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对抖动完美测量的一半工作量都在于如何设置示

2019-11-29 00:15

如何设置示波器来完美测量抖动示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。对抖动完美测量的一半工作量都在于如何设置示波器。我们的目标是捕获并显示出信号在系统环境下的真实情况。因为每个实验室都有实时示波器,有必要知道如何去操作它们。抖动测量对环境特别敏感,所以要想办法针对各种抖动优化测试环境。首先要选取具备合适带宽的设备。如果带宽太窄,测试得边沿速率就会很低。低的沿速率会将幅度噪声更多的转化为时域错误。但是,如果带块太大,也只会增加测试中的热噪声和散粒噪声从而提高噪底。在NRZ码流来讲,一个经验规则就是选取带宽为码率的1.8倍。 接下来,尽量提高采样率,避免发生由于欠采样而发生的混叠效应。理论上,采样速率至少是信号最高基频的两倍;实际上,捕获过程中的模拟信号整形和数据变换会留有余量,因此示波器真正需要的采样速率是最高基频的2.5到3倍。所以,示波器的带宽采样速率比大概为1到3。 对于减小ADC量化误差来讲增大仪器的纵向解析度很重要。调节电压/刻度旋钮直到图形正好进入屏幕的垂直范围。过度就会使ADC变化饱和,不满就会减低SNR。 测量TIE抖动时时基设置也很重要,因为这项设置相当于可调的高通滤波器。时基会设置捕获时的最小TIE频率(示波器带宽决定最高抖动频率)。 同样,确定测试数据码型中包含有正确的频谱成分范围,并且只含有实数频谱成分。当采用PRBS码型时,码型长度要足够长保证捕获到低频分量,同时又不能超过仪器的存储范围。 始终减少触发与第一个采样点间的延时。信号被触发后,定时的不确定与时基等待采样数据的长短成正比。减少延时降低了这种不确定性,因此减低了被测抖动值。 避免示波器均化波形,选择sin/x在数据点间插值,并使用大幅度的快速触发。最后,在知道实际系统接收器门限电平的情况下将触发电平设置与其一致,否则,设置为波形值的一半。

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固纬示波器的基础知识选择方法示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像,便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器自从问世以来,一直是最重要、最常用的电子测试仪器之一。由于电子技术的发展,示波器的能力在不断提升,其性能与价格也五花八门,市场参差不齐。示波器看似简单,但如何选择,也存在许多问题。本文根据凡实测控多年帮助用户选型的经验,从几个方面告知您在选择示波器时应注意的问题: 一、了解您需要测试的信号 您要知道用示波器观察什么?您要捕捉并观察的信号其典型性能是什么?您的信号是否有复杂的特性?您的信号是重复信号还是单次信号?您要测量的信号过渡过程的带宽,或者上升时间是多大?您打算用何种信号特性来触发短脉冲、脉冲宽度、窄脉冲等?您打算同时显示多少信号?您对测试信号作何种处理? 二、选择示波器的核心技术差异:模拟、数字、还是数模兼合 传统的观点认为模拟示波器具有熟悉的控制面板,价格低廉,因而总觉得模拟示波器 “ 使用方便 ” 。但是随着 A/D 转换器速度逐年提高和价格不断降低,以及数字示波器不断增加的测量能力和实际上不受限制的测量功能,数字示波器已独领风骚。但是数字示波器显示具有三维的缺陷、处理连续性数据慢等缺点,需要具有数模兼合技术的示波器,例 DPO 数字荧光示波器。 三、确定测试信号带宽 带宽一般定义为正弦波输入信号幅度衰减到 -3dB 时的频率,即幅度的70.7% 。带宽决定示波器对信号的基本测量能力。如果没有足够的带宽,示波器将无法测量高频信号,幅度将出现失真,边缘将会消失,细节数据将被丢失。一个决定您所需要的示波器带宽有效经验—— “5倍经验准则”:将您要测量的信号最高频率分量乘以5,使测量结果获得高于2%的精度。 在某些应用场合,您不知道你的感兴趣的信号带宽,但是您知道它的最快上升时间,这时频率响应用下面的公式来计算关联带宽和仪器的上升时间: BW=0.35/信号的最快上升时间。 数字示波器带宽有两种类型:重复带宽和实时带宽。重复带宽只适用于重复的信号,显示来自于多次信号采集期间的采样。实时带宽是示波器的单次采样中所能捕捉的最高频率,且当捕捉的事件不是经常出现或瞬变信号时就更为重要,实时带宽与采样速率紧密联系。 带宽越高越好,但是更高的带宽往往意味着更高的价格,因此应按照预算来选择您要观察的信号频率成分。 四、A/D转换器的采样速率 单位为每秒采样次数,指数字示波器对信号采样的频率。示波器的采样速率越快,所显示的波形的分辨率和清晰度就高,重要信息和事件丢失的概率就越小。 如果需要观测较长时间范围内的慢变信号或低频信号,最小采样速率就发挥了作用,为了在显示的波形记录中保持固定的波形数,需要调整水平控制旋钮,而所显示的采样速率也将随着水平调节旋钮的变化而变化。 如何计算采样速率?计算方法取决于所测量的波形类型,以及示波器所采用的信号重建方式,例正弦插入法,矢量插入法等。为了准确地再现信号并避免混淆,奈奎斯定理规定:信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而,这个定理的前提是基于无限长时间和周期连续的信号。由于示波器不可能提供无限时间的记录长度,而且从定义上看,低频干扰是不连续的,也不是周期的,所以采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。 实际上,信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法,即波形重建。一些示波器会为操作者提供以下选择:测量正弦信号的正弦插值法,以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。 有一个比较采样速率和信号带宽时很有用的经验法则:如果您正在观察的示波器有内插(通过筛选以便在取样点间重新生成),则(采样速率 / 信号带宽)的比值至少应为 4∶1 ;无正弦内插时,则应采取 10∶1 的比值。 五、屏幕刷新率也称为波形更新速度 所有的示波器都会闪烁,示波器每秒钟以特定的次数捕获信号,在这些测量点之间将不再进行测量,这就是波形捕获速率,也称屏幕刷新率,表示为波形数每秒( WF ms/s )。一定要区分波形捕获速率与A/D采样速率的区别。采样速率表示示波器在一个波形或周期内A/D采样输入信号的频率 ; 波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别,且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性,并能极大地增加示波器快速捕获瞬时的异常情况,如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。 一般来讲,模拟示波器由于电路简单,其屏幕刷新率较高,而数字存储示波器使用串行处理结构每秒钟可以捕获 10 到 5000 个波形。为了改变数字示波器屏幕刷新率低的问题,数字荧光示波器采用并行处理结构,可以提供更高的波形捕获速率,有的高达每秒数百万个波形,大大提高了捕获间歇和难以捕捉事件的可能性,并能让您更快地发现信号存在的问题。 六、选用适当的存储深度,也称记录长度 存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果您需要不间断的捕捉一个脉冲串,则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的采样速率,可以计算出所要求的存储深度。 存储深度与采样速率密切相关。您所需要的存储深度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。 现代的示波器允许用户选择记录长度,以便对一些操作中的细节进行优化。分析一个十分稳定的正弦信号,只需要 500 点的记录长度;但如果要解析一个复杂的数字数据流,则需要有一百万个点或更多点的记录长度。 在正确位置上捕捉信号的有效触发,通常可以减小示波器实际需要的存储量。 七、根据需要选择不同的触发功能 示波器的触发能使信号在正确的位置点同步水平扫描,使信号特性清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单次波形。 大多数用示波器的用户只采用边沿触发方式,如果拥有其它触发能力在某些应用上是非常有用的,特别是对新设计产品的故障查寻,先进的触发方式可将所关心的事件分离出来,找出您关心的非正常问题,从而最有效地利用采样速率和存储深度。 现今有很多示波器,具有先进的触发能力。触发能力主要围绕三个方面:①有关垂直方向的幅度,例瞬态尖峰触发、过脉冲或短脉冲触发等;②有关水平方向的与时间有关的触发,例脉冲宽度、窄脉冲、建立/保持时间等设定时间宽度的触发形式;③扩展和常规触发功能的组合能力,例对视频信号或其它难以捕捉的信号,通过时间和幅度组合设置触发条件进行触发。触发能力的提高,可以大提高测试过程的灵活性,并简化工作,尤其现今的示波器对数据总线的触发能力大大提高,例CAN,I2C等。 八、通道能力,包括通道数量和通道对地的悬浮能力和通道之间的隔离能力 您需要的通道数取决于您的应用,对于通常的经济型故障查寻应用,需要的是双通道示波器,然而要求观察若干个模拟信号的相互关系,将需要一台 4 通道示波器,许多工作于模拟与数字两种信号的系统工程师可以选择混合信号示波器,它将逻辑分析仪的通道计数及触发能力与示波器的较高分辨率综合到具有时间相关显示的单一仪器中。如果您测量三相电,可控硅等有源器件或线路,两端之间没有绝对的零点,即所谓的浮地信号,这时候从操作安全和精度出发,应选用隔离通道示波器;如果比较多通道的时序和相移,应选用两通道以上示波器,这时通道之间的隔离更显重要。 九、对异常现象的捕获 三个主要因素影响着示波器显示日常测试与调试中所遇到的未知和复杂信号的能力:屏幕刷新速率、波形捕获方式和触发能力。波形捕获模式有:采样模式、峰值检测模式、高分辨率模式、包络模式、平均值模式等。屏幕刷新速率指给您关于示波器对信号和控制的变化反应快慢,使用峰值检测有助于在较慢的信号中捕捉快速信号的峰值。 十、示波器的性能和指标 示波器的指标有很多:如垂直灵敏度、扫描速度、垂直精度、时间基准、垂直分辨率等等。示波器的性能取决品牌的质量,关键在于质量、稳定性和校准服务等。 十一、分析功能有助于您事半功倍 数字示波器的最大优点是它们能得到的数据进行测量,且按一下按钮即可实现各种分析功能。虽然可利用的功能因厂家和型号而异,但它们一般包括频率、上升时间、脉冲宽度等测量,有些示波器还提供很多分析模块,例FFT、功率分析、高级数学运算等超常功能。 十二、相应配套的附件和探头 容易忘记的一点是,当装上探头时,它就成为整个测试电路的一部分了,结果探头将造成电阻性、电容性和电感性负载,使示波器呈现出与被测对象不同的测量结果。因此,针对不同应用配有相应的探头,然后选择其中一种,使负载效应最小,使信号得到最精确的复现。由于 SMT 元件的发展,连接更困难,使用不同的附件满足特殊需要。合理地选择探头和附件”。 十三、示波器的操作性能 很显然,如果您不能访问各种功能,或者要花很多时间去学习它们,那么您的示波器将价值不大,适当的培训和中文操作界面会使您突破使用上的障碍。 十四、示波器的数据管理和通讯能力 对测量结果的分析非常重要。将信息和测量结果在高速通信网络中便捷地保存和共享变得日益重要。 示波器的互联性提供对结果的高级分析能力并简化结果的存档和共享。示波器通过各种接口( GPIB 、 RS-232 、 USB 或以太网)和网络通信模式提供一系列的功能和控制方式。 十五、示波器功能的扩展性 为了不断适应需求变化。示波器功能最好可以随机扩展: ○ 增加通道的内存以分析更长的记录长度 ○ 增加面对具体应用的测量功能 ○ 有一整套兼容的探头和模块,加强示波器的能力 ○ 同通用第三方的 Windows 兼容的分析软件协同工作。 ○ 增加附件,如电池组和机架固定件等。 总之,示波器的选择是一个看似简单而又是您很难处理的问题,市场上产品很多,并且技术各有差异,有时很难让您下决定。以上说明可能给您一些建议。根据多年经验,选择示波器有以下“经验法则”: ART模拟示波器,选择四要素:性价比(价格与产品质量品牌的比较优势)、测试带宽、通道数量、供应商能力。 DSO数字存储示波器,在测试信号带宽、示波器带宽、示波器实时采样率、示波器存储深度之间找到平衡,有以下经验可循:示波器带宽最好是信号带宽的5倍;示波器实时采样速率≥4倍示波器带宽;存储深度≥采样速率×要求最长保存时间。 DPO数模兼合示波器,在基本指标要求上与DSO一致,但需要引入二个能力:屏幕刷新率、波形触发与分析能力。 特殊功能需求。①你如果需要到现场工作,并且需要电池供电,对仪器的体积要求很严,对仪器的功能除示波器测量外还需要其它测试,您这时最好选用手持示波表。②如果您在隔离或悬浮时,安全不能得到保障,并且需要分析功率、相移时,请选用隔离示波器,尤其是多通道的DIO。③如果您需要多通道的模拟与数字信号混合测试,您除了选用具有串行总线触发功能的示波器外,您最好选用MSO混合示波器。 文章来源:北京凡实测控技术有限公司

摘要:随着无线通信、雷达、卫星通信、光通信等领域对于信号传输速率或者分辨率要求的提升,采用的调制制式越来越复杂,信号带宽也越来越宽。现代的实时示波器由于芯片和材料工艺的提升,已经可以提供高达几十GHz的实时测量带宽,同时由于其时域测量的直观性和多通道等特点,使其开始广泛应用于超宽带信号以及射频信号的测量。本文介绍了高带宽实时示波器在射频信号测量领域的典型应用,以及示波器用于射频测量时的底噪声、无杂散动态范围、谐波失真、绝对幅度测量精度、相位噪声等关键指标。前言:每一位做射频或者高速数字设计的工程师都会同时面临频域和时域测试的问题。比如从事高速数字电路设计的工程师通常从时域分析信号的波形和眼图,也会借用频域的S参数分析传输通道的插入损耗,或者用相位噪声指标来分析时钟抖动等。对于无线通信、雷达、导航信号的分析来说,传统上需要进行频谱、杂散、临道抑制等频域测试,但随着信号带宽更宽以及脉冲调制、跳频等技术的应用,有时采用时域的测量手段会更加有效。现代实时示波器的性能比起10多年前已经有了大幅度的提升,可以满足高带宽、高精度的射频微波信号的测试要求。除此以外,现代实时示波器的触发和分析功能也变得更加丰富、操作界面更加友好、数据传输速率更高、多通道的支持能力也更好,使得高带宽实时示波器可以在宽带信号测试领域发挥重要的作用。一、为什么射频信号测试要用示波器?时域测量的直观性要进行射频信号的时域测量的一个很大原因在于其直观性。比如在下图中的例子中分别显示了4个不同形状的雷达脉冲信号,信号的载波频率和脉冲宽度差异不大,如果只在频域进行分析,很难推断出信号的时域形状。由于这4种时域脉冲的不同形状对于最终的卷积处理算法和系统性能至关重要,所以就需要在时域对信号的脉冲参数进行精确的测量,以保证满足系统设计的要求。更高分析带宽的要求在传统的射频微波测试中,也会使用一些带宽不太高的示波器进行时域参数的测试,比如用检波器检出射频信号包络后再进行参数测试,或者对信号下变频后再进行采集等。此时由于射频信号已经过滤掉,或者信号已经变换到中频,所以对测量要使用的示波器带宽要求不高。但是随着通信技术的发展,信号的调制带宽越来越宽。比如为了兼顾功率和距离分辨率,现代的雷达会在脉冲内部采用频率或者相位调制,典型的SAR成像雷达的调制带宽可能会达到2GHz以上。在卫星通信中,为了小型化和提高传输速率,也会避开拥挤的C波段和Ku波段,采用频谱效率和可用带宽更高的Ka波段,实际可用的调制带宽可达到3GHz以上甚至更高。另外示波器的幅频特性曲线并不是从直流到额定带宽都平坦,而是达到一定频点后就开始明显下降,因此选择实时示波器时,示波器的带宽应该大于需要的分析带宽,至于大多少,要具体看示波器实际的频响曲线和被测信号的要求。在这么高的传输带宽下,传统的检波或下变频的测量手段会遇到很大的挑战。由于很难从市面上寻找到一个带宽可达到2GHz以上同时幅频/相频特性又非常理想的检波器或下变频器,所以会造成测试结果的严重失真。同时,如果需要对雷达脉冲或者卫星通信信号的内部调制信息进行解调,也需要非常高的实时带宽。传统的频谱仪测量精度和频率范围很高,但实时分析带宽目前还达不到GHz以上。因此,如果要进行GHz以上宽带信号的分析解调,目前最常用的手段就是借助于宽带示波器或者高速的数采系统。二、现代实时示波器技术的发展传统的示波器由于带宽较低,无法直接捕获高频的射频信号,所以在射频微波领域的应用仅限于中频或控制信号的测试,但随着芯片、材料和封装技术的发展,现代实时示波器的的带宽、采样率、存储深度以及底噪声、抖动等性能指标都有了显著的提升。材料技术革新对示波器带宽的提升以材料技术为例,磷化铟(InP)材料是这些年国际和国内比较热门的材料。相对于传统的SiGe材料或GaAs材料来说,磷化铟(InP)材料有更好的电性能,可以提供更高的饱和电子速度,更低的表面复合速度以及更高的电绝缘强度。在采用新型材料的过程中,还需要解决一系列的工艺问题。比如InP材料的高频特性非常好,但如果采用传统的铝基底时会存在热膨胀系数不一致以及散热效率的问题。氮化铝是一种新型的陶瓷基底材料,其热性能和InP更接近且散热特性更好,但是AlN材料成本高且硬度大,需要采用激光刻蚀加工。借助于新材料和新技术的应用,现代实时示波器的硬件带宽已经可以达到60GHz以上,同时由于磷化铟(InP)材料的优异特性,使得示波器的频响更加平坦、底噪声更低,同时其较低的功率损耗给产品带来更高的可靠性。磷化铟材料除了提供优异的高带宽性能外,其反向击穿电压更高,采用磷化铟材料设计的示波器可用输入量程可达8V,相当于20dBm以上,大大提高了实用性和可靠性。ADC采样技术对示波器采样率的提升要保证高的实时的带宽,根据Nyqist定律,放大器后面ADC采样的速率至少要达到带宽的2倍以上。目前市面上根本没有这么高采样率的单芯片的ADC,因此高带宽的实时示波器通常会采用ADC的拼接技术。典型的ADC拼接有两种方式,一种是片内拼接,另一种是片外拼接。片内拼接是把多个ADC的内核集成在一个芯片内部,典型的如下图所示的Keysight公司S系列示波器里使用的40G/s采样率的10bitADC芯片,在业内第一次实现8GHz带宽范围内10bit的分辨率。片内拼接的优点是各路之间的一致性和时延控制可以做地非常好,但是对于集成度和工艺的挑战非常大。所谓片外拼接,就是在PCB板上做多片ADC芯片的拼接。典型的采用片外拼接的例子是Keysight公司的Z系列示波器,其采用8片20G/s采样率的ADC拼接实现了160G/s的采样率,保证了高达63GHz的硬件带宽。片外拼接要求各芯片间偏置和增益的一致性非常好,同时对PCB上信号和采样时钟的时延要精确控制。所以Z系列示波器的前端芯片里采用了先采样保持再进行信号分配和模数转换的技术,大大提高了对于PCB走线误差和抖动的裕量。三、宽带示波器在射频信号测试中的典型应用正是由于芯片、材料和工艺技术带来的示波器带宽和采样率的快速提升,使得宽带实时示波器开始在射频信号的测试中发挥关键的作用。以下是一些典型应用。射频信号时频域综合分析实时示波器性能的提升使得其带宽可以直接覆盖到射频、微波甚至毫米波的频段,因此可以直接捕获信号载波的时域波形并进行分析。从中可以清晰看到信号的脉冲包络以及脉冲包络内部的载波信号的时域波形,这使得时域参数的测试更加简洁和直观。由于不需要对信号下变频后再进行采样,测试系统也更加简单,同时避免了由于下变频器性能不理想带来的额外信号失真。更进一步地,还可以借助于示波器的时间门功能对一段射频信号的某个区域放大显示或者做FFT变换等。下图是在一段射频脉冲里分别选择了两个不同位置的时间窗口,并分别做FFT变换的结果,从中可以清晰看出不同时间窗范围内信号频谱的变化情况。雷达脉冲参数测试对于雷达等脉冲调制信号来说,对于脉冲信号其宽度、上升时间、占空比、重复频率等都是非常关键的时域参数。按照IEEEStd 181规范的要求,一些主要的脉冲参数的定义如下图所示。当用宽带示波器已经把射频脉冲捕获下来以后,就可以借助于示波器里内置的数学函数编辑一个数学的检波器。如下图所示,黑色曲线是从原始信号里用数学检波器检出的包络信号。包络波形得到后,借助于示波器本身的参数测量功能,就可以进行一些基本的脉冲参数测试。更进一步地,我们还可以借助于示波器的FFT功能得到信号的频谱分布,借助示波器的抖动分析软件得到脉冲内部信号频率或相位随时间的变化波形,并把这些结果显示在一起。下图显示的是一个Chirp雷达脉冲的时域波形、频率/相位变化波形以及频谱的结果,通过这些波形的综合显示和分析,可以直观地看到雷达信号的变化特性,并进行简单的参数测量。在雷达等脉冲信号的测试中,是否能够捕获到足够多的连续脉冲以进行统计分析也是非常重要的。如果要连续捕获上千甚至上万个雷达脉冲,可能需要非常长时间的数据记录能力。比如某搜索雷达的脉冲的重复周期是5ms,如果要捕获1000个连续的脉冲需要记录5s时间的数据。如果使用的示波器的采样率是80G/s,记录5s时间需要的内存深度=80G/s*50s=400G样点,这几乎是不可能实现的。为了解决这个问题,现代的高带宽示波器里都支持分段存储模式。所谓分段存储模式,是指把示波器里连续的内存空间分成很多段,每次触发到来时只进行一段很短时间的采集,直到记录到足够的段数。很多雷达脉冲的宽度很窄,在做雷达的发射机性能测试时,如果感兴趣的只是有脉冲发射时很短一段时间内的信号,使用分段存储就可以更有效利用示波器的内存。在下图中的例子里,被测脉冲的宽度是1us,重复周期是5ms。我们在示波器里使用分段存储模式,设置采样率为80G/s,每段分配200k点的内存,并设置做10000段的连续记录。这样每段可以记录的时间长度=200k/80G=2.5us,总共使用的示波器的内存深度=200k点*10000段=2G点,实现的记录时间=5ms*10000=50s。也就是说,通过分段存储模式实现了连续50s内共10000个雷达脉冲的连续记录。雷达参数综合分析除了在示波器里直接对雷达脉冲的基本参数进行测量,也可以借助功能更加强大的矢量信号分析软件。下图是用Keysight公司的89601B矢量信号分析软件结合示波器对超宽带的Chirp雷达信号做解调分析的例子,图中显示了被测信号的频谱、时域功率包络以及频率随时间的变化曲线。被测信号由M8195A超宽带任意波发生器产生,Chirp信号的脉冲宽度为2us,频率变化范围从1GHz~19GHz,整个信号带宽高达18GHz!这里充分体现了实时示波器带宽的优势。更严格的雷达测试不会仅仅只测脉冲和调制带宽等基本参数。比如由于器件的带宽不够或者频响特性不理想,可能会造成Chirp脉冲内部各种频率成分的功率变化,从而形成脉冲功率包络上的跌落和波动现象。因此,严格的雷达性能指标测试还需要对脉冲的峰值功率、平均功率、峰均比、Droop、Ripple、频率变化范围、线性度等参数以及多个脉冲间的频率、相位变化进行测量,或者要分析参数随时间的变化曲线和直方图分布等。这些更复杂的测试可以借助于89601B软件里的BHQ雷达脉冲测量选件实现。这个测试软件也支持示波器的分段存储模式,可以一次捕获到多个连续脉冲后再做统计分析,下图是一个实际测试的例子。跳频信号测试除了雷达脉冲分析以外,借助于示波器自身的抖动分析软件或者矢量信号分析软件,还可以对超宽带的调频信号进行分析。下图是对一段在7GHz的带宽范围内进行调频的信号的频谱、时域以及调频图案的分析结果。调制器时延测试在卫星通信或者导航等领域,需要测试其射频输出相对于内部定时信号的绝对时延并进行修正。这就需要使用至少2通道的宽带示波器同时捕获定时信号和射频输出,并能进行精确可重复的测量。用示波器捕获到的1pps定时信号以及QPSK调制的射频输出信号。用作触发的定时信号到来后,射频信号功率第1个过零点的时刻相对于定时信号的时延就是要测量的系统时延。如果仅仅通过手动光标测量,很难卡准合适的功率零点位置。我们借助于前面介绍过的数字检波功能,可以检出射频信号的功率包络并进行放大,并借助示波器的测量功能来测量功率包络最小点的时刻,这就实现了卫星转发器或调制器时延的精确测试。通过多次自动测试过零点时刻,还可以进行长时间的统计,以分析时延的变化范围和抖动等。宽带通信信号的解调分析在WLAN、卫星通信、光通信领域,可能需要对非常高带宽的信号进行性能测试和解调分析,这对于测量仪器的带宽和通道数要求非常高。比如在光纤骨干传输网上,已经实现了单波长100Gbps的信号传输,其采用的技术就是把2路25Gbps的信号通过QPSK的调制方式调制到激光器的一个偏振态,然后把另2路25Gbps的信号通过同样的方式调制到激光器一个偏振态上,然后把两个偏振态的信号合成在一起实现100Gbps的信号传输。而在下一代200Gbps或者400Gbps的技术研发中,可能会采用更高的波特率以及更高阶的调制如16QAM、64QAM甚至OFDM等技术,这些都对测量仪器的带宽和性能提出了非常高的要求。Keysight公司进行100G/400G光相干通信分析仪N4391A:仪器下半部分是一个相干光通信的解调器,用于把输入信号的2个偏振态下共4路I/Q信号分解出来并转换成电信号输出,每路最高支持的信号波特率可达126Gbaud;而上半部分就是一台高带宽的Z系列示波器,单台示波器就可以实现4路33GHz的测量带宽或者2路63GHz的测量带宽;示波器里运行89601B矢量信号分析软件,可以完成信号的偏振对齐、色散补偿以及4路I/Q信号的解调和同时显示等。还显示了用示波器做超宽带信号解调分析的结果,被测信号是由M8195A发出的32Gbaud的16QAM调制信号。由于16QAM调制格式下每个符号可以传输4个bit的有效数据,所以实际的数据传输速率达到128Gbps。通过宽带的频响修正和预失真补偿,实现了高达20dB以上的信噪比以及4%的EVM指标。多通道测量在MIMO、相控阵以及做科学研究的场合,通常需要对多于4路的高速信号做同时测量。为了满足这种应用,现代的高带宽示波器在硬件和软件上都提供了对于多通道测量的支持能力。Keysight的N8834A多通道示波器软件支持将Infiniium 9000、90000、S、V、Z系列多通道示波器方案。展示的是基于Z系列示波器的多通道级联方案以及示波器里的多通道测量软件,目前可以支持最多10台示波器的级联,提供20路同步的带宽高达63GHz的测量通道,或者40路带宽为33GHz测量通道。通过精确的时延和抖动校准,通道间的抖动可以控制在150fs以内。EMI/EMC 预调试功能很多射频产品除了要遵循EMC规范外,EMI现象也影响产品的性能,尤其是在噪声和抖动方面,如果不小心处理,则有可能破坏整个电路的功能,因此许多电路设计指南都会包括保护频段、参考地平面、回路、电源控制环回以及扩频时钟,目的就是最小化EMI效应。EMI问题产生的常见原因包括开关电源、电源滤波、地阻抗、液晶屏、金属屏蔽壳静电、电缆屏蔽不好、布线路径内部耦合、器件的寄生参数以及信号回路不完全等。EMI问题常见的分析方法是用频谱分析仪接收机。但很多工程师也许不熟悉的是,示波器是可以用在EMI预调试上的,以前大家的一个顾虑是示波器大都使用8-bitADC,幅度和相位频响不是很好,而随着像InfiniiumS系列示波器在500MHz~ 8GHz带宽内使用10-bit ADC,V系列在8GHz~ 33GHz带宽内将本底噪声降到很低,示波器在EMI预调试方面增加很多功能,包括频域模板、近场探头、多达8个FFT同时分析,画图触发,模拟、逻辑信号和串行信号同时分析等。下图是可用于EMI预调试的近场探头以及频域模板触发的实例。四、示波器的射频性能指标从前面介绍的一些示波器在射频测试里的典型应用可以看出:由于技术的发展,使得示波器高带宽、多通道的优势非常适合于各种复杂的超宽带应用,同时其时域、频域的综合分析能力也提高了测量的直观性。但是在使用示波器做射频信号测试时,我们不能不对其精度和性能有一定的顾虑。因为实时示波器虽然采样率很高,但是由于普遍采用8bit的ADC,所以其量化误差和底噪声较大。而且传统示波器只会给出其带宽、采样率、存储深度等指标,可供参考的频域方面的性能指标较少。因此,下面我们将通过一些实际的测试和分析,来认识一下示波器的射频性能指标。底噪声底噪声是测量仪器非常重要的一个指标,它会影响到测量结果的信噪比以及测量小信号的能力。传统上会认为示波器的底噪声较高,因此不适用于小信号测量,其实并不完全是这样,最主要原因在于不同仪器对底噪声的定义方式不一样。底噪声的主要来源是热噪声以及前端放大器增加的噪声,这两部分噪声通常是和带宽近似成正比的。比如热噪声的计算公式如下,噪声功率和带宽是线性的关系。示波器作为一台宽带测量仪器,其底噪声指标给出的是全带宽范围内噪声的总和,而且也近似和带宽成正比。比如在下图左边是Keysight公司S系列示波器手册里给出的底噪声指标。在50mv/div的量程下,4GHz带宽的示波器S-404的底噪声为768uVrms,近似是1GHz带宽的示波器S-104在相同量程下底噪声456uVrms的2倍。由于功率是电压的平方,所以4GHz示波器的底噪声的功率是相同条件下1GHz示波器底噪声功率的4倍,和带宽的倍数正好相当。正是由于底噪声和带宽近似成正比,所以宽带示波器的底噪声会比窄带的大。为了公平,我们可以把示波器在不同量程下的底噪声归一化到每单位Hz进行比较,而这也正是频谱仪等射频仪器里对其底噪声DANL的描述方法。比如在每格50mv量程下,示波器的满量程是8格相当于400mV,对应于-4dBm的满量程,对于8GHz的S-804A示波器来说,其8GHz带宽范围内总的底噪声是1.4mVrms,相当于-44dBm,归一化到每单位Hz的底噪声就相当于-143dBm/Hz。而在更小的量程下,S系列示波器的底噪声可以达到-158dBm/Hz,这个指标已经好于绝大多数市面上频谱仪不打开前置放大器的情况。即使在打开前置放大器的情况下,很多频谱仪的DANL指标也仅仅比S系列示波器好几个dB而已。S系列8GHz带宽示波器在最小量程下底噪声的实测结果。中心频点1GHz,Span=20MHz,除了在1GHz频点有很小的杂散以外,其在RBW=10KHz下的底噪声约为-120dBm,相当于约-160dBm/Hz。因此,归一化到每单位Hz后,示波器的底噪已经优于绝大多数频谱仪在不打开前置放大器时的指标,这个指标还是相当不错的。由于噪声是和带宽成正比的,所以如果信号带宽只集中在某一个频段范围内,就可以通过相应的数字滤波技术来滤除不必要的带外噪声以提高信噪比,比如很多示波器里的数字带宽调整功能就是一种降低示波器自身底噪声的方法。无杂散动态范围在射频测试中,除了底噪声以外,无杂散动态范围也非常重要,因为它决定了在有大信号存在的情况下能够分辨的最小信号能量。对于示波器来说,其杂散的主要来源是由于ADC拼接造成的不理想。以2片ADC拼接为例,如果采样时钟的相位没有控制好精确的180度,就有可能造成信号的失真,在频谱上就会出现以拼接频率为周期的杂散信号。如果失真比较严重,即使再高的采样率也无法保证采集到的信号的真实性。对于高带宽示波器来说,不论是采用片内拼接还是片外拼接,由于拼接不理想造成的杂散都客观存在,关键是杂散能量的大小。以Keysight的S系列示波器为例,其采用了单片40G/s的ADC芯片,通过专门的工艺优化了时钟分配和采样保持电路,可以保证很好的一致性。下图是用Keysight公司的E8267D信号源产生1GHz信号经滤除谐波后在5GHz的Span范围内看到的频谱,可以看到除了2次和3次谐波失真外,其杂散指标可以达到-75dBc,相当于一台中等档次的频谱仪的水平。谐波失真谐波失真也是衡量测量信号保真度的一个重要指标。对于示波器来说,为了保证高的采样率,其ADC的位数相对于频谱仪里使用的14bitADC有较大差异,其谐波失真主要来源于ADC的量化噪声造成的信号失真,典型的是2次和3次谐波失真,通常3次谐波的能量更大,这点和频谱仪里由于混频器造成2次谐波失真来源不太一样。在上面的测试结果中,其2次谐波失真约为-65dBc,比一般的频谱仪差一些。而其3次谐波失真约为-49dBc,比起一般的频谱仪就差远了。因此如果用户关心谐波失真指标,比如在放大器的非线性测试中,使用示波器并不是一个好的选择。不过好在谐波造成的失真通常在带外,通过简单的数学滤波处理很容易把谐波滤除掉。所以在有些宽带信号解调的应用中,由于测量算法在解调过程中会加入数学滤波器,谐波失真对于最终的解调结果影响并不是很大。绝对幅度精度绝对幅度精度会影响到示波器对某个频点载波做功率测量时的准确度。对于示波器来说,绝对幅度精度指标 = DC幅度测量精度 + 幅频响应。因此需要两部分分别分析。DC幅度测量精度就是示波器里标称的双光标测量精度,又由DC增益误差和垂直分辨率两部分构成。对于实时示波器来说,DC增益精度一般为满量程的2%,而分辨率与使用的ADC的位数有关,如果是10bit的ADC就相当于满量程的1/1024。由此计算得出实时示波器的DC幅度精度大约在±0.2dB左右。至于幅频响应,传统上宽带设备的幅频响应都不会特别好,但现代的高性能示波器在出厂时都会做频率响应的校准和补偿,使得其幅频响应曲线非常平坦。下图是Keysight公司8GHz带宽的S系列示波器的幅频响应曲线,可以看出其带内平坦度非常好,在7.5GHz以内的波动不超过±0.5dB。因此,综合下来,S系列示波器在7.5GHz以内的绝对幅度测量精度可以控制在±1dB左右,这个指标和大部分中高档频谱仪的指标相当。而Keysight公司的V系列示波器更是可以在30GHz的范围内保证±0.5dB的绝对幅度精度,超过了大部分高档频谱仪的指标。相位噪声测量仪器的相位噪声反映了测试一个纯净正弦波时的近端低频噪声的大小,在雷达等应用中会影响到对于慢目标识别时的多普率频移的分辨能力。相位噪声的频域积分就是时域的抖动。对于示波器来说,相位噪声太差或者抖动太大会造成对于射频信号采样时产生额外的噪声从而恶化有效位数。传统的示波器不太注重采样时钟的抖动或者相位噪声,但随着示波器的采样率越来越高,以及为了提高射频测试的性能,现代的数字示波器如Keysight公司的S、V、Z等系列示波器都对时钟电路进行了优化,甚至采用了经典的微波信号源如E8267D里的时钟电路设计,使得示波器的相位噪声指标有了很大提升。如下图所示是S示波器在1GHz载波时的相位噪声曲线,测试中的RBW设置为750Hz,在偏离中心载波100kHz处的噪声能量约为-92dBm,归一化到单位Hz能量约为-120dBc/Hz,这已经超过了市面上大多数中档频谱仪的相噪指标。而更高性能的V系列示波器的相位噪声指标则可以做到约-130dBc/Hz@100KHz offset,这已经超过了市面上大部分中高档频谱仪的相应指标。五、总结从前面的介绍可以看出,现代的高性能的实时示波器除了受ADC位数的限制造成谐波失真指标明显较差以外,其无杂散动态范围可以和中等档次的频谱仪相当,而底噪声、带内平坦度、绝对幅度精度、相位噪声等指标已经可以做到和中高档频谱仪类似。而且,为了满足射频测试的要求,现代的高性能示波器里除了传统的时域指标以外,也开始标注射频指标以适应射频用户的使用习惯。下表就是Keysight公司V系列示波器里给出的典型的射频指标。当然,由于工作原理的不同,实时示波器在做频域分析时还有一些局限性,比如在特别小RBW设置下由于需要采集大量数据做FFT运算,其波形更新速度会严重变慢,因此不适用于窄带信号的测量。正是由于实时示波器明显的高带宽、多通道优势以及强大的时域测量能力,再加上改进了的射频性能指标,使得其在超宽带射频信号的测量、时频域综合分析以及多通道测量的领域开始发挥越来越重要的作用。来源:本文摘自融创芯城

4月10日,英国比克科技推出 PicoScope 9404 SXRTO。9404 型号具有四个5 GHz模拟带宽、12 位ADC、每个通道支持高达 500 MS/s 的实时采样和1 TS/s 的等效时间采样。无论是垂直电压分辨率,还是时间分辨率规格都是高性能宽带示波器的特性。

PicoScope 9404 SXRTO宽带输入以及高时间分辨率和电压分辨率可显示和精确测量快达 70 ps 的切换、时钟性能和千兆比特速率信号的眼图分析。小于 2 ps RMS 的触发抖动和 5GHz 的内部触发支持当今高速串行数据系统的容限分析和特征描述以及无线通信频率的测量如应用广泛的 900MHz 和 2.4GHz 等主要的无线通信频率。

PicoScope 9404的 SXRTO 设备结构可大幅降低对于重复信号或时钟相关应用所需要的宽带时域采样成本。Pico 的 RF 业务开发经理 Mark Ashcroft 注意到,传统实时示波器 中的主要成本来自于数据和内存带宽。高速实时采样需要的数据带宽远远超过模拟系统带宽,从而导致设备成本升高。几乎所有 RTO 均使用 ETS以便在出现重复信号时扩展采样密度。Pico 的 SXRTO 结构以更具成本效益的 500 MS/s 低速率进行实时采样,而且它通过开发 ETS 技术使得采样速率提升2000倍达到1 TS/s ,从而获得市场领先的采样速率。许多高速信号都是重复性的,因此不需要昂贵的高实时采样率。

与"采样示波器"对比,ETS 技术支持触发和预触发捕获以及熟悉、方便和易用的实时示波器操作。Pico的 SXRTO 技术可在采样速率等于和小于 500 MS/s 时无缝转换到瞬态事件波形捕获,并可在捕获内存保存 250,000 个样本;它对较慢系统信号的捕获和调制包络尤为有价值。

该基于USB 控制的设备还提供有 PicoSample 4 软件。触摸兼容的 GUI 支持对设备的设置,并可以用户喜欢的显示尺寸和格式显示波形、测量值和统计数据。其中包括对高分辨率显示器和投影仪的完全支持。最多可以使用四个独立的可缩放视图来查看波形的细节。

它还包括各种自动化和用户可配置的信号完整性测量、数学分析、统计视图和容限测试工具,可用于脉冲和时序性能、抖动、RZ 和 NRZ 眼图的验证和趋势分析。作为标准配置,它包括有 PCIe、GB 以太网和串行 ATA 等行业标准测试模板。

虽然大部分用户在他们的工作场所将直接使用 PicoSample 4 软件,但是对于 OEM 和各种定制应用,PicoScope 9404 可以在 ActiveX 远程控制下运行。提供的编程示例有 Visual Basic 、MATLAB 和 LabVIEW 语言,支持 Windows COM 界面标准的任何编程语言或标准,包括 JavaScript 和 C 语言。

将 PicoConnect™ 900 系列千兆比特和微波无源测试探头与 9404 配合使用,可以为多样化应用提供各种带宽、耦合类型和衰减比选择。PicoScope 9404 具有一个有源 SMA 接口的新架构,该架构便于支持以后的各种配置和附件。

关于:英国比克科技

英国比克科技是一个被广泛认可的以提供新型的且具有高性价比产品的欧洲企业,是全球测试测量行业的技术领导者。其产品不仅能够替代传统测试和数据采集设备,而且还引领着当前电子测试行业的发展趋势,如同大哥大演变到智能手机一样,比克科技将传统台式示波器演变到了比克示波器,一个可以装到口袋里的紧凑型设备包含了多达6种仪器的功能:示波器、逻辑分析仪、频谱分析仪、任意波形发生器、函数发生器、串行总线分析仪;而且还具备一系列令人惊叹的世界领先和独一无二的指标和特点:USB 3.0接口高速传输数据、2GS深存储深度、16位ADC分辨率、8位到16位可调ADC分辨率、8通道12位ADC分辨率、4路真实差分高分辨率输入、自定义示波器功能等。比克科技通过提供高级的和买得起的工具在极为广泛的领域满足设计和测试工程师对电子信号进行捕获、测量、分析和调试的需求,为电子世界带来了无可替代的价值。植根于先进科学技术发源地的欧洲,比克科技继承了欧洲企业拥有前沿技术和强劲质量,以及坚守对客户、协会和合作伙伴、社区、以及整个人类之承诺的传统,所有产品严格按照ISO9001:2008质量体系进行设计和制造。比克科技目前的主要产品包含有PC矢量网络分析仪、PC实时数字示波器、PC采样示波器、PC TDR/TDT分析仪、PC光信号分析仪、PC采集卡设备、PC电压/电流/温度记录仪、PC脉冲信号源等。比克科技支持全世界60多个国家的分销商网络来帮助其创造和维持比克科技在行业内的名望。

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