如何選擇混合信號(hào)示波器
為何選擇MSO
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/80224.htmMSO(mixed signal oscilloscope,混合信號(hào)示波器)從某種意義上說(shuō)可以真正取代傳統(tǒng)的數(shù)字示波器,因?yàn)镸SO除了能夠顯示柱狀圖、波形函數(shù)、FFT和眼圖之外,同樣還具有模擬分析功能,例如標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間與電壓測(cè)量功能,可以測(cè)量上升/下降時(shí)間、頻率和過(guò)沖幅度。MSO也具有基本的數(shù)字時(shí)序分析功能和深度存儲(chǔ)能力。
MSO非常適合兩種主要的測(cè)量應(yīng)用:
包含較慢的模擬信號(hào)與較快的數(shù)字信號(hào)的真實(shí)混合信號(hào)環(huán)境;
需要觀察總線上多個(gè)數(shù)字通道之間的時(shí)序關(guān)系,同時(shí)要保證多個(gè)信號(hào)完整性的純數(shù)字測(cè)量環(huán)境。
現(xiàn)在的市場(chǎng)上有多種混合信號(hào)示波器,但是如果系統(tǒng)地進(jìn)行評(píng)估(參見圖1),那么你不難選擇出最能夠滿足你測(cè)量要求的示波器。
圖1 逐步的分析有助于搞清楚示波器的選擇過(guò)程
帶寬是所有示波器最重要的一個(gè)指標(biāo),因?yàn)閹挍Q定了你能夠以所需的逼真度顯示的最高頻率。而且,帶寬對(duì)示波器的價(jià)格影響很大。我們已經(jīng)進(jìn)入示波器數(shù)字化的時(shí)代,示波器的帶寬不再僅僅是指模擬放大器本身的帶寬。為了確保所選擇的示波器為應(yīng)用提供足夠的帶寬,你必須仔細(xì)考慮目前和今后將會(huì)觀察的信號(hào)頻率。
上升時(shí)間決定了示波器帶寬需求的下限。假設(shè)最小的信號(hào)帶寬=0.5/(信號(hào)上升時(shí)間)。為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的觀察和測(cè)量,示波器的帶寬至少應(yīng)該比上述頻率值大三倍。也就是說(shuō):
信號(hào)帶寬≥0.5/(信號(hào)上升時(shí)間)
示波器帶寬≥3×信號(hào)帶寬
需要多少通道
乍一看來(lái),通道數(shù)量似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。然而,對(duì)于如今的數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō),傳統(tǒng)的2通道和4通道示波器常常無(wú)法為觸發(fā)和觀察所有感興趣的信號(hào)提供足夠的通道。
而MSO除了具備常規(guī)示波器的兩個(gè)或四個(gè)模擬通道之外,還具有多個(gè)邏輯時(shí)序通道。例如,安捷倫推出的54832D混合信號(hào)示波器就是一種全功能示波器,除了具有四個(gè)模擬通道之外還有16個(gè)邏輯時(shí)序通道,能夠提供多達(dá)20個(gè)通道的時(shí)序觸發(fā)、采集和顯示功能。
盡管很多通用示波器的用戶通常使用邊沿觸發(fā)功能,但是某些應(yīng)用需要進(jìn)行條件觸發(fā),以便將用戶希望觀察的事件隔離開。例如,在某些數(shù)字應(yīng)用中,對(duì)多個(gè)通道上出現(xiàn)的特定矢量進(jìn)行觸發(fā)是非常必要的。以前的辦法是,將一個(gè)示波器與一臺(tái)邏輯分析儀結(jié)合使用,將它們各自的輸入/輸出觸發(fā)信號(hào)連接起來(lái),實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀器的交叉觸發(fā)。
為了簡(jiǎn)化對(duì)串行總線的測(cè)量,某些示波器已經(jīng)能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議,例如SPI、CAN、USB、I2C和LAN進(jìn)行觸發(fā)。這些高級(jí)的觸發(fā)功能大大節(jié)省了日常調(diào)試工作所需的時(shí)間。
下面以常見的SDRAM應(yīng)用為例,介紹在日常調(diào)試工作中如何使用MSO。要想把SDRAM的一個(gè)寫周期隔離出來(lái),必須對(duì)RAS、CAS、WE、CS和時(shí)鐘共5個(gè)不同信號(hào)的組合進(jìn)行觸發(fā)。因此一臺(tái)常規(guī)的四通道示波器是無(wú)法勝任的。如果采用MSO,將其邏輯時(shí)序通道設(shè)置為觸發(fā)RAS高電平、CAS低電平、WE高電平和CS高電平,同時(shí)采用一個(gè)模擬示波器通道觀察和觸發(fā)時(shí)鐘的上升沿,就可以完成這一工作。在邏輯分析儀與示波器相結(jié)合的方案中,邏輯分析儀和示波器只能交叉觸發(fā),而MSO則不同,它能夠在所有的示波通道和邏輯通道之間進(jìn)行全帶寬觸發(fā)。
選擇多大的采樣率
對(duì)于采用數(shù)字重構(gòu)(例如sin(x)/x插值)形式的示波器而言,如果你想要在全示波器帶寬下使用各個(gè)通道,那么所需的采樣率至少是示波器帶寬的4倍。如今大多數(shù)的示波器都采用了某種形式的數(shù)字重構(gòu)功能,但是對(duì)于沒有這一功能的示波器來(lái)說(shuō),這一倍數(shù)實(shí)際上達(dá)到了10倍。
大多數(shù)示波器也采用了某種形式的A/D轉(zhuǎn)換器交叉,即將兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換器組合起來(lái)對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行采樣,從而使2通道或者4通道示波器中一個(gè)通道的采樣率增大了一倍。示波器公開的使用說(shuō)明書上可能引用了這一最大采樣率,而沒有指出這一采樣率只對(duì)一個(gè)通道有效。如果你想購(gòu)買一臺(tái)四通道示波器,那么你很有可能希望多個(gè)通道都具有全帶寬功能。
另外一種判斷采樣率的方法就是看兩個(gè)采樣點(diǎn)之間希望達(dá)到的分辨率。我們可以把采樣率簡(jiǎn)單地看成是所需分辨率的倒數(shù)。例如,如果你需要在兩點(diǎn)之間達(dá)到1ns的分辨率,那么得到這一分辨率的采樣率為1/(1 ns),即每秒1G次采樣。
選擇多大的存儲(chǔ)深度
先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)使用戶能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在存儲(chǔ)器中的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行很多后處理工作,例如捕捉波形、放大波形觀察細(xì)節(jié)、進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和測(cè)量等工作。
最新的示波器技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┯挚煊稚畹拇鎯?chǔ)器。然而在使用第一代深存儲(chǔ)示波器時(shí)的情況則截然不同,用戶必須針對(duì)特定的測(cè)量工作估計(jì)他所需的存儲(chǔ)器容量。如果用戶估計(jì)錯(cuò)誤,那么用戶必須進(jìn)一步增大存儲(chǔ)器,重新進(jìn)行測(cè)量,這是非常費(fèi)時(shí)的過(guò)程。判斷所需存儲(chǔ)深度的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方法是:
* 存儲(chǔ)深度 ≥采樣率×屏幕刷新所需的最大時(shí)間
搞清楚示波器使用所存儲(chǔ)信息的方式是很重要的。人們通常認(rèn)為,示波器的最大采樣率適用于包括低頻/慢掃描速度在內(nèi)的所有時(shí)基設(shè)置上,這樣一來(lái)示波器所需的存儲(chǔ)器容量將大的驚人,沒有人會(huì)買的起。因?yàn)榇鎯?chǔ)深度總是有限的,當(dāng)把時(shí)基設(shè)置為較慢的掃描速度時(shí),所有的示波器都必須降低采樣率。換句話說(shuō),示波器的存儲(chǔ)深度越深,能夠在任意給定采樣率下捕捉到的時(shí)間間隔越長(zhǎng)。
由于響應(yīng)速度較慢,示波器廠商常常限制用戶只能在某種特殊模式下使用深度存儲(chǔ)器,因此只有當(dāng)深度存儲(chǔ)非用不可時(shí)測(cè)試工程師才會(huì)用到它。盡管近些年來(lái)示波器廠商已經(jīng)在深度存儲(chǔ)架構(gòu)方面有所進(jìn)展,但是某些示波器在工作時(shí)仍然比較慢而且費(fèi)時(shí)。在購(gòu)買示波器之前,一定要考察示波器在最深的存儲(chǔ)設(shè)置下的響應(yīng)特性。
如何分析波形
自動(dòng)測(cè)量和內(nèi)置的分析功能能夠節(jié)省測(cè)試時(shí)間,簡(jiǎn)化測(cè)試工作。數(shù)字化的示波器所具有的測(cè)量特性和分析功能常常是模擬示波器所不具備的。
數(shù)學(xué)函數(shù)包括加法、減法、乘法、除法、積分和微分。測(cè)量統(tǒng)計(jì)(求最大值,最小值和平均值)功能減少了測(cè)量的不確定性,有利于用戶分析噪聲和時(shí)序容限。很多數(shù)字示波器還具有FFT功能。
在某些用戶感興趣的波形分析功能方面,示波器廠商也在中高檔示波器中為用戶提供了更靈活的選擇。某些廠商提供了軟件包,使用戶能夠定制復(fù)雜的測(cè)量任務(wù),直接從示波器的用戶界面上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和后期處理。這樣就不再需要把示波器的數(shù)據(jù)傳送到外部PC上進(jìn)行處理,大大節(jié)省了波形分析的時(shí)間。
在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢查
當(dāng)你考慮了上述所有的問(wèn)題之后,你可選擇的示波器可能只剩下兩到三種了。接下來(lái)就是要進(jìn)行試驗(yàn),進(jìn)行逐個(gè)對(duì)比。在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試幾個(gè)例子,觀察波形,這樣有助于你選擇能夠滿足你所需要的最佳示波器。
某些示波器廠商通常會(huì)給可能的購(gòu)買者送一臺(tái)示波器進(jìn)行試用。如果將備選的示波器借來(lái)幾天,那么就有足夠的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行徹底的評(píng)價(jià)。對(duì)每臺(tái)示波器進(jìn)行試用時(shí)要考察的兩個(gè)重要因素就是易用性和顯示響應(yīng)速度。
當(dāng)評(píng)價(jià)示波器的易用性時(shí),要注意它是否為各種常用的調(diào)節(jié)功能,例如垂直敏感度、時(shí)基速度、掃描行程和觸發(fā)電平等,設(shè)置專用的旋鈕。觀察你從一個(gè)操作到下一個(gè)操作需要觸動(dòng)多少個(gè)旋鈕??匆豢茨闶欠衲軌驊{直覺操作示波器而同時(shí)把你的注意力集中在待測(cè)電路上,這一點(diǎn)也非常重要。
當(dāng)你不斷改變示波器的步調(diào)時(shí),注意顯示響應(yīng)的速度,這個(gè)指標(biāo)對(duì)于使用示波器檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)或者采集大量的數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵。當(dāng)你改變每段的電壓或者時(shí)間標(biāo)度,或者改變存儲(chǔ)深度,或者信號(hào)位置時(shí),注意觀察示波器顯示屏的響應(yīng)速度。在各種測(cè)量功能下測(cè)試這一響應(yīng)速度,觀察其是否存在明顯較慢的情況。其他需要考慮的問(wèn)題還有示波器廠商提供的探頭的性能,以及包括GPIB、RS-232、LAN和USB接口在內(nèi)的互連問(wèn)題。
評(píng)論