示波器基础

2019-11-13来源: eefocus关键字:示波器  测试分析工具  带宽

1 背景

 

    现代电子设计面临越来越多的挑战。在数字领域,电路的集成规模越来越大,IO数量越来越多,单板互连密度不断加大;同时芯片内和芯片外时钟速率越来越高,信号边沿越来越快;新技术不断出现,如:PCIe3,SATA3,USB3.0,HDMI,Fibre Channel,RapidIO,MHL,10G~28G高速背板等,这样系统和板级的高速问题,信号完整性问题,电磁兼容问题更加突出。在射频、微波领域,新技术的出现、频宽的扩展,如:UWB,高精度、宽频雷达,给我们的系统设计带来越来越多的挑战。


    示波器作为最常用的测试分析工具,也得到了长足的发展。示波器的发展有两个趋势,其一是性能的提升。自从Agilent在20世纪80年代推出数字示波器后,数字示波器不断发展,从上百兆发展到上千兆,再发展到6GHz带宽、20GSa/s的采样率,一直到现在的几十GHz带宽、几百GSa/s实时采样速率的超高性能示波器,示波器的性能上获得了跳跃的发展。另一方面,随着Windows操作系统在示波器上的应用,示波器的可用性和软件分析能力也获得了巨大的发展,比如现在的示波器大多采用开放的Windows7操作系统,配备多种测试分析软件,如:抖动测试分析软件,串行数据测试分析软件,PCIe等一致性测试分析软件,能够把示波器的分析从时域扩展到频域、解调域、数字域的矢量信号分析软件89601B等,这成为数字示波器的另一发展趋势。

 

2 数字示波器硬件架构

 

   下面以安捷伦的90000A系列数字示波器为例,介绍数字示波器的硬件架构原理。

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图1  数字示波器内部结构图

 

   图1是数字示波器内部结构图。示波器内部结构主要包括如下几个部分:

      1、信号调理部分:主要由衰减器和放大器组成;

      2、采集和存储部分:主要由模数转换器ADC,内存控制器和存储器组成;

      3、触发部分:主要由触发电路组成;

      4、软件处理部分:由一台计算机组成。

 

    信号进入示波器后,先要进行衰减,再进行放大,这是为什么呢?

    原来,衰减器是可调衰减器,当衰减比调节的较大时,让我们能够测试大幅度的信号,当衰减比调节的较小或0dB衰减时,通过放大器的放大作用,使得我们可以测试小幅度的信号。我们平时调节示波器的垂直灵敏度,实际上就是调节衰减器的衰减比(也有示波器的衰减器与放大器联动,粗调是衰减器工作,微调是放大器工作,达到更好的信号调理结果)。


    通过信号调理电路使得信号能够较理想的让ADC进行模数转换,反映在示波器屏幕上就是尽量显示的波形能够达到屏幕的2/3以上(但是不要超出屏幕)。


    放大器一方面是对信号进行放大(偏置调节也是通过放大器来实现的),另一方面是提供匹配电路去驱动ADC和触发电路,放大器决定了示波器的模拟带宽,这是示波器的第一重要指标。


    信号经过ADC后,需要先把点存在存储器里,设置的存储器存满了,再把样点传递到计算机,这是为什么呢?


    原来,ADC的采样速率比较高(比如每秒20G样点),每个样点用8bits来表示(现代的数字示波器的ADC通常都是8位),ADC后面的总线带宽就达到 160Gbps,这是不可能实时把样点传递到计算机的。所以需要采用Block的工作方式,先把点存起来,存满后再慢慢的把数据传递到计算机,而且这个时间一般相对采集时间较长,所以数字示波器的死区时间还是比较大的(一般可达95%以上)。那么如何保证示波器捕获我们感兴趣的信号呢?这就要靠触发,通过触发来解决采集和传输的矛盾。


    示波器的第二重要指标由ADC决定,就是实时采样速率。第三重要指标是存储深度,由内存控制器和存储器决定。第四重要指标是触发能力,由触发电路决定。

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图2  90000A系列示波器信号采集板

 

    图2是安捷伦90000A系列示波器的捕获板(90000A示波器包括2块捕获板)。信号通过SMA同轴电缆连接到捕获板的前端上,前端包括衰减器、放大器和一部分触发电路,这些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端电路驱动两颗ADC芯片,每颗ADC芯片的采样速率是20GSa/s,两颗采用交叉采集达到40GSa/s的采样速率。ADC后面是内存控制器IDA,做数据存储分配和一些运算,如幅度、相位补偿,触发抖动补偿,时间相关运算,FFT运算等。IDA通过PCI Express总线与计算机相连。


    那么数据传递到计算机后,还要做哪些处理呢?图3是计算机处理结构框图。

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图3  示波器的计算机数据处理结构图

 

采集的数据传递到计算机后,先要进行Sin(x)/x正弦内插,或线性内插进行波形的重建,重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等。最终的结果或原始的样点都可以直接显示到屏幕上。


对选择和使用示波器来说,带宽和采样率是最关键的指标,那么该如何量化计算带宽和采样速率呢?请参考表1。


表1  选择示波器的带宽和采样速率的量化标准

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3 示波器带宽和频响

 

    我们所说的示波器的模拟带宽指的是前置放大器的带宽。示波器的带宽是这样定义的,放大器的频响曲线滚降到-3dB处的频点,就是示波器的-3dB带宽,简称带宽。所以一台6GHz带宽的示波器测量一个6GHz的正弦波,幅度一定会降低到-3dB(约降低30%)。而且,你会发现不仅仅在带宽处会降低幅度,低于带宽处也可能会影响幅度。为此,现代高带宽数字示波器主要有两种频响方式,如图5所示,一种是传统的高斯频响方式,一种是Flat频响方式。传统的高斯频响方式,在-3dB带宽内对信号频谱有一定的影响,在-3dB带宽外,会拖出一个较长的尾巴,这样使得后面的ADC需要更高的采样率才能确保不发生频率混叠。Flat频响方式有一定的改进,在-3dB带宽内对信号的频谱幅度影响相对较小,而在-3dB带宽外,留的尾巴相对较少,当然Flat频响还不能达到砖墙频响的理想境界,但是已经是很大提高了。

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图4  传统示波器的高斯频响方式与Infiniium示波器的Flat频响方式

 

    那么,测试数字信号或脉冲应该选择多高带宽的示波器呢?这首先么考虑被测数字信号或脉冲的带宽,被测数字信号或脉冲的带宽主要由其边沿决定,计算公式是:

信号带宽BWsignal=0.5/Tr(10%~90%)或BWsignal=0.4/Tr(20%~80%)

参考:Howard Johnson and Martin Graham, "High-Speed Digital Design: A Handbook of Black Magic", Prentice Hall, 1993 (ISBN:0133957241)第13页,文中用Fknee表示信号的带宽,图5是从里面拷贝过来的。

示波器基础

 

图5  数字信号或脉冲的Fknee频率计算或其带宽计算

 

    那么示波器需要多高的带宽才能把Fknee频率以内的信号都捕获到呢?对高斯频响,因为-3dB带宽内对频谱有一定的影响,为捕获Fknee频率以内的信号,需要2倍Fknee频率以上的带宽(或信号带宽的2倍以上)才能保证很小的频谱误差,保证很小边沿误差。对Flat频响示波器,因为-3dB带宽内影响相对较小,则示波器带宽需要为信号带宽或Fknee频率1.4倍以上。

 

4 模数转换器ADC的采样和波形重建

 

    ADC采样是数字示波器里非常关键的部分,足够的采样率也是保证示波器信号保真度的关键之一。那么实时捕获数据时需要多高的采样率呢?示波器如何准确进行波形重建呢?这要从Nyquist采样定理谈起。


    一个连续时间信号x(t)经过理想采样以后,它的频谱将沿着频率轴从ω=0(图6上W代表字符ω)开始,每隔一个采样频率ωs重复出现一次(当然还有乘以一个常数1/T),即频谱产生了周期延拓。如图6所示,理想采样信号的频谱是频率的周期函数,它的频域周期等于采样频率ωs。这种频谱周期重复现象我们也可以从脉冲调制的角度得到解释,由于脉冲序列M(t)具有相等大小的各阶谐波分量,因而当M(t)被x(t)调制以后,x(t)的频谱就被调制到M(t)的各阶谐波上,出现基带的频谱搬移。X’(jω)正是这些频谱的总合。

示波器基础

 

图6  ADC采样,频谱周期延拓

 

    从图6上可以看出,如果x(t)是个实带限信号,并且最高频谱不超过ωs/2,那么,在理想采样信号的频谱中,基带频谱以及各次谐波调制频谱彼此是不重叠的。如果用一个带宽为ωs/2的理想低通滤波器是可以将各次调制频谱滤掉的,从而只保留不失真的基带频谱,也就是说,可以不失真的还原出原来的连续时间信号来。设想理想低通滤波器的频率特性为:

G(jω)=T(当|ω|<ωs/2),G(jω)=0(当|ω|>=ωs/2)

   则理想低通滤波器输出信号y(t)的频谱为:

Y(jω)=X’(jω)G(jω)=X(jω)

   因此,在理想低通滤波器的输出端就可恢复原连续时间信号:

y(

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关键字:示波器  测试分析工具  带宽 编辑:什么鱼 引用地址:http://news.2689mr.com/Test_and_measurement/ic479790.html 本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。

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