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提升取样率 为示波器讯号品质把关
综观取样率两三事

【作者: 王岫晨】2020年02月11日 星期二

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对示波器来说,取样是一个重要的程序。取样是将输入的讯号转换成许多离散的电气值,以进行储存、处理或显示的过程。每个取样点的振幅,等於讯号取样时点上输入讯号的振幅。取样的过程类似於拍照,每个萤幕撷取画面都将对应波形上的某个时点。然後,可以按相对应的顺序排列这些萤幕撷取画面,以重建输入讯号。


在数位示波器中,将在显示画面上重建由样点组成的阵列。其中,纵轴是实测振幅,横轴是时间。输入波形在萤幕上表现为一串点,如果这些点相距很大,很难理解为一个波形,可以使用称为内??法的方式,将这些点透过直线或向量连接起来。有大量的内??法,可以用来准确地表示连续的输入讯号。


取样控制功能

根据太克科技「深入了解示波器白皮书」指出,在某些数位示波器可以选择取样方法:包括即时取样或等时取样。这些示波器提供的撷取控制功能,可以选择撷取讯号使用的取样方法。视进行的量测类型,每种取样方法都有不同优势。


现代示波器一般都提供控制功能,使用者可以选择三种水平时基工作模式。如果使用者只是探测讯号,想与即时讯号交互,可以使用自动或交互预设模式,这种模式提供了即时程度最高的显示更新速率。如果想实现准确量测和最高的即时取样率,以提供最高的量测准确度,那麽可以使用恒定取样率模式。这种模式将保持最高取样率,提供好的即时解析度。最後一种模式称为手动模式,因为它保证直接独立控制取样率和记录长度。


即时取样方法

一般来说,即时取样特别适合频率范围不到示波器最大取样率一半的讯号。这里,示波器可以在波形一次「扫描」中撷取超过足够量的点,建构准确的画面。据了解,即时取样是使用示波器撷取快速、单次、暂态讯号的唯一方式。


即时取样为数位示波器带来了最大的挑战,因为需要取样率,才能准确地数位化高频暂态事件。这些事件只发生一次,因此必须在发生的同一时段取样。如果取样率不够快,高频成分会「向下折叠到」较低频率中,在显示画面中引起假讯号。此外,在数位化後,储存波形要求的高速记忆体进一步提高了即时取样的复杂程度。


支援即时取样和内??法技术的数位示波器,能获得可以显示的离散讯号样点。但是,很难观察用点表示的讯号,特别是可能只有几个点表示讯号的高频部分。为协助观察讯号,数位示波器一般提供内??法显示模式。简而言之,内??法「将多个点连接起来」,因此能够准确显示每个周期只取样几次的讯号。透过使用即时取样及内??法技术,示波器在即时模式下,将一个讯号的多个样点连接起来,并使用内??法填充空白。内??法是以少量点为基础,来估计波形形状的一种处理技术。


等时取样方法

在量测高频讯号时,示波器可能会在一次扫描中搜集足够的样点。可以使用等时取样,准确地撷取频率超过示波器频率一半的讯号。等时数位取样器基於这样的事实,大多数自然发生的事件和人为事件都是重复的。等时取样从每次的重复中撷取少量资讯,建构重复的讯号画面。波形像一串灯一直慢慢汇聚,一个接一个地亮起。这允许示波器准确地撷取其频率成分远远高於示波器取样率的讯号。


等时取样方法有两种:随机方法和顺序方法。每种方法都有自身的优点。随机等时取样允许显示触发点前面的输入讯号,而不用使用延迟线路。顺序等时取样提供的时间解析度和准确度则要高得多。这两种方法都要求输入讯号是重复的。


随机等时取样

随机等时数位取样器采用内部时脉,内部时脉相对於输入讯号和讯号触发非同步运行。它的连续撷取样点,与触发位置无关,并以取样和触发之间的时间差为基础显示样点。尽管样点在时间上是顺序撷取的,但它们相对於触发是随机的,因此称为「随机」等时取样。


在示波器萤幕上显示时,样点沿着波形随机出现。能够撷取和显示触发点前面的样点,是这种取样技术的主要优势,而不需要外部预触发讯号或延迟线。视取样率和显示的时间视窗,随机取样可能还能够在每个触发的事件中撷取一个以上的样点。但是,在更快的扫描速度下,撷取视窗会变窄,直到数位器不能在每次触发时取样。在这些更快的扫描速度上,通常可以进行非常精确的时序量测,也正是在这里,顺序等时取样器的时间解析度也最能奏效。随机等时取样的频宽限制,对顺序时间取样来说则较小。


顺序等时取样

顺序等时取样器每次触发撷取一个样点,都会独立於时间设定或扫描速度。在侦测到触发时,将在非常短,但经过定义的延迟後撷取样点。在下一次触发发生时,会在这个延迟中增加一个小的时间增量(Δt),而数位器撷取另一个样点。这个过程重复多次,在每个前一撷取中增加「Δt」,直到时间视窗被填满。在示波器萤幕上显示时,样点沿着波形从左到右依序出现。


从技术上讲,产生非常短、非常精确的「Δt」,要比随机取样器要求的准确量测样点更容易(相对於触发点的垂直位置和水平位置)。这种精确量测的延迟为顺序取样器提供了更好的时间解析度。在顺序取样中,样点是侦测到触发位准後获得的,因此如果没有类比延迟线,将不能显示触发点,这进而可能会降低仪器的频宽。如果能提供外部预触发,那麽频宽将不受影响。


结语

取样率是ADC将类比输入波形转换为数位资料时的频率,也是显示示波器特色的一个重要概念。当类比输入路径完成讯号衰减、增益与滤波等作业後,示波器就会开始对讯号进行取样,并将最後显示的波形转换为数位形式。示波器的取样率越高,波形解析度也会越高,并显示出更清楚的细节。因此取样率的品质,将可以很明显代表出一部示波器的性能优劣。


产品新讯

是德科技Infiniium V系列示波器


图一 : 是德科技Infiniium V系列示波器
图一 : 是德科技Infiniium V系列示波器图片来源:keysight.com

是德科技:「我们确保您能够对高速设计进行精准的分析与除错。」


面对高速数位讯号测试需求不断提升的情况下,是德科技推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,来补足高阶示波器市场的最後一块拼图。Keysight Infiniium V系列问世後,工程师便可又快又准确地执行所有测试,进而更快将新产品推出上市,并且增强对设计品质的自信度。


Infiniium V系列示波器可更快完成清晰的验证。频宽可升级至 33 GHz,充分保障投资设备;超低杂讯的示波器,可确保最隹的眼图高度量测;业界最低的100 fs固有抖动,可查看设计最真实的抖动效能;业界最长的硬体串列触发,可对最困难的设计进行除错。


太克科技MSO/DPO70000系列示波器


图二 : 太克科技MSO/DPO70000系列示波器
图二 : 太克科技MSO/DPO70000系列示波器图片来源:tektronix.com

太克科技:「这是嵌入式系统工程设计的首选工具。」


太克科技推出MSO70000领先的讯号完整性、最小杂讯和最高有效位元数给您看到真实的讯号并准确量测。高讯号杂讯比与低内部杂讯位准可执行精准的设计特性分析。从第一次开启电源到操作检查,MSO/DPO70000系列可快速找出问题所需的功能。领先的波形撷取率和Pinpoint触发可有效地追踪和撷取间歇性故障。


MSO已成为嵌入式系统工程设计的首选工具,这个领域对建立类比与数位讯号的关联有强烈的需求。现今,网路交换器和资料伺服器等嵌入式系统正采用更快速的技术,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列与数位射频的应用领域,也需要完整的系统能见度。随着MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的类比/数位撷取效能与多样化的探测方案。


罗德史瓦兹RTP示波器


图三 : 罗德史瓦兹RTP示波器
图三 : 罗德史瓦兹RTP示波器图片来源:rohde-schwarz.com

台湾罗德史瓦兹:「这是研发过程中故障排除的绝隹选择!」


R&S RTP系列着重於量测精准度、速度和新技术,并完整地结合多种仪器功能,是研发过程中故障排除的绝隹选择,例如测试具快速数位介面或宽频无线射频传输介面的嵌入式元件。R&S持续致力於示波器市场的创新,透过发表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式进军高阶示波器市场。


R&S RTP高效能示波器结合了讯号完整性与高撷取速率,在标准撷取模式下,每秒可量测一百万个波形,比其他同类示波器快一千倍以上,能帮助使用者更快地发现零星错误,并可即时补偿讯号源到示波器之间的传输损耗。此外,R&S RTP可满足高频应用量测需求,举凡航空、国防、汽车、工业和通讯等领域;同时亦适用高速数位介面测试如高速汇流排、无线电或雷达等射频介面、DDR记忆体介面、电源管理元件,及简单的控制和编程汇流排。


国家仪器PXI架构高速示波器


图四 : 国家仪器PXI架构示波器
图四 : 国家仪器PXI架构示波器图片来源:ni.com

国家仪器:「PXI架构可大幅缩短测试时间。」


国家仪器高速示波器具有强大的仪器整合,再加上高输出PXI汇流排有助於缩短测试时间,非常适合高频宽自动化量测作业。NI高速示波器搭载了NI专利T-Clock同步化技术,可藉此建置高达34个相位同步1GS/s通道所组成的系统,并且进一步整合其他NI硬体,打造出完整的自动化混合式讯号测试系统。


大多数的自动化测试与多重工作台应用,均需要多类型的仪器,如示波器、讯号产生器、数位波形分析器、数位波形产生器,与切换器等。PXI与NI模组化仪器既有的时序与同步化功能,可同步上述的所有仪器,且不需额外接线。PXI的模组化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗时操作,进而提高效率。


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