數(shù)字示波器基礎(chǔ)與使用技巧

1、數(shù)字示波器基礎(chǔ)數(shù)字示波器基礎(chǔ)與使用技巧與使用技巧2014.4AMC 閆博學(xué)閆博學(xué)Agenda 示波器基礎(chǔ) 示波器概述 數(shù)字示波器的主要性能 探頭基礎(chǔ)示波器概述示波器概述1939年出現(xiàn)了第一臺(tái)模擬示波器，帶寬5MHz1980年HP發(fā)明了第一臺(tái)數(shù)字示波器1985年HP首先推出了帶寬達(dá)到1GHz的數(shù)字示波器1990年代初HP推出了第一臺(tái)混合信號(hào)示波器(MSO)2004年安捷倫首先推出了業(yè)界第一臺(tái)帶寬超過10GHz（達(dá)到13GHz實(shí)時(shí)帶寬）的超帶寬實(shí)時(shí)示波器2010年安捷倫推出業(yè)界第一臺(tái)硬件帶寬達(dá)到32G的實(shí)時(shí)示波器90000X2012年安捷倫推出業(yè)內(nèi)第一臺(tái)硬件帶寬達(dá)63GHz的實(shí)時(shí)示波器l示波器是精

2、確復(fù)現(xiàn)信號(hào)隨時(shí)間變化波形的儀器示波器是精確復(fù)現(xiàn)信號(hào)隨時(shí)間變化波形的儀器l廣泛應(yīng)用于通用電子電路測試與調(diào)試，計(jì)算機(jī)及通信高速信號(hào)測試，航廣泛應(yīng)用于通用電子電路測試與調(diào)試，計(jì)算機(jī)及通信高速信號(hào)測試，航空航天、雷達(dá)測量等領(lǐng)域空航天、雷達(dá)測量等領(lǐng)域模擬示波器模擬示波器快速的波形捕獲速度快速的波形捕獲速度灰度顯示灰度顯示價(jià)格便宜價(jià)格便宜 不能存儲(chǔ)波形不能存儲(chǔ)波形 很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象 帶寬窄，只能到幾百帶寬窄，只能到幾百M(fèi)Hz 通道數(shù)一般最多只有通道數(shù)一般最多只有2個(gè)通道個(gè)通道 參數(shù)測量很麻煩參數(shù)測量很麻煩 不能作復(fù)雜的應(yīng)用不能作復(fù)雜的應(yīng)用模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)：模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)：模擬示波器的缺點(diǎn)

3、：模擬示波器的缺點(diǎn)：l純純“模擬模擬”技術(shù)實(shí)現(xiàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Analog Scopes模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字示波器數(shù)字示波器 始于80年代初期。采用現(xiàn)代的A/D技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當(dāng)今示波器的主流。 帶寬可以達(dá)數(shù)帶寬可以達(dá)數(shù)10GHz 可以捕獲瞬態(tài)波形可以捕獲瞬態(tài)波形 可以存儲(chǔ)波形可以存儲(chǔ)波形 易于使用易于使用 功能更多、應(yīng)用范圍更廣泛功能更多、應(yīng)用范圍更廣泛 波形捕獲速度慢波形捕獲速度慢 量化噪聲量化噪聲 價(jià)格相對(duì)較貴價(jià)格相對(duì)較貴數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字示波器的缺點(diǎn)：數(shù)字示波器的缺點(diǎn)：Digital ScopesBand

4、widthSample rateMemory depthDisplay Mode數(shù)字示波器的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字示波器的基本結(jié)構(gòu)數(shù)字示波器能為我們解決哪些問題？數(shù)字示波器能為我們解決哪些問題？電路診斷與調(diào)試電信號(hào)的參數(shù)測量 - 電壓、頻率、相對(duì)相位、上升/下降時(shí)間、抖動(dòng)、過沖等等高速數(shù)據(jù)采集 - 用于數(shù)學(xué)后分析或自動(dòng)測試系統(tǒng)中的高速數(shù)據(jù)采集信號(hào)完整性分析 -眼圖、抖動(dòng)、過沖標(biāo)準(zhǔn)總線的兼容性/一致性測試 - 用于對(duì)PCI Express、USB、10M/100M/1000M以太網(wǎng)、SATA、HDMI等標(biāo)準(zhǔn)通訊總線的一致性/兼容性測試超寬帶調(diào)制信號(hào)(UWB)的解調(diào)分析 - 對(duì)諸如無線USB、超寬帶雷達(dá)信號(hào)

5、等UWB信號(hào)的調(diào)制質(zhì)量進(jìn)行分析l 帶寬帶寬l 采樣采樣技術(shù)技術(shù)l 存儲(chǔ)存儲(chǔ)深度深度l 顯示顯示技術(shù)技術(shù)l 觸發(fā)觸發(fā)數(shù)字示波器的主要性能指標(biāo)數(shù)字示波器的主要性能指標(biāo)Front EndFlash A/D Sampling inputDigital storage 示波器帶寬：示波器帶寬：-3dB帶寬帶寬 帶帶 寬寬-3dBfGain(dB) 0dBinoutVVdBGainlog20)(一、示波器的帶寬一、示波器的帶寬不同帶寬的示波器觀察到的不同帶寬的示波器觀察到的50MHz的方波信號(hào)的方波信號(hào)60MHz帶寬的帶寬的示波器示波器100MHz帶寬的帶寬的示波器示波器350MHz帶寬的帶寬的示波器示波

6、器500MHz帶寬的示波器帶寬的示波器帶寬對(duì)信號(hào)測試的影響實(shí)例帶寬對(duì)信號(hào)測試的影響實(shí)例足夠的帶寬才能覆蓋體現(xiàn)信號(hào)絕大部分能量的諧波足夠的帶寬才能覆蓋體現(xiàn)信號(hào)絕大部分能量的諧波 ！被測信號(hào)被測信號(hào)頻譜頻譜頻率頻率足夠的帶寬足夠的帶寬頻譜頻譜頻率頻率帶寬不夠帶寬不夠精確的復(fù)現(xiàn)波形精確的復(fù)現(xiàn)波形觀察到失真的波形觀察到失真的波形trtr示波器帶寬對(duì)信號(hào)測試的影響示波器帶寬對(duì)信號(hào)測試的影響使上升時(shí)間變緩使使上升時(shí)間變緩使幅度衰減，因?yàn)樗シ人p，因?yàn)樗p器和放大器，并減器和放大器，并考慮到探頭及附件考慮到探頭及附件數(shù)字信號(hào)的帶寬數(shù)字信號(hào)的帶寬* 來源：High-Speed Digital Design:

7、 A Handbook of Black Magic, Howard Johnson and Martin Graham, Prentice Hall, 1993 (ISBN:0133957241) 數(shù)字信號(hào)的能量絕大部分集中在轉(zhuǎn)折頻率數(shù)字信號(hào)的能量絕大部分集中在轉(zhuǎn)折頻率(Fknee*) 以下，以下， 這個(gè)轉(zhuǎn)這個(gè)轉(zhuǎn)折頻率也稱為數(shù)字信號(hào)的帶寬折頻率也稱為數(shù)字信號(hào)的帶寬BWsignal BWsignal=0.5/Tr Tr為為10%到到90%的上升沿時(shí)間的上升沿時(shí)間 BWsignal=0.4/Tr Tr為為20%到到80%的上升沿時(shí)間的上升沿時(shí)間示波器的頻響方式示波器的頻響方式 不同頻響類型的不同

8、頻響類型的1 GHz 帶寬帶寬, 4 G采樣率的示波器的比較采樣率的示波器的比較與平坦響應(yīng)相比較，高與平坦響應(yīng)相比較，高斯響應(yīng)在通帶內(nèi)具有更斯響應(yīng)在通帶內(nèi)具有更多的誤差多的誤差-3dB 1 GHz平坦響應(yīng)示波器平坦響應(yīng)示波器高斯響應(yīng)示波器高斯響應(yīng)示波器評(píng)估所需的示波器帶寬評(píng)估所需的示波器帶寬確定信號(hào)的最快上升沿時(shí)間Tr計(jì)算信號(hào)的帶寬BWsignal BWsignal = 0.5 / Tr (10% to 90% 閾值) BWsignal = 0.4 / Tr (20% to 80% 閾值)根據(jù)上升時(shí)間測量精度要求，計(jì)算出示波器的帶寬 BWscope 誤差要求 高斯響應(yīng)示波器BWscope 平坦

9、響應(yīng)示波器BWscope 20% 1.0 Bwsignal 1.0 Bwsignal 10% 1.3 Bwsignal 1.2 Bwsignal 3% 1.9 Bwsignal 1.4 Bwsignal 示波器的頻響方式與上升時(shí)間測量精度示波器的頻響方式與上升時(shí)間測量精度對(duì)于信號(hào)上升時(shí)間的精確測量（誤差小于對(duì)于信號(hào)上升時(shí)間的精確測量（誤差小于15%），平坦響），平坦響應(yīng)示波器優(yōu)于同等帶寬的高斯響應(yīng)示波器應(yīng)示波器優(yōu)于同等帶寬的高斯響應(yīng)示波器13GHz bandwidth = 406uV/p-p = 4.3mV10GHz bandwidth= 365uV/p-p = 3.6mV6GHz bandw

10、idth= 278uV/p-p = 2.8mV示波器的底噪與帶寬相關(guān)，帶寬越大，噪聲電平越高！示波器的底噪與帶寬相關(guān)，帶寬越大，噪聲電平越高！示波器帶寬不是越大越好示波器帶寬不是越大越好探頭帶寬探頭帶寬 示波器帶寬示波器帶寬 和頻響和頻響采樣率采樣率探頭連接探頭連接 部分帶寬部分帶寬 示波器測試系統(tǒng)帶寬可以看作是多個(gè)環(huán)節(jié)決定的鏈路響應(yīng)，整示波器測試系統(tǒng)帶寬可以看作是多個(gè)環(huán)節(jié)決定的鏈路響應(yīng)，整個(gè)鏈路中的最薄弱的環(huán)節(jié)限制了的整個(gè)測量系統(tǒng)的帶寬性能。個(gè)鏈路中的最薄弱的環(huán)節(jié)限制了的整個(gè)測量系統(tǒng)的帶寬性能。示波器測試系統(tǒng)的帶寬示波器測試系統(tǒng)的帶寬 利用采樣電路將被測電信號(hào)等間隔的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，以便存儲(chǔ)

11、和利利用采樣電路將被測電信號(hào)等間隔的轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，以便存儲(chǔ)和利用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行處理。用計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行處理。 A/D是是“模擬世界模擬世界” 到到“數(shù)字世界數(shù)字世界”的核心的核心 為了能夠精確的重建波形，采樣速率必須要大于信號(hào)最高頻率的為了能夠精確的重建波形，采樣速率必須要大于信號(hào)最高頻率的2倍，倍，即滿足柰奎斯特采樣定律即滿足柰奎斯特采樣定律二、數(shù)字示波器的采樣二、數(shù)字示波器的采樣精密電阻鏈精密電阻鏈256級(jí)比較級(jí)比較參考參考電壓電壓輸入輸入信號(hào)信號(hào)地地256到到8譯碼器譯碼器輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)數(shù)字示波器通常使用高速數(shù)字示波器通常使用高速Flash AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器數(shù)字示波器的數(shù)字示波器的AD

12、轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器特點(diǎn)：很高的實(shí)時(shí)采樣速率（幾到幾十GSa/s)通常為8bit的采樣分辨率 不同頻響類型的不同頻響類型的1 GHz 帶寬帶寬, 4 G采樣率的示波器的比較采樣率的示波器的比較與理想磚墻響應(yīng)相比與理想磚墻響應(yīng)相比較，高斯響應(yīng)在通帶較，高斯響應(yīng)在通帶內(nèi)具有更多的誤差內(nèi)具有更多的誤差高斯響應(yīng)允許超過奈奎斯特頻高斯響應(yīng)允許超過奈奎斯特頻率以上的成分也被采樣，會(huì)造率以上的成分也被采樣，會(huì)造成混疊誤差成混疊誤差(Wobble)-3dB 1 GHz平坦響應(yīng)示波器平坦響應(yīng)示波器高斯響應(yīng)示波器高斯響應(yīng)示波器采樣速率的選擇采樣速率的選擇示波器帶寬與采樣速率示波器帶寬與采樣速率確定信號(hào)的最快上升沿時(shí)間Tr

13、計(jì)算信號(hào)的帶寬BWsignal BWsignal = 0.5 / Tr (10% to 90% 閾值)或BWsignal = 0.4 / Tr (20% to 80% 閾值)根據(jù)上升時(shí)間測量精度要求，計(jì)算出示波器的帶寬 BWscope 誤差要求 高斯響應(yīng)示波器BWscope 平坦響應(yīng)示波器BWscope 20% 1.0 BWsignal 1.0 BWsignal 10% 1.3 BWsignal 1.2 BWsignal 3% 1.9 BWsignal 1.4 BWsignal 根據(jù)示波器響應(yīng)類型，計(jì)算出示波器的采樣速率SRscope高斯響應(yīng)示波器SRscope平坦響應(yīng)示波器SRscope4.

14、0 BWsignal 2.5 BWsignal 1.實(shí)時(shí)采樣(Real Time) 2.等效時(shí)間采樣(Equivalent Time) 3.順序采樣(Sequential Sampling)數(shù)字示波器的采樣模式數(shù)字示波器的采樣模式 用于重復(fù)或單次信號(hào)的采樣 所有樣點(diǎn)的采集通過一次觸發(fā)完成 前一次觸發(fā)的采樣點(diǎn)被覆蓋 采樣率可能限制示波器的總體帶寬 最佳的分辨率直接取決于采樣率EachTriggerIdentical1.實(shí)時(shí)采樣技術(shù)實(shí)時(shí)采樣技術(shù)實(shí)時(shí)采樣技術(shù)實(shí)時(shí)采樣技術(shù)在使用示波器觀察波形時(shí)，實(shí)際采樣率可能會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于示波器標(biāo)稱的最大采樣速率實(shí)際采樣率會(huì)受到時(shí)基設(shè)置與存儲(chǔ)深度的影響（后面詳細(xì)討論）采樣

15、率下降會(huì)造成示波器系統(tǒng)帶寬的下降系統(tǒng)帶寬 = min（前端模擬帶寬, 采樣率決定的數(shù)字帶寬）當(dāng)采樣率當(dāng)采樣率SR 4 * BWscope時(shí)并沒有顯著效果時(shí)并沒有顯著效果 高于高于4倍帶寬的采樣率，并不能提高測試快信號(hào)與毛刺的能力倍帶寬的采樣率，并不能提高測試快信號(hào)與毛刺的能力 過高的采樣率，反而會(huì)浪費(fèi)寶貴的存儲(chǔ)資源過高的采樣率，反而會(huì)浪費(fèi)寶貴的存儲(chǔ)資源前端硬件前端硬件A/DSR 4*BWA/DSR = 4*BW在在ADC采樣前，毛刺采樣前，毛刺已經(jīng)被濾除已經(jīng)被濾除采樣率不是越高越好采樣率不是越高越好只用于重復(fù)信號(hào)的采樣之前觸發(fā)得到的采樣點(diǎn)仍然保持經(jīng)過多次觸發(fā)事件重構(gòu)信號(hào)的波形采樣率不是最主要的

16、因素觸發(fā)硬件決定了最大的分辨率1st Trigger2nd Trigger3rd Trigger2. 等效時(shí)間（重復(fù)）采樣技術(shù)等效時(shí)間（重復(fù)）采樣技術(shù)Acq #1Acq #2Acq #3Acq #200等效時(shí)間采樣的波形重建過程等效時(shí)間采樣的波形重建過程3. 順序采樣技術(shù)順序采樣技術(shù) 只用于重復(fù)信號(hào) 每次觸發(fā)只捕獲一個(gè)采樣點(diǎn) 通過多次觸發(fā)事件重構(gòu)信號(hào)波形 通常用于帶寬大于10GHz的采樣示波器中 沒有觸發(fā)點(diǎn)之前的信息1st Trigger2nd Trigger3rd Trigger三、數(shù)字示波器的存儲(chǔ)三、數(shù)字示波器的存儲(chǔ)每一個(gè)采樣點(diǎn)必須存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器，以便后續(xù)的處理和顯示更深的存儲(chǔ)深度可以存儲(chǔ)更

17、多的采樣點(diǎn)捕捉更長時(shí)間數(shù)據(jù)意味如果需要保持采樣率就需要保存更多的采樣點(diǎn)示波器的存儲(chǔ)深度是指每個(gè)通道每個(gè)通道可以存儲(chǔ)的數(shù)字化的點(diǎn)數(shù)14 16 43 122 176 232 231 229 228Scope Memory10s2G100M1G10M1M100K采樣率采樣率 (Sa/s)1us100us1ms10us100ms1s10ms100kB8MB10kB采樣速率和時(shí)間窗口的關(guān)系采樣速率和時(shí)間窗口的關(guān)系時(shí)間長度時(shí)間長度 = 存儲(chǔ)深度存儲(chǔ)深度 x 采樣周期采樣周期 或或 時(shí)間長度時(shí)間長度 = 存儲(chǔ)深度存儲(chǔ)深度 采樣速率采樣速率由于有限的存儲(chǔ)深度，采樣率在測量由于有限的存儲(chǔ)深度，采樣率在測量“長長

18、”信號(hào)時(shí)會(huì)下降，從而影響示信號(hào)時(shí)會(huì)下降，從而影響示波器的系統(tǒng)帶寬。波器的系統(tǒng)帶寬。計(jì)算需要的存儲(chǔ)深度 對(duì)于重復(fù)周期 2ms，上升時(shí)間為2ns （10%90%）的脈沖信號(hào)，希望觀測至少一個(gè)整周期的脈沖，問至少需要多大的存儲(chǔ)深度？2ns2ms1. BWsignal = 0.5 / 2ns = 250MHz2. BWscope = 1.9 x 250MHz 500MHz 3. SR = 4 x 500M 2GSa/s 4. 存儲(chǔ)深度存儲(chǔ)深度 = 2ms x 2GSa/s = 4Mpts 存儲(chǔ)存儲(chǔ)深度深度4M，標(biāo)稱采樣率，標(biāo)稱采樣率4GSa/s，實(shí)際采樣率，實(shí)際采樣率2GSa/s 存儲(chǔ)深度對(duì)測試的影響

19、 存儲(chǔ)存儲(chǔ)深度深度8K，標(biāo)稱采樣率，標(biāo)稱采樣率4GSa/s，實(shí)際采樣率，實(shí)際采樣率4MSa/s 不同示波器觀測同樣的信號(hào)，波形長度不同示波器觀測同樣的信號(hào)，波形長度 2ms展開展開展開展開同樣存儲(chǔ)深度下，快時(shí)基還是慢時(shí)基？同樣存儲(chǔ)深度下，快時(shí)基還是慢時(shí)基？ time base = 1us/Div10 us1 us10 mstime base = 1ms/Div10ms1us 毛刺毛刺快時(shí)基快時(shí)基:觀察毛刺觀察毛刺慢時(shí)基慢時(shí)基:觀察長時(shí)間的波形觀察長時(shí)間的波形 Digitized Waveform Sample Rate慢時(shí)基設(shè)置使采樣率降低慢時(shí)基設(shè)置使采樣率降低低采樣率意味著可能遺漏信息低采樣

20、率意味著可能遺漏信息慢時(shí)基下可能會(huì)遺漏信息慢時(shí)基下可能會(huì)遺漏信息 峰值檢測峰值檢測(Peak Detect)能夠捕獲采樣點(diǎn)之間的毛刺能夠捕獲采樣點(diǎn)之間的毛刺 Digitized WaveformMax Sample Clockl 保持高的采樣率，采樣率與時(shí)鐘設(shè)置無關(guān)保持高的采樣率，采樣率與時(shí)鐘設(shè)置無關(guān)l 檢測最大值和最小值檢測最大值和最小值l 每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)保存每個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)保存2個(gè)點(diǎn)個(gè)點(diǎn)峰值檢測技術(shù)峰值檢測技術(shù)分段存儲(chǔ) Segment Memory將波形分多次采集依次存放在存儲(chǔ)器里，可以長時(shí)間記錄只感興趣的部分，然后可以回放和分析，依此節(jié)省寶貴的存儲(chǔ)資源。 舉例： - 脈沖信號(hào) - 塊傳輸（

21、Burst）數(shù)據(jù)信號(hào) - 深存儲(chǔ)的目的深存儲(chǔ)的目的在捕獲更長時(shí)間記錄時(shí)仍保持高的采樣率。更高采樣率意味著 更精確的重建信號(hào)波形 樣點(diǎn)間更好的分辨率 有更大幾率捕獲毛刺或異常事件捕獲更長時(shí)間記錄可以放大波形觀察波形細(xì)節(jié)深存儲(chǔ)在下面兩個(gè)應(yīng)用中特別重要 模數(shù)混合信號(hào)應(yīng)用 串行通信應(yīng)用深存儲(chǔ)帶來的負(fù)面影響深存儲(chǔ)帶來的負(fù)面影響 波形更新率較慢 面板響應(yīng)時(shí)間較慢 波形捕獲的死區(qū)時(shí)間增加 “死區(qū)時(shí)間”內(nèi)的信息被錯(cuò)過深存儲(chǔ)示波器如何解決死區(qū)時(shí)間問題深存儲(chǔ)示波器如何解決死區(qū)時(shí)間問題在采樣系統(tǒng)中內(nèi)建自定義ASIC硬件：安捷倫的MegaZoom技術(shù) 一半用于存儲(chǔ)當(dāng)前的數(shù)字化波形 另外一半一半用于顯示前一個(gè)采集波形M

22、egaZoom 是一個(gè)存儲(chǔ)管理工具乒乓采樣存儲(chǔ)沒有特殊模式 始終打開始終快速這種技術(shù)使得在采樣之間具有最小的死區(qū)時(shí)間并且沒有處理瓶頸，加這種技術(shù)使得在采樣之間具有最小的死區(qū)時(shí)間并且沒有處理瓶頸，加快了波形更新速率及面板響應(yīng)速度快了波形更新速率及面板響應(yīng)速度A/DMegaZoom 專利芯片專利芯片深采集深采集存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器示波器示波器CPU深采集深采集存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器示波器示波器 顯示顯示示波器示波器顯示顯示示波器示波器CPUMegaZoom 深存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)圖深存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)圖第一代深存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)圖第一代深存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)圖A/D采集的數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)全部全部送到送到CPU，造成造成 瓶頸瓶頸。瓶瓶 頸頸協(xié)同處理協(xié)同處理MegaZoom 自動(dòng)優(yōu)化采樣速率，自動(dòng)優(yōu)化采樣速率，只傳送需要的波只傳送需要的波形數(shù)據(jù)形數(shù)據(jù): 刷