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迅速確認問題根本 示波器充分發揮數位血統
讓測試更精確更穩定

【作者: 王岫晨】   2019年09月04日 星期三

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電子裝置可以分成兩類:類比裝置和數位裝置。類比裝置適用於連續變化的電壓,數位裝置則適用於表示電壓樣點的離散二進位數字。例如傳統留聲機是一種類比裝置,而唱片播放機則是一種數位裝置。


示波器可以按類似方式分類,分成類比示波器和數位示波器。與類比示波器相比較,數位示波器採用類比轉數位轉換器(ADC),將測得的電壓轉換成數位資訊。它作為一串樣點擷取波形,然後儲存這些樣點,直到累積足夠的樣點,描述波形。然後,數位示波器會重組波形,顯示在螢幕上。數位示波器可以分成數位儲存示波器(DSO)、數位螢光示波器(DPO)、混合訊號示波器(MSO)和數位取樣示波器等。



圖一 : 類比示波器追蹤訊號,數位示波器對訊號取樣,建置顯示畫面。
圖一 : 類比示波器追蹤訊號,數位示波器對訊號取樣,建置顯示畫面。

數位方法意味著示波器可以相對穩定性、亮度和清晰度來顯示範圍內的任何頻率。對重複的訊號,數位示波器的頻寬與示波器前端裝置的類比頻寬有關,通常稱為–3dB點。對單次和暫態事件(如脈衝和階梯波),頻寬會受到示波器的取樣率限制。


數位儲存示波器

傳統數位示波器稱為數位儲存示波器(DSO)。其顯示一般依賴光柵類螢幕,而不是舊式類比示波器中的發光螢光。DSO可以擷取和觀察可能只發生一次的事件,稱為暫態訊號。由於波形資訊以數位形式存在,作為一串儲存的二進位值,因此可以在示波器內部或使用外部電腦分析、歸檔、列印及以其他方式處理這些波形資訊。波形不需要是連續的,在訊號消失時,甚至可以顯示這些波形。與類比示波器不同,數位儲存示波器提供永久的訊號儲存功能及全面的波形處理功能。然而,DSO一般沒有即時亮度階層,因此,它們不能表示即時訊號中變化的亮度


構成DSO的部分子系統與類比示波器中類似。但是,DSO包含額外的資料處理子系統,用來收集和顯示整個波形的資料。DSO採用串列處理架構,在螢幕上擷取和顯示訊號。與類比示波器類似,DSO的第一個(輸入)階段是垂直放大器。垂直控制功能允許在這個階段調整振幅和位置範圍。然後,水平系統中的類比轉數位轉換器(ADC)在離散的時點上對訊號取樣,將這些時點上的電壓轉換成數位值,稱為樣點。這個過程稱為訊號數位化。


水平系統的取樣時脈決定著ACD取樣的頻次。這一速率稱為取樣率,用每秒樣點數(S/s)表示。來自ADC的樣點作為波形點儲存在擷取記憶體中。多個樣點可能會構成一個波形點。多個波形點結合在一起,構成一條波形記錄。建立波形記錄使用的波形點數量稱為記錄長度。觸發系統決定著記錄的開始點和結束點。


DSO的訊號路徑包括一個微處理器,實測訊號經過這個微處理器傳送到顯示器上。這個微處理器處理訊號,協調顯示活動,管理前面板控制功能等等。然後訊號傳送透過顯示記憶體,顯示在示波器螢幕上。


數位螢光示波器

數位螢光示波器(DPO)提供一種新的示波器架構方法。透過這種架構,DPO可以提供獨特的擷取和顯示功能,準確地重建訊號。DSO採用串列處理架構擷取、顯示和分析訊號,DPO則採用並列處理架構執行這些功能。DPO架構要求使用獨特的ASIC硬體擷取波形影像,提供高波形擷取速率,達成更高的訊號檢視水準。這種效能提高了看到數位系統中發生暫態事件的機率,如矮波、突波和轉態錯誤,實現了進一步的分析功能。


DPO的第一個(輸入)階段與類比示波器類似,也是垂直放大器,第二個階段與DSO類似,是一個ADC。但是,在類比轉數位之後,DPO與前幾代產品有著明顯的差別。


對任何示波器來說,不管是類比示波器、DSO還是DPO,總有一個觸發延遲時間,在這段時間內,儀器處理新擷取資料,重定系統,等待下一個觸發事件。在這段時間內,示波器看不見所有訊號活動。看到偶發事件或低重複率事件的機率會隨著觸發延遲的時間提高而下降。


值得一提的是,只看顯示更新速率,是不可能確定擷取機率的。如果只依賴更新速率,那麼很容易誤認為示波器正在擷取與波形有關的所有資訊,但事實上卻沒有。


數位儲存示波器是以串列方式處理擷取的波形。在這個過程中,微處理器的速度是瓶頸,因為它限制著波形的擷取速率。DPO將數位化的波形資料光柵化到數位螢光資料庫中。每1/30秒(大約和人眼能夠感受到的速度一樣),儲存在資料庫中的訊號影像螢幕擷取畫面,會透過管線直接傳送到顯示系統。這種波形資料直接光柵化及從資料庫直接拷貝到顯示記憶體,消除了其他架構中固有的資料處理瓶頸。其結果,增強「即時」顯示更新功能。它即時擷取訊號細節、間歇性事件及訊號的動態特性。DPO的微處理器與這個整合擷取系統並列工作,實現顯示管理、量測自動化和儀器控制,從而不會影響示波器的擷取速度。


DPO忠實地模擬類比示波器的佳顯示屬性,用三個維度顯示訊號:時間、振幅和振幅在時間上的分佈,而且所有資訊都是即時顯示的。


DPO與類比示波器的不同

與類比示波器依賴化學螢光不同,DPO採用純電子數位螢光,其實際上是一個連續更新的資料庫。對示波器顯示畫面中的每一個圖元,這個資料庫有一個單獨的資訊「單元」。每次在擷取波形時,或者說每次在示波器觸發時,它都映射到數位螢光資料庫的單元中。表示螢幕位置、波形接觸的每個單元都會使用亮度資訊加強,而其他單元則不會。這樣,亮度資訊會在波形經常傳送的單元中累積。



圖二 : 數位螢光示波器(DPO)的並列處理架構。
圖二 : 數位螢光示波器(DPO)的並列處理架構。

在數位螢光資料庫輸送到示波器的顯示器時,顯示器會揭示加強的波形區域,且與每個點上的訊號發生頻率成比例,這和類比示波器的亮度階層特性很類似。DPO還允許作為對比顏色在顯示器上顯示發生頻率變化的資訊,這一點不同於類比示波器。在DPO中,可以很容易看到幾乎每次觸發都發生的波形與每100次觸發才發生一次的波形之間之差別。


數位螢光示波器(DPOs)清除了類比示波器技術與數位示波器技術之間的障礙。它們都同樣適合即時觀察高頻和低頻、重複波形、暫態訊號及訊號變化。只有DPO即時提供了Z (亮度)軸,而傳統DSO中則沒有這個軸。


混合域示波器

混合域示波器(MDO)將RF頻譜分析儀與MSO或DPO結合在一起,實現從數位域、類比域到RF域的訊號相關視圖。例如,MDO可以查看嵌入式設計內部協定、狀態邏輯、類比訊號和RF訊號的時間相關顯示,大大縮短獲得資訊所需的時間,降低跨域事件之間的量測不確定度。


瞭解嵌入式RF設計內部微處理器命令與RF事件之間的時間延遲簡化了測試設定,可以在工作台上完成複雜的量測。例如現在可以在一個畫面中,以時間相關的方式觀察無線電的所有域,包括協定(數位)、類比和RF等。


混合訊號示波器

混合訊號示波器(MSO)將DPO的效能與16通道邏輯分析儀的基本功能結合起來,包括並列/串列匯流排協定解碼和觸發。MSO的數位通道將數位訊號視作邏輯值高或邏輯值低,就像數位電路觀察訊號一樣。也就是說,只要振鈴、過激量和接地雜訊位準沒有導致邏輯轉態,那麼這些模擬特性對MSO就不成問題。與邏輯分析儀一樣,MSO使用臨界電壓,確定訊號是邏輯值高還是邏輯值低。


在使用強大的數位觸發、高解析度擷取功能、和分析工具迅速除錯數位電路等方面,MSO是首選的工具。透過分析訊號的類比和數位表示,可以更迅速地確定許多數位問題的根本原因,使得MSO特別適合核對總和除錯數位電路。


數位取樣示波器

與數位儲存示波器和數位螢光示波器架構相比較,在數位取樣示波器的架構中,衰減器或放大器與取樣橋接器的位置顛倒。它先對輸入訊號取樣,然後執行衰減或放大。然後在取樣橋接器後面,可以使用低頻寬放大器,因為訊號已經被取樣閘轉換成較低的頻率,進而大大提高儀器頻寬。


然而,這種高頻寬的代價是取樣示波器的動態範圍有限。由於取樣閘前面沒有衰減器或放大器,因此沒有工具對輸入定標。取樣橋接器必須能夠在任何時間處理輸入的整個動態範圍。因此,大多數取樣示波器的動態範圍限定在大約1Vp-p。而數位儲存示波器和數位螢光示波器則可以處理50~100V。


此外,保護二極體不能放在取樣橋接器的前面,因為這樣會限制頻寬。將取樣示波器的安全輸入電壓限定在大約3V,相較之下,其他示波器上的安全輸入電壓為500V。


在量測高頻訊號時,DSO或DPO可能不能在一次掃描中擷取足夠的樣點。在準確地擷取頻率成分遠遠高於示波器取樣率的訊號時,數位取樣示波器提供了理想的工具。這種示波器量測訊號的速度要比任何其他示波器快一個量級。對重複訊號,它實現的頻寬和高速時序要比其他示波器高10倍。市場上已提供了頻寬高達80GHz的串列等時取樣示波器。


(本文參考資料:太克科技 深入瞭解示波器白皮書)


產品特色

是德科技Infiniium UXR系列示波器


圖三 : 是德科技Infiniium UXR系列示波器
圖三 : 是德科技Infiniium UXR系列示波器圖片來源:keysight.com

是德科技:「是德科技的突破性技術,可克服最困難的量測和設計挑戰。」


是德科技推出Infiniium UXR系列示波器,具有高達110GHz的即時頻寬。多達4個全頻寬通道,而通道間的固有抖動小於35fs(rms),有足夠的性能空間容納訊號的幅度相位和頻率的變化,加上每通道256 GSa/s的取樣率,使其產品能讓訊號的完整性達到最佳化,在業界中獨樹一幟。由於採用了第二代磷化銦製程的晶片組,Infiniium UXR系列示波器可以幫助實現極寬的寬頻及雜訊底線;10 位數的解析度和領先群倫的信號完整性,讓研發人員能在針對調變標準進行特性分析時,實現卓越的有效位元數(ENOB)


Keysight Infiniium UXR系列除了具備優異的效能,並有多種頻寬可供選擇,使其成為開發任何一代DDR、USB、PCIe、MIPI或其他串列技術,以及 PAM4、5G、雷達、衛星通訊和光學設計的理想解決方案。


太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器


圖四 : 太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器
圖四 : 太克科技3系列MDO和4系列MSO示波器圖片來源:tektronix.com

太克科技:「為所有工程師提供更多使用者體驗和貼心的選擇。」


太克科技推出兩款新產品,全新的3系列MDO和4系列MSO,而這也是目前市場上功能最強大、最多功能,而且操作方式簡單易用的示波器。


全新登場的3系列MDO和4系列MSO延續了5和6系列MSO中大獲好評的使用者體驗,具有直覺易用的觸控式螢幕使用者介面、同級產品中尺寸最大和解析度最高的顯示器,以及現代化的工業設計。現在,Tektronix為各種嚴苛的應用提供了更多選項,推出擁有強大量測和分析功能的最先進產品組合,讓工程師擁有全方位的效能選擇。


全新的4系列MSO配備13.3吋的顯示器,並具備1920 x 1080 HD解析度,而這也是同級產品中最大的尺寸和最高的解析度。3系列MDO旨在成為每位工程師的桌面上均可配備的精巧、多功能的測試儀器。不僅採用時尚的工業設計,還具備了同級產品中最大的11.6吋顯示器與全高畫質解析度。


羅德史瓦茲RTM3000系列示波器


圖五 : 羅德史瓦茲RTP示波器
圖五 : 羅德史瓦茲RTP示波器圖片來源:rohde-schwarz.com

台灣羅德史瓦茲:「10位元垂直解析度可滿足電源量測嚴苛需求!」


羅德史瓦茲(R&S)推出全新RTM3000系列及RTA4000系列示波器,再次壯大R&S示波器產品線陣容,其10位元垂直解析度可滿足電源量測應用中嚴苛的測試需求。R&S RTA4000系列示波器更提供高達1 Gsample 的擷取儲存深度,是分析串列協定的理想選擇。


全新R&S RTM3000系列示波器提供100 MHz、200 MHz、350 MHz、500 MHz 和 1 GHz的頻寬選擇,並整合擁有專利的5 Gsample/s取樣率、10位元類比數位轉換器,每通道標準配置40 Msample的取樣率,通過選配的分段儲存功能可擴展儲存深度至 400 Msample。R&S RTA4000系列示波器在頻寬方面同樣有200 MHz、350 MHz、500 MHz和1 GHz可供選擇,除了一樣內建10位元類比轉換器,並提供更深的儲存深度,每通道的標準配置高達 100 Msample以及分段儲存模式下 1 Gsample 的儲存深度。此外,RTM3000及RTA4000系列另一項共同的特色是兩者皆採用10.1吋電容式觸控螢幕,方便使用者快速操作。


國家儀器PXI示波器


圖六 : 國家儀器PXI示波器
圖六 : 國家儀器PXI示波器圖片來源:ni.com

國家儀器:「PXI示波具備高度彈性。」


PXI示波器是一款軟體定義儀器,不僅具備高度彈性,更提供豐富用途,可因應時域與頻域量測,並兼顧PXI平台的種種優勢。其最多可提供8個通道,最高取樣速度可達12.5 GS/s,並享有5 GHz的類比頻寬。只要使用PXI平台,即可透過以微微秒為單位的準確度來同步化多個示波器與其他儀器,以進行高通道數與混合訊號的應用。這些儀器也搭載多種觸發模式、內建深層記憶體,以及包含資料串流與分析函式的驅動程式軟體API。


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