數(shù)字存儲示波器迎接定時和抖動的挑戰(zhàn)

——在生產(chǎn)設(shè)計涉及快速信號而且時間緊迫的情況下，工程師有準確的儀器和良好的故障排除工具是非常重要的。為迎接這種挑戰(zhàn)，示波器生產(chǎn)商提供了既有高精確基本特性又有先進解決問題能力的儀器。數(shù)字示波器的基本任務(wù)是為使用者捕捉、觀察和分析信號，以及提供排除故障的工具。在選擇示波器時使用者要考慮觸發(fā)性能、帶寬、取樣率和采集存儲器長度。

——觸發(fā)

——許多高性能示波器裝有觸發(fā)器，能夠區(qū)別變化率、毛刺和低脈沖的問題。如果使用者處理的是高速信號，則理想的示波器可由快速事件觸發(fā)。最快的觸發(fā)電路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。

——當(dāng)電路情況尚未清楚時，使用非常快速的觸發(fā)并將數(shù)據(jù)全部存入顯示屏的長余輝圖形。使用者能觀察到可能引起錯誤的事件類型，并設(shè)置觸發(fā)去捕捉這些事件。

——如果使用者知道正常信號應(yīng)有的波形，則使用者只要在信號出現(xiàn)異常定時特性時觸發(fā)。

——帶寬和取樣率

——示波器帶寬和取樣率對精確信號捕捉是重要的。對定時測量來說，兩種特性中取樣率通常更為重要。

——數(shù)字示波器在一個信號周期中最少應(yīng)捕捉八個樣本，才能進行精確的定時測量。精密測量可能需要更高的比率。

——前端放大器要有足夠的帶寬去跟蹤信號的最高帶寬成分。對于上升時間350ps的電路來說，放大器具有350ps本征上升時間的1GHz示波器就足夠了。所有時鐘邊沿的上升時間將會同樣降低，但不會影響它們的相對定時。

——應(yīng)該選用更高帶寬的儀器去測量1GHz以上的噪聲效應(yīng)，同時應(yīng)該認識更高帶寬的雙邊沿效應(yīng)。更精確的上升時間要求示波器繪制更精確的帶寬，但是過份的帶寬會使使用者獲得錯誤的結(jié)論。假定微處理器時鐘正在驅(qū)動高速RAM器件的選通輸入，RAM器件將對時鐘邊沿發(fā)生響應(yīng)而不是對高頻噪聲發(fā)生響應(yīng)。在這種情況下，電路響應(yīng)受帶寬限制并忽略掉很高的高頻噪聲。

——寬帶垂直噪聲是邊沿抖動的主要制造者，但使用者不要過份估計垂直噪聲的影響，把超過被測電路和帶寬的噪聲影響也考慮在內(nèi)。因為放大器的寬帶噪聲隨帶寬的開方值增加，使用者應(yīng)保證示波器不會把噪聲和抖動加入到信號中。具有500MHz至幾GHz帶寬的示波器只有幾ps的本征噪聲。

——存儲器深度

——對于復(fù)雜數(shù)據(jù)流的時鐘穩(wěn)定度和定時分析，示波器應(yīng)該有足夠的存儲器在整個數(shù)據(jù)記錄上保持A/D轉(zhuǎn)換器的最高取樣率。如果存儲器不夠，則必需降低A/D轉(zhuǎn)換器的取樣率去捕捉整個信號，或者保持最高取樣率而不能記錄整個信號。

——定時測量

——多種定時測量都要統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效性。使用者不能只測量一次周期至周期的變化就測量出周期抖動。必須進行多次測量以保證一個具有高斯分布的參數(shù)的分布范圍的測量（見附表）。這些分布需要包括多種信號定時變化由寬帶噪聲決定的定時測量。

——高斯分布測量

直分圖事件數(shù) 時鐘周期抖動（б） 100±2.1 1,000±2.9 5,000 ±3.4 10,000 ±3.5 100,000 ±4.1 1,000,000 ±4.6 5,000,000 ±5.1

——參數(shù)測量值，例如空度比誤差要有1，000次測量，獲得最可能的結(jié)果是分布范圍達到±2.9б。捕捉1×106次測量可將數(shù)值范圍擴展到大約9б（±4.6б）。這樣的置信度要高得多，使最壞情況的電路性能得到特征化。

——某些示波器觸發(fā)一次只捕捉到一個參數(shù)值，即使由長的存儲器去捕捉，通常只是屏幕的第一個周期。另一些示波器觸發(fā)一次可捕促到1×106以上的周期并對所有周期都作測量。

——示波器的CPU速度和RAM大小隨型號的不同而不同，沒有必要與價格掛鉤。某些低價示波器有很高的處理能力，而某些高價的示波器的處理能力卻很低。某些示波器用專用DSP去快速運行某些計算，但對另一些計算的運行會很慢。最好在購買示波器之前，先讓示波器進行特定的測量。

——先進的故障排除性能

——多種先進的故障排除工具，特別是尋找定時和抖動問題的工具，現(xiàn)在都裝入示波器內(nèi)。首先是某些示波器具有更快進入觸發(fā)方式的能力，并且將數(shù)據(jù)顯示成余輝圖形，使用者可觀察到大量事件。

——某些示波器使用這些余輝圖數(shù)據(jù)繪制出向量掃跡，它顯示的包絡(luò)是±3б或其它б值，而其它示波器可給出數(shù)據(jù)值的統(tǒng)計表示。它用四個數(shù)字一組來表示，使邊沿的多次采集特征化，用邊沿到達的最先、最后、平均和б值來顯示。

——其它示波器可繪制出表示所有邊沿到達時間的直方圖。多峰直方圖或帶肩直方圖表示除一項噪聲之外，還有其它因素導(dǎo)致定時問題。

——某些示波器還可作出諸如周期——周期抖動、周期至下一周期的空度比變化、脈沖幅度分布等的信號參數(shù)直方圖。由于直方圖內(nèi)容隨示波器型號的不同而不同，工程師應(yīng)考慮哪一種參數(shù)重要而選擇一種含有這種參數(shù)的示波器。在許多情況下需要保持與時間有關(guān)的參數(shù)測量記錄。某些示波器可采用與數(shù)據(jù)采集一樣的時基作出定時參數(shù)的連貫值掃跡。

——上述掃跡跟蹤著信號隨原始數(shù)據(jù)掃跡的定時變動。如果信號的周期、頻率或空度比變化，則跟蹤著抖動的掃跡可顯示出隨這些變化而變化的曲線（見附圖）。

——因為統(tǒng)計數(shù)據(jù)用作證實一個系統(tǒng)是否處在指標之內(nèi)，示波器上的抖動跟蹤曲線是電路故障排除的極好工具。設(shè)計者可迅速確認被測信號的非正常部分的位置并深入尋找失效原因。

——選擇示波器

——每個連續(xù)進行的項目都會遇到更快的信號和更復(fù)雜的問題，所以選擇示波器的最后一個因素是要考慮到未來的應(yīng)用。選擇一個比目前需要的觸發(fā)更快、存儲能力更深和參數(shù)分析能力更強的示波器是很重要的。另外考慮示波器的設(shè)計將來能否增加分析工具和更多RAM。

——當(dāng)選擇示波器作定時和抖動測量時，使用者應(yīng)該盡可能多地了解電路特性。在檢查市售示波器的指標后，選取幾種不同供應(yīng)商的樣品試用?；ㄙM時間用示波器作實際測量和作故障分析是值得的，并且這可保證將來作定時和抖動分析更為精確。