示波器自动测量参数提供最精确的测量

Duke 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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