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提升取樣率 為示波器訊號品質把關
綜觀取樣率兩三事

【作者: 王岫晨】   2020年02月11日 星期二

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對示波器來說,取樣是一個重要的程序。取樣是將輸入的訊號轉換成許多離散的電氣值,以進行儲存、處理或顯示的過程。每個取樣點的振幅,等於訊號取樣時點上輸入訊號的振幅。取樣的過程類似於拍照,每個螢幕擷取畫面都將對應波形上的某個時點。然後,可以按相對應的順序排列這些螢幕擷取畫面,以重建輸入訊號。


在數位示波器中,將在顯示畫面上重建由樣點組成的陣列。其中,縱軸是實測振幅,橫軸是時間。輸入波形在螢幕上表現為一串點,如果這些點相距很大,很難理解為一個波形,可以使用稱為內插法的方式,將這些點透過直線或向量連接起來。有大量的內插法,可以用來準確地表示連續的輸入訊號。


取樣控制功能

根據太克科技「深入瞭解示波器白皮書」指出,在某些數位示波器可以選擇取樣方法:包括即時取樣或等時取樣。這些示波器提供的擷取控制功能,可以選擇擷取訊號使用的取樣方法。視進行的量測類型,每種取樣方法都有不同優勢。


現代示波器一般都提供控制功能,使用者可以選擇三種水平時基工作模式。如果使用者只是探測訊號,想與即時訊號交互,可以使用自動或交互預設模式,這種模式提供了即時程度最高的顯示更新速率。如果想實現準確量測和最高的即時取樣率,以提供最高的量測準確度,那麼可以使用恆定取樣率模式。這種模式將保持最高取樣率,提供好的即時解析度。最後一種模式稱為手動模式,因為它保證直接獨立控制取樣率和記錄長度。


即時取樣方法

一般來說,即時取樣特別適合頻率範圍不到示波器最大取樣率一半的訊號。這裡,示波器可以在波形一次「掃描」中擷取超過足夠量的點,建構準確的畫面。據了解,即時取樣是使用示波器擷取快速、單次、暫態訊號的唯一方式。


即時取樣為數位示波器帶來了最大的挑戰,因為需要取樣率,才能準確地數位化高頻暫態事件。這些事件只發生一次,因此必須在發生的同一時段取樣。如果取樣率不夠快,高頻成分會「向下折疊到」較低頻率中,在顯示畫面中引起假訊號。此外,在數位化後,儲存波形要求的高速記憶體進一步提高了即時取樣的複雜程度。


支援即時取樣和內插法技術的數位示波器,能獲得可以顯示的離散訊號樣點。但是,很難觀察用點表示的訊號,特別是可能只有幾個點表示訊號的高頻部分。為協助觀察訊號,數位示波器一般提供內插法顯示模式。簡而言之,內插法「將多個點連接起來」,因此能夠準確顯示每個週期只取樣幾次的訊號。透過使用即時取樣及內插法技術,示波器在即時模式下,將一個訊號的多個樣點連接起來,並使用內插法填充空白。內插法是以少量點為基礎,來估計波形形狀的一種處理技術。


等時取樣方法

在量測高頻訊號時,示波器可能會在一次掃描中蒐集足夠的樣點。可以使用等時取樣,準確地擷取頻率超過示波器頻率一半的訊號。等時數位取樣器基於這樣的事實,大多數自然發生的事件和人為事件都是重複的。等時取樣從每次的重複中擷取少量資訊,建構重複的訊號畫面。波形像一串燈一直慢慢彙聚,一個接一個地亮起。這允許示波器準確地擷取其頻率成分遠遠高於示波器取樣率的訊號。


等時取樣方法有兩種:隨機方法和順序方法。每種方法都有自身的優點。隨機等時取樣允許顯示觸發點前面的輸入訊號,而不用使用延遲線路。順序等時取樣提供的時間解析度和準確度則要高得多。這兩種方法都要求輸入訊號是重複的。


隨機等時取樣

隨機等時數位取樣器採用內部時脈,內部時脈相對於輸入訊號和訊號觸發非同步運行。它的連續擷取樣點,與觸發位置無關,並以取樣和觸發之間的時間差為基礎顯示樣點。儘管樣點在時間上是順序擷取的,但它們相對於觸發是隨機的,因此稱為「隨機」等時取樣。


在示波器螢幕上顯示時,樣點沿著波形隨機出現。能夠擷取和顯示觸發點前面的樣點,是這種取樣技術的主要優勢,而不需要外部預觸發訊號或延遲線。視取樣率和顯示的時間視窗,隨機取樣可能還能夠在每個觸發的事件中擷取一個以上的樣點。但是,在更快的掃描速度下,擷取視窗會變窄,直到數位器不能在每次觸發時取樣。在這些更快的掃描速度上,通常可以進行非常精確的時序量測,也正是在這裡,順序等時取樣器的時間解析度也最能奏效。隨機等時取樣的頻寬限制,對順序時間取樣來說則較小。


順序等時取樣

順序等時取樣器每次觸發擷取一個樣點,都會獨立於時間設定或掃描速度。在偵測到觸發時,將在非常短,但經過定義的延遲後擷取樣點。在下一次觸發發生時,會在這個延遲中增加一個小的時間增量(Δt),而數位器擷取另一個樣點。這個過程重複多次,在每個前一擷取中增加「Δt」,直到時間視窗被填滿。在示波器螢幕上顯示時,樣點沿著波形從左到右依序出現。


從技術上講,產生非常短、非常精確的「Δt」,要比隨機取樣器要求的準確量測樣點更容易(相對於觸發點的垂直位置和水平位置)。這種精確量測的延遲為順序取樣器提供了更好的時間解析度。在順序取樣中,樣點是偵測到觸發位準後獲得的,因此如果沒有類比延遲線,將不能顯示觸發點,這進而可能會降低儀器的頻寬。如果能提供外部預觸發,那麼頻寬將不受影響。


結語

取樣率是ADC將類比輸入波形轉換為數位資料時的頻率,也是顯示示波器特色的一個重要概念。當類比輸入路徑完成訊號衰減、增益與濾波等作業後,示波器就會開始對訊號進行取樣,並將最後顯示的波形轉換為數位形式。示波器的取樣率越高,波形解析度也會越高,並顯示出更清楚的細節。因此取樣率的品質,將可以很明顯代表出一部示波器的性能優劣。


產品新訊

是德科技Infiniium V系列示波器


圖一 : 是德科技Infiniium V系列示波器
圖一 : 是德科技Infiniium V系列示波器圖片來源:keysight.com

是德科技:「我們確保您能夠對高速設計進行精準的分析與除錯。」


面對高速數位訊號測試需求不斷提升的情況下,是德科技推出全新的Keysight Infiniium V系列示波器,來補足高階示波器市場的最後一塊拼圖。Keysight Infiniium V系列問世後,工程師便可又快又準確地執行所有測試,進而更快將新產品推出上市,並且增強對設計品質的自信度。


Infiniium V系列示波器可更快完成清晰的驗證。頻寬可升級至 33 GHz,充分保障投資設備;超低雜訊的示波器,可確保最佳的眼圖高度量測;業界最低的100 fs固有抖動,可查看設計最真實的抖動效能;業界最長的硬體串列觸發,可對最困難的設計進行除錯。


太克科技MSO/DPO70000系列示波器


圖二 : 太克科技MSO/DPO70000系列示波器
圖二 : 太克科技MSO/DPO70000系列示波器圖片來源:tektronix.com

太克科技:「這是嵌入式系統工程設計的首選工具。」


太克科技推出MSO70000領先的訊號完整性、最小雜訊和最高有效位元數給您看到真實的訊號並準確量測。高訊號雜訊比與低內部雜訊位準可執行精準的設計特性分析。從第一次開啟電源到操作檢查,MSO/DPO70000系列可快速找出問題所需的功能。領先的波形擷取率和Pinpoint觸發可有效地追蹤和擷取間歇性故障。


MSO已成為嵌入式系統工程設計的首選工具,這個領域對建立類比與數位訊號的關聯有強烈的需求。現今,網路交換器和資料伺服器等嵌入式系統正採用更快速的技術,因而需要更高效能的MSO。其他如高速串列與數位射頻的應用領域,也需要完整的系統能見度。隨著MSO70000系列的推出,太克科技提供了良好的類比/數位擷取效能與多樣化的探測方案。


羅德史瓦茲RTP示波器


圖三 : 羅德史瓦茲RTP示波器
圖三 : 羅德史瓦茲RTP示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「這是研發過程中故障排除的絕佳選擇!」


R&S RTP系列著重於量測精準度、速度和新技術,並完整地結合多種儀器功能,是研發過程中故障排除的絕佳選擇,例如測試具快速數位介面或寬頻無線射頻傳輸介面的嵌入式元件。R&S持續致力於示波器市場的創新,透過發表新一代R&S RTP系列,R&S宣告正式進軍高階示波器市場。


R&S RTP高效能示波器結合了訊號完整性與高擷取速率,在標準擷取模式下,每秒可量測一百萬個波形,比其他同類示波器快一千倍以上,能幫助使用者更快地發現零星錯誤,並可即時補償訊號源到示波器之間的傳輸損耗。此外,R&S RTP可滿足高頻應用量測需求,舉凡航空、國防、汽車、工業和通訊等領域;同時亦適用高速數位介面測試如高速匯流排、無線電或雷達等射頻介面、DDR記憶體介面、電源管理元件,及簡單的控制和編程匯流排。


國家儀器PXI架構高速示波器


圖四 : 國家儀器PXI架構示波器
圖四 : 國家儀器PXI架構示波器圖片來源:ni.com

國家儀器:「PXI架構可大幅縮短測試時間。」


國家儀器高速示波器具有強大的儀器整合,再加上高輸出PXI匯流排有助於縮短測試時間,非常適合高頻寬自動化量測作業。NI高速示波器搭載了NI專利T-Clock同步化技術,可藉此建置高達34個相位同步1GS/s通道所組成的系統,並且進一步整合其他NI硬體,打造出完整的自動化混合式訊號測試系統。


大多數的自動化測試與多重工作台應用,均需要多類型的儀器,如示波器、訊號產生器、數位波形分析器、數位波形產生器,與切換器等。PXI與NI模組化儀器既有的時序與同步化功能,可同步上述的所有儀器,且不需額外接線。PXI的模組化特性大幅提升了速度,且使用者不需再耗時操作,進而提高效率。


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