Training示波器基础.

Page1示波器基础培训教程汪进进[e-mail]13828763297Page21964年成立,专业研制高能物理测试仪器.1970年开始生产电子测试仪器.1984年开始生产数字示波器.1995年在NASDAQ股票市场上市.2002年推出创新的X－Stream技术系列示波器.世界三大数字示波器供应商之一.串行数据市场占有率第一世界上唯一一家专业、专注于数字示波器的公司科学家的测试仪器力科公司简介丰富的高技术产品开发经验公司总部设在美国纽约.Page3我们在持续创新Page4力科全系列示波器产品：为您探索数字世界保驾护航60MHz-100GHz示波器带宽→SignalComplexity→1.5GHz–6GHz100MHz–500MHz60MHz–300MHz200MHz–1GHz400MHz–2GHz4GHz–30GHz100GHz通过量身定制扩展工程师的能力应用深入的调试和分析工具箱，以数字方式和可视方式提取实用信息准确地捕获、测量和显示信号满足怀信心地查看、调试、验证或检查标准一致性集成硬件和软件结构，缩短测量时间，提供洞察力我们创造示波器:Page5力科公司致力于做世界上最好的示波器世界上最高带宽的示波器30GHzVS20GHzVS13GHz世界上最高采样率的示波器80GS/sVS50GS/sVS40GS/s世界上最高可分析存储深度的示波器512MptsVS40MptsVS40Mpts世界上最强大分析能力的示波器300倍眼图速度最精确抖动分解方法最快捕获异常信号能力Page6示波器的基本原理带宽采样率量化误差存储深度通道叠加插值算法触发特别工作模式显示功能测量功能直方图FFT抖动追踪WaveScanTriggerScan归档功能Page7示波器的基本原理Page8示波器的五大基本功能5ReasonsPeopleBuyDSO’SCaptureAndStoreTheSignalViewTheSignalInAVarietyOfDisplayFormatsMeasureTheSignalUsingCursorsAndParameterReadoutsAnalyzeTheSignalUsingWaveformMathAndSignalProcessingDocumentTheSignalUsingWaveformStorageAndGraphicsFilesPage9一般数字示波器工作原理简图显示显示显示处理器采集输入信号放大器ADC采集存储器数学处理器&协处理器应用软件RAM测量与分析存档可存储到软盘,IC存储卡以及硬盘连接到计算机打印机的数据总线触发器2134操作系统Page10DSO的屏幕显示垂直范围是8x[Volts/Div]8位ADC的256二进制码捕获时间=10x[Time/Div]采样率=1/采样周期=存储深度/采样时间存储深度=采样率x采样时间数字带宽(奈奎斯特频率)=采样率/2能观察到的最高频率和最低频率的比率=存储深度/2CaptureTimeSamplePeriodTime/DivVolts/DivADCFullScalePage11捕获信号的原则原则#1最小化量化误差原则#2至少捕获感兴趣的一个周期的的低频成分原则#3时刻警惕采样率，小心混叠原则#4在有些时候使用一些特别的获取模式或处理方法Page12带宽模拟带宽数字带宽系统带宽Page13带宽带宽就是输出降低到输入的70.7%时的频率Page14带宽与上升时间Page15实际带宽Page161V-3db=0.707V带宽频率电压•trscope(ns)=350/bandwidth(MHz)•Measuredrisetime(tr)2=(trsignal)2+(trscope)2+(trprobe)2需要多高的带宽？Page17需要多高的带宽？首先取决于您需要测试的信号类型及您希望的测试准确度。最重要的因素是对上升时间和幅值测量的准确度要求。对串行信号而言，数据比特率和上升时间是最重要的两个因素.有一个非常好的评估准则是:示波器的带宽1.8X信号比特率.在这个准则下，如果被测信号的上升时间20%UI,那么1.8关系的带宽能捕获信号能量的99%.Page18上升时间与带宽的关系Page19PSDvsRisetimeandBitrateThisgraphshowsthePowerSpectralDensityofthefrequencycontentofaserialdatasignalasafunctionoftherisetimeofthesignal.Fastrisetimes(0-10%ofaUI)havemorehighfrequencycontent.Notethehorizontalaxisisinmultiplesofthebitrate.Peaksareatoddmultiplesofhalfthebitrate.ThisgraphcourtesyofPetePupalaikisPage20延伸阅读关于示波器的带宽示波器响应方式对信号采集保真度的影响Eye_Patterns_in_ScopesHoward_Adequate_BandwidthPage21采样率Page22采样基础采样率是模拟信号中包含的最高频率的两倍时，模拟信号可以没有失真地被重构这个采样频率被称为Nyquist频率这表示数字化波形能表征的最高频率是采样率的一半-这就是波形理论上的数字带宽窄带波形如正弦播需要4倍于信号频率的采样率宽带信号如脉冲需要以波形频率的至少10倍来采样，决定于波形的上升时间Page23采样过程经过放大器的输入波形加到快速电子开关每个采样周期内开关暂时关闭使保持电容被充电到采样电压值摸数转换器在下一个周期前将每个采样点的电平转换为一个数字值INPUTWAVEFORMSAMPLEDWAVEFORMFIELDEFFECTTRANSISTOR(FET)SWITCHHOLDCAPACITORSAMPLINGCLOCKPage24数字化基础所有的力科示波器都采用了并行的模数转换器(ADC)垂直精度是8位或者说是1/256模数转换的速率在4通道同时使用时可达到40GS/s在ADC的两通道或更多通道交替使用时可以达到更高的采样率一个4位的ADC表示了数字化的典型工作原理.每个采样值和不用权重的参考值进行比较.比较器的输出解码为带符号的二进制数值+-+-+--+-++--+VINPUTVREFVREF/8VREF/4VREF/2VoltageComparatorsI0I1I2I3I4I5I6I7O0O1O2EncodingLogicPage25数字化基础N比特垂直精度的数字化仪将一个模拟电压转换为N比特的数字#Bitsresolution8255:1N(2n-1):1数字化的输出采用带符号的二进制格式采用带符号的二进制,屏幕顶部产生的代码是+127,屏幕中间是0,屏幕底部是-128二进制代码根据垂直增益和偏置量化后转换为电压值数字化的精度可以通过信号处理方式如平均或加强分辨率（数字滤波）的方式增加DecimalSignedBinary+12711111111+110000001010000000-101111111-12800000000Page26为什么需用高采样？SampleRate/Bandwidthvs.RisetimeError0.010.11100.1110SampleRate/BandwidthStandardDeviationOfRisetime超过带宽5倍以上的采样率可保证好的测量精度测试脉冲波,需在上升沿采样大于5个点高采样率减少了测试波形的失真。SampleRateTime/PointSampleRate/BandwidthAverageRisetimeStandardDeviation200MS/s5ns0.24.7ns1.3ns500MS/s2ns0.52.3ns0.6ns1GS/s1ns1.01.6ns0.1ns2GS/s0.5ns2.01.27ns0.03ns5GS/s(RIS)0.2ns5.01.16ns0.02ns10GS/s(RIS)0.1ns10.01.15ns0.02nsPage27采样率太低会导致混叠如果一个信号一个周期采样少于两个点，采样出的信号频率低于实际频率。这种现象叫混叠。混叠频率是输入信号频率和采样率或谐波频率之差。混叠信号触发不稳或在水平轴移动。SAMPLINGCLOCKINPUTSIGNALALIASEDSIGNALPage28哪个测量结果是正确的?这两个波形看起来是一致的，但测量出的频率却大不相同判断波形失真的线索:上一个波形没有和触发点相对齐。上一个波形测出的频率近似为下面波形的频率减去两倍采样率经验:Alwayskeepaneyeonthesamplingrate!MeasuredFrequency=28.049MHzClockSampledat250MS/sClockSampledat20GS/sMeasuredFrequency=527.9MHzPage29取样速率的影响取样速率决定捕获信号的时间分辨率。时间分辨率越高，可以查看的波形细节越多，但可以捕获的时间窗口会下降。27个样点6个样点Page30量化误差Page31量化误差8位的ADC能代表的是256个量化级别满栅格显示的信号充分利用了ADC信号的显示小于满栅格增加了量化台阶,减小了精度满栅格=8-bit精度½栅格=7-bit精度¼栅格=6-bit精度不确定栅格=Vfullscale/2n,n=numberofbits利用可变增益来精确测量信号的某一部分来充分利用好ADC的范围下面的信号的4倍衰减产生了4倍的量化误差=2bits的精度误差对上升沿的放大表明了量化误差的影响Page32只有一个栅格的情况下……将每个波形压缩到1/4的尺度减小了垂直分辨率到6bits但允许所有的波形被观察到将每个波形都显示为满栅格保持有8bits的垂直分辨率但很无法清楚地观察每个波形Page33Multi-GridEliminatesCompromise多栅格显示可以独立的使每个波形都能满栅格显示不需要在高垂直分辨率和可视性方面妥协了可选择1,2,4,8栅格显示多栅格显示为每个输入通道提供了8-bit的垂直分辨率Page34多栅格显示提高了垂直精度Reducedstandarddeviationinlowerdisplayindicatesimprovedmeasurementaccuracyandrepeatability4TracesShareSingleGrid4Tracesin4IndividualGridsPage35多栅格显示提高了时域测量参数精度Reducedstandarddeviationinlowerdisplayindicatesimprovedmeasurementaccuracyandrepeatability4TracesShareSingleGrid4Tracesin4IndividualGridsPage36延伸阅读关于电源纹波测量动态范围和纹波测量Page37存储深度Page38需要长存储的测试雷达无线通信光产品调试频域分析因果调试发现随机或罕见的错误统计分析抖动追踪分析眼图(减少触发抖动的影响)数据采集高频与低频混合系统最大存储长度=最高采样率x最大采样率窗口力科WM8Zi系列:20M=20Gs/sx1msPage39DSO取样速率和记录长度1234567891011121314151617181920记录长度18N123tt取样速率=Nt/sec时间窗口=记录长度/取样速率放大器时钟显示处理器模数转换器8取样和保持采集内存Page40250kpts1Mpts8Mpts100Mpts存储深度决定了实际采样率的大