第八講 示波器基礎(chǔ)之關(guān)于示波器中測(cè)量參數(shù)的算法
中心議題:
上升沿和下降沿取決于基頂值和基底值的確定 寬度、周期和延遲等時(shí)間參數(shù)在中間線處測(cè)量 合理設(shè)置水平軸測(cè)量中的Hysteresis(磁滯)能有效防止噪聲或其它干擾
問(wèn)題:
“在測(cè)試信號(hào)邊沿的上升/下降時(shí)間的時(shí)候,跟我選擇的存儲(chǔ)深度有沒(méi)有關(guān)系。比如我使用40GS/S的采樣率測(cè)試PCIE CLK,如果在屏幕上顯示一個(gè)時(shí)鐘周期測(cè)試它的上升下降時(shí)間和我調(diào)節(jié)時(shí)基到8M的存儲(chǔ)深度時(shí)測(cè)試到的上升下降時(shí)間有沒(méi)有區(qū)別?”
回答:
你知道示波器中上升時(shí)間是怎么確定的嗎?如果說(shuō)是“上升沿”的10%-90%,那“上升沿”指的是什么呢?如果你會(huì)從波形的下面指到上面,那是指下面的最小值點(diǎn)到上面的最大值點(diǎn)還是下面的平均值位置到上面的平均值位置呢?這些都涉及示波器對(duì)上升時(shí)間的算法定義。
示波器里計(jì)算上升沿需要定義“算法”。IEEE定義的算法如圖一所示。上升沿的確定取決于參數(shù)“top”(基頂)和“base”(基底)的確定。 正確的確定基頂和基底是正確的參數(shù)計(jì)算的基礎(chǔ)。在分析的開(kāi)始,示波器首先計(jì)算一個(gè)波形數(shù)據(jù)的直方圖,時(shí)間跨度由兩個(gè)時(shí)間光標(biāo)之間的時(shí)間值確定,默認(rèn)情況下光標(biāo)是從最左邊到最右邊。例如,如果波形是在兩個(gè)狀態(tài)躍變的,那么其直方圖將包括兩個(gè)波峰。分析方法將嘗試識(shí)別包含了最大的數(shù)據(jù)密度的這兩組數(shù)據(jù)。于是,和這兩組相關(guān)聯(lián)的最大概率的狀態(tài)將被計(jì)算出來(lái),以決定基頂和基底。基頂相對(duì)應(yīng)于上部的最大概率位置,基底相對(duì)應(yīng)于下部的最大概率位置。
圖一 示波器中一些常用測(cè)量參數(shù)的算法定義
一旦確定了基頂值和基底值,上升時(shí)間和下降時(shí)間的計(jì)算就很容易了?;斨禍p去基底值就是幅值,幅值的90%和10%的門(mén)限電平之間的時(shí)間間隔就是上升時(shí)間。 如果用rise@level,可以選擇上升時(shí)間的門(mén)限電壓。如果選擇絕對(duì)設(shè)置,上升時(shí)間和下降時(shí)間的計(jì)算就是測(cè)量在上升沿或下降沿上兩個(gè)交叉點(diǎn)的時(shí)間間隔。但是,如果選擇了相對(duì)設(shè)置,在基頂線和基底線之間的垂直間隔被一個(gè)百分比分割(base=0%,top=100%),這樣來(lái)決定交叉點(diǎn)的垂直位置,在上升沿和下降沿上的交叉點(diǎn)之間的時(shí)間間隔被計(jì)算出來(lái)以得到上升時(shí)間和下降時(shí)間。
頂部和底部樣本數(shù)的多少會(huì)影響到基頂和基底確定的準(zhǔn)確性。如果示波器上只一個(gè)時(shí)鐘周期,頂部和底部的樣本數(shù)很少,如果時(shí)鐘信號(hào)上有一點(diǎn)點(diǎn)的過(guò)沖或下沖就會(huì)影響到直方圖的分布的最大概率狀態(tài)的確定。因此,在測(cè)量時(shí)鐘我們建議屏幕上采集的周期數(shù)盡量多一些。至此,上面的問(wèn)題的答案已是不言而喻的了。
值得說(shuō)明的是,有時(shí)候示波器的參數(shù)下方的狀態(tài)顯示中有 的圖標(biāo),脈沖上的一個(gè)十字表示示波器不能夠確定基頂和基底,但是,測(cè)量仍然是有效的。
圖二 一些時(shí)間參數(shù)的定義
象寬度、周期和延遲這樣的時(shí)間參數(shù)都在中間線處測(cè)量(圖二)。中間線位于基底線和基頂線的中間位置(50%)。時(shí)間參數(shù)的計(jì)算依賴于觀察窗內(nèi)包含的周期的數(shù)量。如果周期的數(shù)量不是整數(shù),參數(shù)的測(cè)量,如有效值(RMS)或均值(MEAN)這樣的參數(shù))是有誤差的。為避免這種偏差,儀器使用周期參數(shù),包括crms 和cmean,這些參數(shù)強(qiáng)迫在整數(shù)個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。
在示波器水平軸測(cè)量中有一個(gè)常被忽略的選項(xiàng)叫Hysteresis(磁滯)。 Hysteresis選項(xiàng)利用了電平之上或之下的限制,這能防止測(cè)量到噪聲或其它干擾。Hysteresis的設(shè)置以milli-divisions(千分之一格)為單位指定,其設(shè)置的原則是:
1. Hysteresis 必須大于您希望忽略掉的最大噪聲尖峰。
2.可用的最大Hysteresis 值小于從電平到最近的波形極值的距離。
3.除非您知道將在任何周期內(nèi)發(fā)生的最大的噪聲和最近的極值電平,否則就在電平的兩側(cè)留出余量。
圖三所示為測(cè)試頻率為61.44MHz時(shí)鐘的TIE@lv參數(shù),但PLL在計(jì)算頻率時(shí)得到的結(jié)果為5.334099599GHz,這是因?yàn)槿笔r(shí)Hystersis系數(shù)為500mdiv(即0.5格),示波器中將時(shí)鐘上升沿和下降沿的回鉤都當(dāng)作了是一個(gè)個(gè)小的脈沖來(lái)計(jì)算頻率,TIE@lv的測(cè)試結(jié)果也當(dāng)然錯(cuò)了。
圖三 使用TIE的缺省設(shè)置,Hysteresis值為500mdiv
由于時(shí)鐘邊沿存在回溝,所以必須增大磁滯系數(shù),在圖四中修改為2div,如下所示,這時(shí)示波器找到了正確的頻率61.44MHz,TIE抖動(dòng)的峰峰值為P5=495ps,有效值為P1的sdev 等于141ps。
圖四 修改TIE的Hystersis設(shè)置
在應(yīng)用一些參數(shù)進(jìn)行測(cè)量時(shí),我們都應(yīng)知道這些參數(shù)在示波器中是怎樣定義的,了解每一個(gè)設(shè)置菜單是什么含義,養(yǎng)成“知其所以然”的好習(xí)慣。