数字存储示波器迎接定时和抖动的挑战,示波器性能特点

在生产设计涉及快速信号而且时间紧迫的情况下，工程师有准确的仪器和良好的故障排除工具是非常重要的。为迎接这种挑战，示波器生产商提供了既有高精确基本特性又有先进解决问题能力的仪器。 数字示波器的基本任务是为使用者捕捉、观察和分析信号，以及提供排除故障的工具。在选择示波器时使用者要考虑触发性能、带宽、取样率和采集存储器长度。

触发

许多高性能示波器装有触发器，能够区别变化率、毛刺和低脉冲的问题。如果使用者处理的是高速信号，则理想的示波器可由快速事件触发。*快的触发电路可用100ps分辨率捕捉600ps的事件。

当电路情况尚未清楚时，使用非常快速的触发并将数据全部存入显示屏的长余辉图形。使用者能观察到可能引起错误的事件类型，并设置触发去捕捉这些事件。

如果使用者知道正常信号应有的波形，则使用者只要在信号出现异常定时特性时触发。

带宽和取样率

示波器带宽和取样率对精确信号捕捉是重要的。对定时测量来说，两种特性中取样率通常更为重要。

数字示波器在一个信号周期中*少应捕捉八个样本，才能进行精确的定时测量。精密测量可能需要更高的比率。

前端放大器要有足够的带宽去跟踪信号的*高带宽成分。对于上升时间350ps的电路来说，放大器具有350ps本征上升时间的1GHz示波器就足够了。所有时钟边沿的上升时间将会同样降低，但不会影响它们的相对定时。

应该选用更高带宽的仪器去测量1GHz以上的噪声效应，同时应该认识更高带宽的双边沿效应。更精确的上升时间要求示波器绘制更精确的带宽，但是过份的带宽会使使用者获得错误的结论。假定微处理器时钟正在驱动高速RAM器件的选通输入，RAM器件将对时钟边沿发生响应而不是对高频噪声发生响应。在这种情况下，电路响应受带宽限制并忽略掉很高的高频噪声。

宽带垂直噪声是边沿抖动的主要制造者，但使用者不要过份估计垂直噪声的影响，把超过被测电路和带宽的噪声影响也考虑在内。因为放大器的宽带噪声随带宽的开方值增加，使用者应保证示波器不会把噪声和抖动加入到信号中。具有500MHz至几GHz带宽的示波器只有几ps的本征噪声。

存储器深度

对于复杂数据流的时钟稳定度和定时分析，示波器应该有足够的存储器在整个数据记录上保持A/D转换器的*高取样率。如果存储器不够，则必需降低A/D转换器的取样率去捕捉整个信号，或者保持*高取样率而不能记录整个信号。

定时测量

多种定时测量都要统计数据的有效性。使用者不能只测量一次周期至周期的变化就测量出周期抖动。必须进行多次测量以保证一个具有高斯分布的参数的分布范围的测量（见附表）。这些分布需要包括多种信号定时变化由宽带噪声决定的定时测量 。

高斯分布测量

直分图事件数 时钟周期抖动（б） 100±2.1 1,000±2.9 5,000 ±3.4 10,000 ±3.5 100,000 ±4.1 1,000,000 ±4.6 5,000,000 ±5.1

参数测量值，例如空度比误差要有1，000次测量，获得*可能的结果是分布范围达到±2.9б。捕捉1×106次测量可将数值范围扩展到大约9б（±4.6б）。这样的置信度要高得多，使*坏情况的电路性能得到特征化。

某些示波器触发一次只捕捉到一个参数值，即使由长的存储器去捕捉，通常只是屏幕的*个周期。另一些示波器触发一次可捕促到1×106以上的周期并对所有周期都作测量。

示波器的CPU速度和RAM大小随型号的不同而不同，没有必要与价格挂钩。某些低价示波器有很高的处理能力，而某些高价的示波器的处理能力却很低。某些示波器用专用DSP去快速运行某些计算，但对另一些计算的运行会很慢。*好在购买示波器之前，先让示波器进行特定的测量。

先进的故障排除性能

多种先进的故障排除工具，特别是寻找定时和抖动问题的工具，现在都装入示波器内。首先是某些示波器具有更快进入触发方式的能力，并且将数据显示成余辉图形，使用者可观察到大量事件。

某些示波器使用这些余辉图数据绘制出向量扫迹，它显示的包络是±3б或其它б值，而其它示波器可给出数据值的统计表示。它用四个数字一组来表示，使边沿的多次采集特征化，用边沿到达的*先、*后、平均和б值来显示。

其它示波器可绘制出表示所有边沿到达时间的直方图。多峰直方图或带肩直方图表示除一项噪声之外，还有其它因素导致定时问题。

某些示波器还可作出诸如周期周期抖动、周期至下一周期的空度比变化、脉冲幅度分布等的信号参数直方图。由于直方图内容随示波器型号的不同而不同，工程师应考虑哪一种参数重要而选择一种含有这种参数的示波器。在许多情况下需要保持与时间有关的参数测量记录。某些示波器可采用与数据采集一样的时基作出定时参数的连贯值扫迹。

上述扫迹跟踪着信号随原始数据扫迹的定时变动。如果信号的周期、频率或空度比变化，则跟踪着抖动的扫迹可显示出随这些变化而变化的曲线（见附图）。

因为统计数据用作证实一个系统是否处在指标之内，示波器上的抖动跟踪曲线是电路故障排除的极好工具。设计者可迅速确认被测信号的非正常部分的位置并深入寻找失效原因。

选择示波器

每个连续进行的项目都会遇到更快的信号和更复杂的问题，所以选择示波器的*后一个因素是要考虑到未来的应用。选择一个比目前需要的触发更快、存储能力更深和参数分析能力更强的示波器是很重要的。另外考虑示波器的设计将来能否增加分析工具和更多RAM。

当选择示波器作定时和抖动测量时，使用者应该尽可能多地了解电路特性。在检查市售示波器的指标后，选取几种不同供应商的样品试用。花费时间用示波器作实际测量和作故障分析是值得的，并且这可保证将来作定时和抖动分析更为精确。 掌握示波器使用好习惯很重要！

　　示波器是电子工程师的眼睛。如果不使用示波器，我们在研的产品就相当于一个黑盒子，难以探知其真实面目，毕竟一抹黑的路不好走。想要产品使用的好，不仅要了解产品，也要维护好产品，用好产品也能减少故障率的提升，下面通过良好的使用习惯：

　　1、理论联系实际的好帮手　　示波器是一名硬件测试工程师必须熟练掌握的工具，但由于工作性质的原因，我们经常做的工作是对照测试用例或者规范进行一些固定项的重复测试，如各类接口，内部总线等。久而久之，很多人就不满足于这种知识面了。不安于现状的测试工程师们接下来的步骤就是找来一些资料来深入学习自己所面向的产品，了解工作试验方法，内部构造，各模块电路，信号流向等。这些知识有的清晰，有的模棱两可，有的甚至搞不懂。　　当你遇到这种情况时，示波器可以成为你非常好的帮手，对不懂的地方，可以先查查资料，尝试弄明白试验方法，然后用示波器量一下波形，时序等，验证自己的分析结果。通过示波器可以直观地看到波形，会使人感到很清晰，印象深刻，理论知识也可以得到更好的理解。　　把一个电子产品上的信号都量测之后，加上学习一些文档，那样对自己所面对的产品理解就会透彻了。　　2、直面bug的本质　　当我们在解决bug的时候，有的问题可能根据经验就解决了，而没有去彻底把本质搞明白。这样就会有隐患，而且下次设计电路的时候可能掉进同样的一个陷阱。　　比如I2C上拉电阻配置不正确导致通信出现概率性失败，信号线上电容过大导致波形失真等，也许我们改改电阻值、电容值就把问题解决了，但是这样还不够，如果通过示波器看到波形的本质，然后再去调试。这样解决的问题，以后就不会再犯了，也会保证避免出现一些当时认为已经解决，但是在批量时依然会概率性的出问题。　　一些EMC问题是由内部高频信号的谐波引起，通过示波器调试，可以在保证信号完整性的基础上有效降低辐射信号的能量，如串接更合适的匹配电阻，增加对地电容等手段去解决。而保证信号完整性，*直接的手段就是使用示波器测试，以免矫枉过正，出现隐患。　　3、有图有真相　　有些bug出现的时候，需要多方来一起解决。这样的多方邮件沟通就需要图像作为重要依据了。之前遇到一个bug：Host端向device端加载文件时出现概率性失败的情况。这里涉及三方的硬件，软件，还要涉及Host芯片及Device芯片厂家的台湾原厂。各方经过各自的检查，加上各自之前出货的经验，均认为自己没有问题。使用示波器反复量测波形，时序，在开始也没能定位问题。因在启动时，时钟信号线上会出现一部分1V杂波信号，然后通过实验手段判定就是Host端发出，以此作为证据要求Host端的台湾原厂修改，理由是不管此信号是否对通信造成影响，至少先解决这个问题再考虑。在更新过两次代码后，1V杂波信号消失，老化拷机，并未出现问题。　　出于自我保护本能以及各方知识的局限，一般各自都会认为自己这方没有问题，通过示波器量测波形，找到证据，督促修改，会使得问题容易得到解决。　　*后，需要特别注意的是示波器的操作一定要正确，错误的操作及细节的不注意，就有可能把示波器这一神器变成双刃剑，带来不必要的麻烦，需要特别注意。在实际工作中经常会发现不同的人测试会得到不同的测试结果，这里就需要平时多多累积一些经验了。归根结底，还是一个要多使用的问题，当然文档也要多看。