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示波器自动测量参数提供最精确的测量

2018-06-27 16:54 次阅读

与大多数测试工具相同,现代数字存储示波器 (DSO) 一直在不断演进,以满足设计人员和测试工程师的需求,在性能、特性和实用性之间达到平衡。但是,它的三种基本特性——格线、光标、自动测量参数却始终保持不变,因为对于面临着持续增加的产品上市速度压力的设计人员而言,在正确运用的情况下,这些特性具有极其重要的价值。

本文将介绍如何正确使用和运用现代 DSO 的这些基本特性,并提供测量参数的实用定义以供参考。

现代 DSO 的三种必不可少的工具

示波器是一种电压响应测量仪器,包括三种基本测量工具。随着仪器的发展,这些工具也在持续演进。最早的工具是仪器显示屏上的显示格线或栅格。在示波器发展过程中引入的第二种工具是光标或标记。最后增加的第三种工具是测量参数。这些参数都是随着数字示波器的推出而增加的。这些工具没有随着新技术手段的出现而被取代,足以证明它们的实用性。下面我们将逐一介绍这三种工具,帮助您了解使用它们的原因,以及如何充分利用它们。

屏幕格线

最原始的测量技术是使用屏幕上的格线和计算格数。这种方法主要用于快速估算振幅和时间测量值。显示格线或栅格是在示波器上出现的第一种测量工具。波形的测量方法就是记录波形覆盖的栅格数量,然后乘以相应的比例系数。在 Teledyne LeCroy HDO 4104A 上,我们采集了波形,显示了五个周期的正弦波(图 1),我们可为该波形完成测量。

典型示波器显示栅格图片

图 1:典型示波器显示栅格。从通道 1 (C1) 的轨迹描述符读取的垂直比例系数为每格 50 毫伏 (mV),在时基描述符中显示的水平比例系数为每格 100 ns。(图片来源:Digi-Key Electronics)

正弦波轨迹在垂直方向上覆盖六格,乘以每格 50 毫伏 (mV) 的垂直比例系数(见通道 1 描述符方框),即可算出正弦波振幅为 300 mV(峰峰值)。同样,正弦波的周期覆盖了两个水平的栅格,时基描述符方框中的每格为 100 纳秒 (ns),因而周期为 200 ns。计算格数的方法似乎有些原始,但它是进行基本测量的非常快捷的方法。大多数示波器用户都能适应使用这种方法,来验证所要测量波形的基本假设,并保证示波器设置正确。

光标

光标是可由用户放置的显示线,具有关联的振幅和时间读数。光标放置在轨迹上所要测量的点上。光标读数显示振幅、时间以及光标标记线之间的时差(图 2)。

轨迹和显示光标读数字段的 X-Y 光标图片

图 2:轨迹和显示光标读数字段(包括振幅和时间位置)的 X-Y 光标(图片来源:Digi-Key Electronics)

可用的光标类型包括水平线、垂直线以及水平加垂直线。图中所示的光标类型为垂直线,包括由垂直光标线和箭头标记的点的水平和垂直读数。振幅读数显示在每个所示通道的轨迹描述符中。水平读数位于时基和触发描述符方格下方。水平读数显示相对于触发点的绝对光标位置、光标之间的时差 (Dt),以及时差的倒数(频率)。

光标操作延伸到在 X-Y 显示区域上使用。除了光标正常的振幅和时间读数之外,用户还可从 X-Y 显示区域获取矢量角度(从向下箭头到向上箭头的角度)和振幅(从向上箭头到向下箭头的半径)的读数。这些矢量读数显示在 X-Y 显示区域下方。X-Y 显示区域上的相对光标可以读取矢量差,包括误差矢量振幅 (EVM) 和相位角。

X-Y 光标的实用特性是:X-Y 显示区域上的光标位置在 X-T 和 Y-T 分量上跟踪。因此,X-Y 显示区域上的任何异常都可以即时追踪到分量轨迹上的确切点。

测量参数

测量波形的最精确方法是使用示波器提供的自动测量参数(图 3)。

Teledyne LeCroy HDO 4104A 示波器的测量参数图片

图 3:显示最多八个参数读数的 Teledyne LeCroy HDO 4104A 示波器测量参数,包括统计数据和“直方图”。(图片来源:Digi-Key Electronics)

Teledyne LeCroy 4104A 和 WaveSurfer 510 示波器提供 30 多个基本测量值,一次最多可分别显示八个或六个参数。WaveSurfer 3024 有 24 个标准测量值,一次最多显示六个参数。在特定分析选项中,还提供额外的参数。

该示波器针对显示波形的每个周期,对时序参数进行测量。这种功能称为“全实例”测量。振幅参数累加每次采集的单个值。测量表可以显示每个测量参数的最新值,或者通过参数统计,显示所有测量的历史记录。上图显示参数统计处于打开状态。可用参数统计包括平均值、最小值、最大值和标准差。另外还显示参数统计包括的总采集(扫描)次数。它为统计检验奠定了基础。

还可以打开直方图,以显示每个参数的测量值的分布。统计和直方图有助于我们了解参数值在多次测量中的变化。

趋势函数可让我们进一步了解测量值的变化。趋势函数可按照测量的顺序,绘制测量参数值图。垂直轴单位与测量单位相匹配,水平值是测量顺序编号(图 4)。

调频正弦波的瞬时频率趋势图图片

图 4:调频正弦波的瞬时频率趋势图示例。每个周期都测量频率,数学轨迹 F1 中值的绘制顺序按照测量顺序。(图片来源:Digi-Key Electronics)

采集的信号为调频正弦波;信号频率逐周期测量,并在数学轨迹 F1 中绘制为趋势图。趋势图的垂直轴以赫兹 (Hz) 为单位,而水平轴则为测量顺序编号。趋势图可能有 20 至 1,000,000 个点,级数为 1-2-5。这些趋势图与源轨迹同步,但必须绘制相同的点数。

状态图标,例如统计表下方的绿色勾选标记,指示参数计算的状态,包括错误条件。如果没有足够的可用数据,则读数为空白。

这些测量可以设定门限,这样只有在用户定义的测量门限之内的数据才包括在测量中。这种功能在很多应用中是非常有用的,例如在地址和数据信号波形共享相同的信号路径的情况下,对数据总线进行分析。可以设定测量门限,使得测量只针对所需的模式进行。

脉冲测量基于 IEEE 181 标准。该标准规定,脉冲测量必须应用统计分析,以最大程度减少噪声对脉冲波形测量的影响(图 5)。

IEEE 181 标准脉冲测量直方图示例图片

图 5:IEEE 181 标准脉冲测量直方图示例。脉冲直方图将显示两个峰值。这些峰值的平均值决定了脉冲的电压峰值和谷值,从而最大程度地减少噪声的影响。(图片来源:Teledyne LeCroy)。

IEEE 标准规定应绘制波形样本直方图。脉冲直方图将有两个峰值。较高峰值的平均值为脉冲顶部,较低峰值的平均值为脉冲底部。使用这些平均值可以消除噪声对确定脉冲振幅的影响。因此,周期、宽度、过冲、上升时间和下降时间都可以得到更加精确的计算。

如果直方图无法显示两个不同的峰值,则示波器将通过状态图标来指示波形不是脉冲,振幅测量的依据是最大值减去最小值或峰峰值。

其他专门测量基于类似的行业测量标准。

下面还有一个有用的表格,列出了 Teledyne LeCroy HDO 系列示波器的标准参数。该表格对测量参数提供了很好的定义,具有很大的参考价值:

Amplitude/振幅
双峰信号的峰值和谷值之间的差,如果不是双峰信号,则为最大值 - 最小值Area/面积
波形下方的面积Base/基底
双峰波形中较低最可能状态的值Delay/延时
触发与 50% 振幅处第一边沿之间的时间Δ period@level
波形中每个周期的相邻周期偏差(周期之间的周期抖动)Δ time@level
两个波形之间的可选电平之间的时间Duty cycle/占空比
宽度占周期的百分比Duty@level
选定电平处的占空比抖动Edges@level
波形中的边沿数Fall time/下降时间
下降沿从 90% 到 10% 的持续时间Fall 80 - 20%
下降沿从 80% 到 20% 的持续时间Frequency/频率
信号中 50% 电平处的每个周期的频率Freq@level
波形中每个周期的特定电平和斜率处的频率Maximum/最大值
测量波形的最高点Mean/平均值
输入信号中的所有数据值的平均值Minimum/最小值
测量波形的最低点Overshoot−/负过冲
下降沿之后的过冲量,以振幅的百分比表示Overshoot+/正过冲
上升沿之后的过冲量,以振幅的百分比表示Peak to peak/峰峰值
波形中最高点和最低点之间的差Period/周期
所测量周期性信号的周期,以 50% 电平之间的时间表示Period@level
波形中每个周期的特定电平和斜率的周期Phase/相位
两个选定信号之间的相位差Rise/上升
上升沿从 10% 到 90% 的持续时间Rise 20 - 80%
上升沿从 20% 到 80% 的持续时间RMS
数据的均方根值Skew/偏移
clock1 边沿的时间减去最近的 clock2 边沿的时间Standard deviation/标准差
光标之间数据的标准差Time@level
在指定电平下从触发到边沿的时间Top/基顶
两种最可能状态中的较高者,较低者为基底Width +/正脉宽
50% 交叉处的正脉冲宽度Width -/负脉宽
50% 交叉处的负脉冲宽度

这些测量参数都有清晰的定义,并且自动执行,精度高于其他测量技术可能达到的精度。

总结

示波器上的自动测量参数提供最精确的测量,而光标则提供更高的测量灵活性。例如,使用光标可以非常简单地测量脉冲群的持续时间,但需要定制参数。同样,使用格线的栅格估算是进行基本测量的最快捷方法,非常适合用于快速验证测试设置。

庆幸的是,现代数字示波器制造商成功保持了所有这三个方面的优势,可以帮助设计人员缩短所需的测试时间。

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如今的集成设计领域,一款集成度较高的综合示波器已经成为设计工程师必不可少的得力工具。普源精电(RIG....
发表于 11-13 09:06 577次 阅读
超性价比七合一集成示波器——5000系列数字示波器