選擇合適的示波器進行高速電路調(diào)試和驗證

1. 通道數(shù)限制：當(dāng)使用不同通道時帶寬不同，3通道或4通道使用時僅僅提供6GHZ帶寬，ADC采樣率也有限制。

2. 頻譜“拼接”錯誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個頻率“拼接”點都有明顯的非線性，當(dāng)被測信號的頻譜分量在該區(qū)域時，示波器時域顯示的波形會出現(xiàn)波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術(shù)需要軟件處理和“拼接”數(shù)字頻域的波形，數(shù)據(jù)量比較大時波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制：當(dāng)DBI打開時，雖然單通道帶寬和ADC提升，但是觸發(fā)系統(tǒng)的帶寬無法通過DBI技術(shù)提升，最大僅為800MHZ，另外示波器的外參考輸入，垂直靈敏度的精細調(diào)整等功能都會由于DBI打開而受限。

數(shù)字存儲示波器在觸發(fā)系統(tǒng)上也有很大的進步。從結(jié)構(gòu)框圖上可以看到，數(shù)字示波器的觸發(fā)系統(tǒng)是完全獨立的一個以模擬電路為主的電路。高性能的觸發(fā)系統(tǒng)好比是照相機的快門，可以幫助測試人員準(zhǔn)確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點，數(shù)字存儲示波器可配備毛刺觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、過渡時間、通訊觸發(fā)、串行觸發(fā)、窗口觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、碼型出發(fā)和總線觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式。泰克的Pinpoint?觸發(fā)系統(tǒng)是當(dāng)前全業(yè)界最先進的觸發(fā)系統(tǒng)，在邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)中使用完全的SiGe技術(shù)，所以觸發(fā)靈敏度都可到達到很高的水平，例如TDS6124C這款儀器，邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)的靈敏度都可以同時達到 3div@9GHz。這個雙觸發(fā)系統(tǒng)輔以觸發(fā)延遲設(shè)置和觸發(fā)重置，幾乎可以不受限制地設(shè)置觸發(fā)模式。

數(shù)字存儲示波器有了這些特性，在帶寬性能可以遠高于較模擬實時示波器；在觸發(fā)和采樣的配合下，數(shù)字存儲示波器對單次信號（低重復(fù)概率信號）的捕獲能力有巨大提升；對于信號的測試和分析能力也今非昔比……但是，在增強了對單次信號的捕獲、分析能力以后，也引入了難以避免的弱點，這主要體現(xiàn)在波形捕獲率和單調(diào)的顯示能力上。以下我們來說明一下這些弱點：

數(shù)字存儲示波器的結(jié)構(gòu)上已經(jīng)決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經(jīng)過調(diào)理，進入ADC采樣；ADC的采樣數(shù)據(jù)在觸發(fā)系統(tǒng)的控制下送入采集內(nèi)存；采集內(nèi)存存滿以后，波形數(shù)據(jù)被送到計算機系統(tǒng)；微處理器根據(jù)用戶需求，對這些數(shù)據(jù)進行處理、計算、分析；最后波形和分析結(jié)果被顯示在顯示器上（滾動模式下工作流程略有不同，這里不做詳細描述）。在這個過程中：從信號調(diào)理、觸發(fā)監(jiān)控到ADC采樣，幾乎是實時的，不會影響工作效率；而數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯接嬎銠C系統(tǒng)、微處理器的處理、計算過程、最終的顯示，都會因為示波器的構(gòu)架不同而影響其實時性。其中最關(guān)鍵的部分是微處理器的處理過程。我們都知道，流行的示波器采樣率都會在每秒數(shù)十吉（GS/s），沒有任何一個通用的微處理器可以實時處理這樣的數(shù)據(jù)流，所以示波器微處理器的處理方式只能是“抓取一段、慢慢處理、控制顯示”，然后重復(fù)。這樣，在其“慢慢處理”的時間中，示波器將不能監(jiān)視波形，這也就是我們所說的“死區(qū)時間”，在死區(qū)時間內(nèi)發(fā)生的事件，是不會顯示在屏幕上的。為了衡量數(shù)字存儲示波器的死區(qū)時間占到總觀測工作時間的比例，我們引入“波形捕獲率”的概念，也就是示波器可以連續(xù)提供的每秒種內(nèi)捕獲并顯示的波形個數(shù)。此處的“波形”指一次觸發(fā)采集的全部信息。試驗證明，業(yè)界波形捕獲率最高的高性能（帶寬1GHz以上）數(shù)字存儲示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時間大約占到總觀測時間的1～2％，也就是說：全部信號的98％以上的細節(jié)，因示波器的死區(qū)時間而漏失掉了。

每個工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會考慮到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形細節(jié)——舉個例子，如果您觀測的信號里存在一種平均1秒發(fā)生一次的故障，那么數(shù)字存儲示波器1秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)這個故障的概率只有不到2％，15秒內(nèi)發(fā)現(xiàn)的概率也只有大約26％。而事實上，由于開發(fā)時間緊迫，一般工程師觀測一個信號的時間都不會超過10秒——結(jié)果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個故障并進行有效調(diào)試。

幾乎所有的示波器廠商都意識到數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低這種缺陷，并且開發(fā)出了很多提高示波器速度的方法。但是，無論在數(shù)據(jù)從采集內(nèi)存?zhèn)鞯轿⑻幚砥鲿r使用兩對1.25Gbps的千兆以太網(wǎng)鏈路的構(gòu)架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點顯示的加速技術(shù)，都未能從最根本的問題上解決吞吐率的問題——串行的構(gòu)架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結(jié)構(gòu)、解放微處理器，才是解決問題的關(guān)鍵。

在這個方面，泰克公司走在了行業(yè)的最前面，從一開始就著手于串行構(gòu)架的改造。從上世紀(jì)90年代中期的InstaVu?到2006年初的實時DPO，基于并行構(gòu)架的第三代示波器：數(shù)字熒光示波器，從出現(xiàn)逐漸走向成熟。下圖是DPO數(shù)字熒光示波器的結(jié)構(gòu)圖：

圖3:數(shù)字熒光示波器結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)可以看出，DPO數(shù)字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數(shù)據(jù)的存儲、光柵化和統(tǒng)計處理以生成三維數(shù)據(jù)庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導(dǎo)入顯存。在這種構(gòu)架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數(shù)據(jù)處理過程中充當(dāng)瓶頸。

DPO 數(shù)字熒光示波器的并行結(jié)構(gòu)從根本上解決了DSO數(shù)字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴(yán)重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實時數(shù)字熒光示波器的波形捕獲率可以達到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數(shù)字熒光示波器更可超過300000wfm/s，捕獲波形占總體信號的比例也最高可達60％（連續(xù)提供）；而且新一代的DPX采集也沒有了上一代“準(zhǔn)實時熒光示波器” 的最高1.25G實時采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進一步增強，是現(xiàn)在業(yè)界發(fā)現(xiàn)問題的最佳工具。下圖是三家不同廠商的同等級示波器同時觀測一個帶有偶發(fā)故障（約一秒鐘發(fā)生一次）的時鐘，15秒以后的情況?？梢钥吹?，在前面兩種示波器幾乎沒有發(fā)現(xiàn)任何問題的時候，泰克的數(shù)字熒光示波器（右圖）卻捕獲到了此間發(fā)生的多次故障，差別一目了然。

圖4: 對同一個信號觀察相同時間，DPO發(fā)現(xiàn)更多波形行為

DPX 生成三位數(shù)據(jù)庫在顯示上也有巨大優(yōu)勢。這種由硬件緩沖器記錄的數(shù)據(jù)庫可以保存波形的幅度、時間和隨時間變化的幅度（即各點信號出現(xiàn)的頻度）信息，無論在累計速度還是緩沖器深度（每點26bit）上都遠遠超過其它廠商的軟件生成的數(shù)據(jù)庫。由此三位數(shù)據(jù)庫生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級等方式，同時告知用戶幅度、時間和信號出現(xiàn)的概率信息，效果非常類似模擬示波器。

數(shù)字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當(dāng)?shù)牟ㄐ尾东@率和顯示方式，對重復(fù)信號和有重復(fù)特性的信號（如數(shù)字信號、串行通信信號）的捕獲和觀測能力大大超越傳統(tǒng)數(shù)字存儲示波器，能顯著提高調(diào)試和驗證的效率。同時，數(shù)字熒光示波器也具有數(shù)字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構(gòu)架的優(yōu)勢，數(shù)字熒光示波器在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面領(lǐng)先于數(shù)字存儲示波器。

如何使用數(shù)字熒光示波器進行高效的電路調(diào)試和驗證，我們將在下兩章著重介紹。

第二章 使用實時數(shù)字熒光示波器進行調(diào)試——發(fā)現(xiàn)問題、定位問題、分析問題

調(diào)試（Debug）的任務(wù)，是要檢查設(shè)計中存在的問題：改正電路中的錯誤，消除設(shè)計里的缺陷，使設(shè)計達到預(yù)期的功能，并優(yōu)化電路。

調(diào)試的一般過程，我們可以把它歸納為：發(fā)現(xiàn)問題——定位問題——分析問題——解決問題。萬用表、示波器、邏輯分析儀等儀表都是重要的調(diào)試觀察工具。

使用示波器進行調(diào)試，準(zhǔn)確、快捷、使用方便是每個使用者的要求。選用合適的工具來工作，可以起到事半功倍的效果。