用，同时出现在示波器屏幕上。测量功能和计算功能之间的协同，使得OpenChoice? 连接功能成为可能，它能够以前所未有的方式使用分析工具、程序开发工具和通信工具。 示波器系统的嵌入式PCI总线允许把波形数据从采集程序直接传送到Windows桌面上的分析程序中，其速度要比传统GPIB传送快得多。同时，OpenChoice提供了完善的软件基础设施，可以无缝地集成业内最广泛的第三方分析程序，如MATLAB和LabVIEW。Excel 和 Word工具条等数据传送工具明显简化了本地Windows桌面或外部PC上的分析和存档任务。 OpenChoice系列工具中包括各种业内标准协议，如TekVISA和ActiveX控件。用户可以创建或增强数据分析和存档使用的Windows程序。例如，通过电子表格程序中内嵌的按钮，可以激活测量，把结果直接发送到文件的单元格中。类似地，新的报告生成器以Windows程序的模式运行，使用直接从采集系统中获得的数据，生成定制的报告。 自带的软件开发人员工具箱(SDK)可以帮助工发人员创建定制程序，在Visual BASIC, C, C++, MATLAB和National Instruments LabVIEW等工具基础上，自动完成多个步骤的波形采集和分析过程。 它带有一套业内标准可互换虚拟仪器 (IVI) 驱动程序，为泰克高性能示波器家族的每款产品提供了统一的编程环境。OpenChoice功能中还包括标准的即插即用(PnP)驱动程序。除这些驱动程序外，LabVIEW用户可以使用LabVIEW VI的调色板，简化在泰克开放的Windows示波器中使用LabVIEW程序的工作。通过这些驱动程序和其它工具，示波器和LabVIEW之间及与外置PC上运行的LabWindows程序之间的通信，可以通过GPIB或局域网连接。UNIX程序和其它局域网资源可以使用自带的VXI 11.2服务器，直接连接到装有OpenChoice的TDS示波器上。 通过OpenChoice结构，可以把业内最先进的测量系统与经过验证的、用户熟悉的软件工具放在一起，作一个集成解决方案使用，并利用TDS7000B/CSA7000B系列新型测量/计算结构的全部优势。

来自中国IC37网