数字示波器基础与使用技巧

数字示波器基础与使用技巧2014.4AMC闫博学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•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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、雷达测量等领域模拟示波器•快速的波形捕获速度•灰度显示•价格便宜•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•模拟示波器的优点：•模拟示波器的缺点：纯“模拟”技术实现。AnalogScopes模拟示波器的基本结构数字示波器•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。•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•波形捕获速度慢•量化噪声•价格相对较贵•数字示波器的优点：•数字示波器的缺点：DigitalScopesBandwidthSamplerateMemorydepthDisplayMode数字示波器的基本结构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PCIExpress、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带宽采样技术存储深度显示技术触发数字示波器的主要性能指标FrontEndFlashA/DSamplinginputDigitalstorage•示波器带宽：-3dB带宽带宽-3dBfGain(dB)0dBinoutVVdBGainlog20)(一、示波器的带宽•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带宽的示波器带宽对信号测试的影响实例足够的带宽才能覆盖体现信号绝大部分能量的谐波！被测信号频谱频率足够的带宽频谱频率带宽不够精确的复现波形观察到失真的波形trtr示波器带宽对信号测试的影响•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数字信号的带宽*来源：High-SpeedDigitalDesign:AHandbookofBlackMagic,HowardJohnsonandMartinGraham,PrenticeHall,1993(ISBN:0133957241)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BWsignalBWsignal=0.5/TrTr为10%到90%的上升沿时间BWsignal=0.4/TrTr为20%到80%的上升沿时间示波器的频响方式不同频响类型的1GHz带宽,4G采样率的示波器的比较与平坦响应相比较，高斯响应在通带内具有更多的误差-3dB@1GHz平坦响应示波器高斯响应示波器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(10%to90%阈值)–BWsignal=0.4/Tr(20%to80%阈值)•根据上升时间测量精度要求，计算出示波器的带宽BWscope误差要求高斯响应示波器BWscope平坦响应示波器BWscope20%1.0×Bwsignal1.0×Bwsignal10%1.3×Bwsignal1.2×Bwsignal3%1.9×Bwsignal1.4×Bwsignal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@13GHzbandwidthσ=406uV/p-p=4.3mV@10GHzbandwidthσ=365uV/p-p=3.6mV@6GHzbandwidthσ=278uV/p-p=2.8mV示波器的底噪与带宽相关，带宽越大，噪声电平越高！90000A示波器的降噪选件示波器带宽不是越大越好探头带宽示波器带宽和频响采样率探头连接部分带宽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。示波器测试系统的带宽•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二、数字示波器的采样精密电阻链256级比较参考电压输入信号地256到8译码器输出数据数字示波器通常使用高速FlashAD转换器数字示波器的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的采样分辨率不同频响类型的1GHz带宽,4G采样率的示波器的比较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)-3dB@1GHz平坦响应示波器高斯响应示波器采样速率的选择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BWsignalBWsignal=0.5/Tr(10%to90%阈值)或BWsignal=0.4/Tr(20%to80%阈值)•根据上升时间测量精度要求，计算出示波器的带宽BWscope误差要求高斯响应示波器BWscope平坦响应示波器BWscope20%1.0×BWsignal1.0×BWsignal10%1.3×BWsignal1.2×BWsignal3%1.9×BWsignal1.4×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平坦响应示波器SRscope4.0×BWsignal2.5×BWsignal1.实时采样(RealTime)2.等效时间采样(EquivalentTime)3.顺序采样(SequentialSampling)数字示波器的采样模式•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EachTriggerIdentical1.实时采样技术实时采样技术•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）•当采样率SR4*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/DSR4*BWA/DSR=4*BW在ADC采样前，毛刺已经被滤除采样率不是越高越好三、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141643122176232231229228ScopeMemory•2G•100M•1G•10M•1M•100K采样率(Sa/s)采样速率和时间窗口的关系时间长度=存储深度x采样周期或时间长度=存储深度÷采样速率•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。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？2ns2ms1.BWsignal=0.5/2ns=250MHz2.BWscope=1.9x250MHz≈500MHz3.SR=4x500M≈2GSa/s4.存储深度=2msx2GSa/s=4Mpts•存储深度4M，标称采样率4GSa/s，实际采样率2GSa/s存储深度对测试的影响•存储深度8K，标称采样率4GSa/s，实际采样率4MSa/s•不同示波器观测同样的信号，波形长度2ms展开展开同样存储深度下，快时基还是慢时基？timebase=1us/Div10us1us10mstimebase=1ms/Div10ms1us毛刺快时基:观察毛刺慢时基:观察长时间的波形DigitizedWaveformSampleRate•慢时基设置使采样率降低•低采样率意味着可能遗漏信息慢时基下可能会遗漏信息•峰值检测(PeakDetect)能够捕获采样点之间的毛刺DigitizedWaveformMaxSampleClock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个点峰值检测技术分段存储SegmentMemory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--……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A/DMegaZoom专利芯片深采集存储器示波器CPU深采集存储器示波器显示示波器显示示波器CPUMegaZoom深存储示波器结构图第一代深存储示波器结构图A/D采集的数据全部送到CPU，造成瓶颈。瓶颈协同处理MegaZoom自动优化采样速率，只传送需要的波形数据:•刷新速率快•前面板响应速度快MegaZoom技术原理MegaZoom技术带来的好处极高的波形刷捕获率，从而大大减小死区时间探头影响被测信号和测试结果被测电路探头示波器•因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路•探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果•如何选择合适的探头和正确使用探头示波器探头类型•低阻抗电阻分压探头•带补偿的，高阻无源探头•高压探头•单端有源探头•差分有源探头•电流探头无源探头有源探头混合信号示波器MSOMSO的2/4通道+16通道的优势:•同时观察模拟和数字信号•同时观察18–20个通道之间的关系•利用深存储器同时捕获观察快慢信号之间的关系•所有通道同时设置触发对于模拟和数字混合电路设计如ADC,DAC,FPGA和嵌入式微处理器提供更多通道购买以后，普通数字示波器DSO仍然可以升级到混合信号示波器MSO•所有DSO6000A系列型号已经具备标准MSO硬件如按键、逻辑通道接口.升级DSOMSO•MSO功能可以在购买升级套件后通过简单的软