第四代示波器特點(diǎn)及簡(jiǎn)介

示波器從誕生之處至今已經(jīng)歷了第一代模擬實(shí)時(shí)示波器ART，以數(shù)字化處理和存儲(chǔ)功能為主要特征的第二代，以及以DPO快刷新為主要宣傳點(diǎn)的第三代，如今已進(jìn)步到第四代數(shù)字示波器，而拉開這一時(shí)代大幕的即是力科公司2008年推出的Wave Pro 7Zi和2009年推出的Wave Master 8Zi系列示波器，無(wú)論是從帶寬、采樣率、可分析存儲(chǔ)、儀器響應(yīng)和波形處理速度、異常問(wèn)題調(diào)試、還是串行數(shù)據(jù)信號(hào)質(zhì)量分析方面，都比前三代示波器有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

1.基礎(chǔ)性能指標(biāo)

評(píng)價(jià)一臺(tái)示波器性能的幾個(gè)基礎(chǔ)指標(biāo)包括帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度、觸發(fā)能力和波形處理性能。

(1)示波器的帶寬定義為前端放大器的頻響曲線下降3dB處的頻點(diǎn)，就是示波器的-3dB帶寬，簡(jiǎn)稱帶寬。所以一臺(tái)6GHz帶寬的示波器測(cè)量6GHz的正弦波，幅度一定會(huì)降低3dB(約降低30%)。如果你測(cè)試的對(duì)象是PCI Express G2速率為5Gbps，那對(duì)示波器帶寬的最低要求為12.5GHz，通常的法則是最低帶寬為串行數(shù)據(jù)率的2.5倍，目的是確保采集到5次諧波分量。而對(duì)單次階躍脈沖而言，由于其沒(méi)有頻率或數(shù)據(jù)率的概念，所以必須從另外角度考量示波器帶寬，那就是上升時(shí)間。如果我們以T(scope)代表示波器的10%～90%上升時(shí)間，以T(signal)代表所測(cè)量脈沖信號(hào)的上升時(shí)間，那么兩者之間的比例即T(scope)/ T(signal)與脈沖信號(hào)測(cè)量精度將基本滿足下表所列內(nèi)容。

從表中可以看出，為了使脈沖測(cè)量精度達(dá)到5%以上，應(yīng)使示波器的上升時(shí)間小于脈沖上升時(shí)間的1/3以上。例如對(duì)上升時(shí)間在100ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，示波器的上升時(shí)間應(yīng)控制在30ps以內(nèi)。我們知道示波器的帶寬越高其對(duì)應(yīng)的上升時(shí)間越短，對(duì)高帶寬實(shí)時(shí)數(shù)字示波器而言，兩者的乘積在0.35～0.51之間變動(dòng)。30ps以內(nèi)的上升時(shí)間將要求示波器帶寬達(dá)到16GHz以上。如果對(duì)上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)測(cè)量，則要求示波器的10%～90%上升時(shí)間必須控制在17ps以內(nèi)，對(duì)應(yīng)示波器的帶寬將達(dá)到25GHz或者更高。力科第四代Zi系列數(shù)字示波器將帶寬提高到了30GHz，使得萬(wàn)兆以太網(wǎng)或上升沿小于50ps的超快速脈沖在實(shí)時(shí)示波器上成為現(xiàn)實(shí)。

(2)AD采樣時(shí)數(shù)字示波器里非常關(guān)鍵的部分，足夠的采樣率也是保證示波器信號(hào)保真度的關(guān)鍵因素之一。

數(shù)字示波器的基本原理是模擬信號(hào)低通濾波后被等時(shí)間間隔采樣，然后數(shù)字化后由數(shù)字處理單元重構(gòu)，最后以波形的形式在屏幕上顯示。采樣率越高，兩次采樣之間的時(shí)間間隔就越短，重構(gòu)后的波形與真實(shí)信號(hào)的擬合程度就越高。一般情況下，應(yīng)該保證在信號(hào)上升沿上至少采集4個(gè)樣點(diǎn)才能比較客觀的恢復(fù)出脈沖信號(hào)的真是波形并加以測(cè)量。例如，對(duì)上升時(shí)間100ps的脈沖信號(hào)，我們應(yīng)該至少使用40GS/s的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集;而對(duì)于上升時(shí)間50ps以內(nèi)的脈沖信號(hào)，則至少要求示波器的實(shí)時(shí)采樣率達(dá)到80GS/s。力科第四代Zi系列數(shù)字示波器就能提供80GS/s實(shí)時(shí)采樣率，是上升時(shí)間50ps以內(nèi)脈沖測(cè)量的最好選擇。力科第四代Zi系列數(shù)字示波器另一大突破是力科研制成功的單ADC芯片采樣率40GS/s，避免了采用多顆低采樣率芯片疊加采樣的示波器架構(gòu)不可避免引入的沖擊電平噪聲與誤差，在最高80GS/s采樣時(shí)僅通過(guò)兩顆芯片協(xié)同工作即可完成。這樣的示波器架構(gòu)大大簡(jiǎn)化了從前端放大器到ADC采樣芯片之間的信號(hào)通路，很好的保證了高采樣時(shí)的信號(hào)一致性。值得一提的是40GS/s ADC芯片代表了全球最高的芯片設(shè)計(jì)水平，其指標(biāo)記錄至今無(wú)人能破。

(3)存儲(chǔ)深度，也叫記錄長(zhǎng)度，表示示波器能連續(xù)采集到的最大波形點(diǎn)數(shù)。過(guò)去廠商和用戶都很看重可采集存儲(chǔ)深度，即示波器一次采集能捕獲到最大點(diǎn)數(shù)。今天隨著信號(hào)的日益復(fù)雜，需要處理的任務(wù)越來(lái)越龐雜，第四代示波器引入一個(gè)全新的概念：可分析存儲(chǔ)深度。不僅看一次采集到的點(diǎn)數(shù)，還同時(shí)看復(fù)雜分析一次最多能運(yùn)算的波形點(diǎn)數(shù)。

第三代示波器的可分析存儲(chǔ)深度通常都比可采集存儲(chǔ)深度小很多，主要是因?yàn)槭静ㄆ魈幚硭俣雀簧?，為防止系統(tǒng)崩潰而限制用戶分析波形時(shí)的存儲(chǔ)深度。譬如，有些示波器明明能采集到200M采樣點(diǎn)，但FFT運(yùn)算卻限制最多到3.2M，用戶的投資得不到充分利用。

力科在第四代采用了突破性的波形處理架構(gòu)Xstream II做到了業(yè)界最高的512Mpts可分析存儲(chǔ)深度，保證用戶購(gòu)買了多少物理內(nèi)存，波形采集和分析就能同時(shí)用到了多少內(nèi)存，從而最大限度的保護(hù)用戶的投資。

2、Xstream II架構(gòu)

隨著電子信號(hào)的日益復(fù)雜，今天的示波器已被要求能以復(fù)雜的方法處理很長(zhǎng)內(nèi)存的波形，目的是深入信號(hào)內(nèi)部洞察系統(tǒng)和電路行為，與這種能力有關(guān)的概念是示波器的響應(yīng)和速度，工程師可不愿等待很長(zhǎng)時(shí)間才能看到結(jié)果，他們希望使用示波器的感覺(jué)是舒適和充滿信心。

與處理速度有關(guān)的因素可分為三類：

處理和波形讀出硬件的性能

操作系統(tǒng)

軟件處理數(shù)據(jù)的算法

當(dāng)前的高端示波器處理平臺(tái)主要為PC，硬件性能主要由CPU、主內(nèi)存和內(nèi)部總線決定。

操作系統(tǒng)同樣很重要因?yàn)樗鼪Q定了多內(nèi)核、多線程模式和可尋址最大內(nèi)存。力科為Wave Pro 7Zi和Wave Master 8Zi示波器配備了最強(qiáng)大的硬件和操作系統(tǒng)：CPU采用Intel Core 2 Quad(四核)，每個(gè)內(nèi)核的工作頻率為2.5GHz。這是一種64位處理器，擁有6Mb的二級(jí)高速緩存及工作頻率為1.33GHz的前端總線;容量最高達(dá)8Mb的DDR II主存儲(chǔ)器，從采集存儲(chǔ)器到主存儲(chǔ)器的傳送采用直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)技術(shù)，使用4路PCIe串行通道。這些通道以高達(dá)800Mpt/s的速率把波形數(shù)據(jù)傳送傳送到主存儲(chǔ)器中，而不需處理器干預(yù)。由于采用了Microsoft Vista 64位操作系統(tǒng)，示波器軟件可以尋址到4Gb大小存儲(chǔ)器，而32位操作系統(tǒng)只可以尋址最高4Gb的存儲(chǔ)器。

但是對(duì)深存儲(chǔ)波形處理速度起決定性作用的并非硬件和操作系統(tǒng)，乃是軟件算法。力科公司投入巨資研發(fā)的專利技術(shù)Xstream II就是一種革命性的波形處理優(yōu)化技術(shù)，正是采用該技術(shù)，才使得第四代示波器在波形處理性能方面遠(yuǎn)勝于前三代。

Xstream 處理行為可以簡(jiǎn)單概括為：長(zhǎng)波形被分成許多的較小的波形片段。這些較小的波形片段以優(yōu)化高速緩存利用率的方式進(jìn)行處理。最后，最小的波形結(jié)果重組成最終的長(zhǎng)波形結(jié)果。這一切聽起來(lái)非常簡(jiǎn)單，但在實(shí)踐中實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常復(fù)雜。力科在這種技術(shù)中擁有多項(xiàng)專利。正因如此，力科示波器的性能傳統(tǒng)上優(yōu)于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的儀器，其處理速度要高出許多倍。力科最早在2002年Wave Master8000中引入Xstream結(jié)構(gòu)，之后幾年持續(xù)進(jìn)行多項(xiàng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在Wave Pro 7Zi引入的Xstream II中達(dá)到頂峰。

Xstream II的關(guān)鍵構(gòu)成要素包括：

動(dòng)態(tài)放置緩沖器，改善流式結(jié)構(gòu)不擅長(zhǎng)的情況;

預(yù)覽模式，可以在縮放和示波器調(diào)整過(guò)程中快速初步查看波形結(jié)果;

中斷處理能力，可以在示波器調(diào)整過(guò)程中暫停當(dāng)前處理。

動(dòng)態(tài)放置緩沖器需要把緩沖器放在處理流的合適位置(見(jiàn)下圖)，以改善處理吞吐量。

基于動(dòng)態(tài)緩沖器的處理流

為了解這種影響，請(qǐng)記住傳統(tǒng)處理模式在流程的每一步都涉及緩沖器。它可以視為把緩沖器放在每一個(gè)處理單元之間。傳統(tǒng)示波器采用的流式模式中，在任何地方都使用落在高速緩存中的小型緩沖器，而包含全部處理結(jié)果的緩沖器則放在處理流最后。在Xstream II中，在多條處理流流經(jīng)公共處理單元時(shí)將執(zhí)行優(yōu)化(如下圖所示)，這種結(jié)構(gòu)的好處是把緩沖器動(dòng)態(tài)放到處理流中，避免多次進(jìn)行計(jì)算。

Xstream II采用的動(dòng)態(tài)緩存預(yù)置與傳統(tǒng)簡(jiǎn)單流式處理算法對(duì)比

Xstream II對(duì)儀器響應(yīng)能力的優(yōu)化主要體現(xiàn)在預(yù)覽處理和中斷處理能力(Preview and Abort)。這兩者結(jié)合運(yùn)行的方式是，在示波器設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，軟件開始計(jì)算新結(jié)果，同時(shí)根據(jù)屏幕畫面的重新標(biāo)度來(lái)計(jì)算一個(gè)預(yù)覽結(jié)果。如果預(yù)覽在在正是處理之前完成，那么用戶先會(huì)看到預(yù)覽，然后在最終完成時(shí)看到更新的處理結(jié)果。如果正式處理先完成，那么用戶會(huì)只看到處理結(jié)果。如果在處理計(jì)算過(guò)程中，用戶修改設(shè)置，那么將中斷處理，使用新的變化重啟，用戶只看到預(yù)覽結(jié)果。在用戶設(shè)置示波器或根據(jù)測(cè)量觀察結(jié)果快速改變?cè)O(shè)置時(shí)，這種處理方法非常必要。在處理過(guò)程非常復(fù)雜耗時(shí)以及波形很長(zhǎng)時(shí)，這種功能非常實(shí)用。如果使用其它示波器中提供的傳統(tǒng)處理方法，那么用戶必須待到處理結(jié)束后，才能看到顯示結(jié)果，進(jìn)行另一個(gè)設(shè)置變動(dòng)。在某些情況下，處理可能需要10秒以上的時(shí)間，如果用戶想改變多項(xiàng)設(shè)置，那么必須等每個(gè)很長(zhǎng)處理間隔的結(jié)果之后，才能進(jìn)行另一項(xiàng)設(shè)置變動(dòng)。這種操作可能會(huì)讓用戶很不舒服，因?yàn)槊坎讲僮鞫夹枰群荛L(zhǎng)時(shí)間才能看到結(jié)果或進(jìn)行下一步動(dòng)作。

總之，深存儲(chǔ)下示波器的快速處理是適當(dāng)?shù)挠布筒僮飨到y(tǒng)與適當(dāng)?shù)奶幚硭惴ǖ慕Y(jié)合。Xstream II是一種創(chuàng)新的波形處理優(yōu)化技術(shù)，通過(guò)對(duì)高速緩存動(dòng)態(tài)高效的處理方法，以及增加了結(jié)果預(yù)覽和處理中斷功能，實(shí)現(xiàn)了目前業(yè)界最杰出的儀器反應(yīng)和波形處理能力。在實(shí)際應(yīng)用中，Xstream II技術(shù)帶來(lái)的性能提升程度可用下列數(shù)據(jù)來(lái)印證。

Wave Pro 7Zi做100Mpts眼圖測(cè)量時(shí)的刷新時(shí)間是20秒，而同級(jí)別的其它示波器做20Mpts眼圖需要10分鐘以上才能刷新一次，10Mpts眼圖至少需要6分鐘，100Mpts眼圖刷新速度則無(wú)法測(cè)量，因?yàn)樵撌静ㄆ鞑辉试S用戶對(duì)這么大的數(shù)據(jù)量做任何高級(jí)分析運(yùn)算;

Wave Pro 7Zi做FFT運(yùn)算速度是3.8Mpts/秒，最多一次可分析128Mpts信號(hào)的頻譜，而DPO示波器最快的FFT運(yùn)算速度是500Kpts，為了防止大數(shù)據(jù)量造成的系統(tǒng)崩潰或死機(jī)，這種示波器最多允許用戶運(yùn)算3.2Mpts FFT;

TriggerScan

數(shù)字示波器的一個(gè)重要應(yīng)用是作為一種調(diào)試問(wèn)題的工具，因此，快速查找異常事件的能力是評(píng)價(jià)示波器性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。

電路調(diào)試通常有兩個(gè)目的：第一，找出可疑問(wèn)題存在的證據(jù);第二，找出可疑問(wèn)題的更多信息使得能設(shè)定觸發(fā)隔離出異常信號(hào)。通過(guò)重復(fù)的觸發(fā)異常信號(hào)，在不同的電路測(cè)試點(diǎn)觀察異常事件的行為從而甄別出原因和結(jié)果之間相互關(guān)系。

定位異常信號(hào)的傳統(tǒng)方法是觸發(fā)信號(hào)的邊沿，用模擬余輝方式觀察疊加顯示的波形，等待一段時(shí)間后期望能從累計(jì)的波形中觀察到異常信號(hào)。采取這種方法時(shí)異常事件的捕獲率與波形的邊沿出現(xiàn)頻率、示波器的刷新率和異常事件發(fā)生的統(tǒng)計(jì)概率等相關(guān)。具體表現(xiàn)為如果波形的邊沿出現(xiàn)頻率不超過(guò)示波器的刷新率，則示波器能捕捉到每個(gè)邊沿，因此也就能捕獲到每個(gè)異常事件，反之則不能捕獲到每個(gè)邊沿。每秒捕獲到異常事件次數(shù)等于異常事件發(fā)生的概率除以邊沿頻率再除以示波器的刷新率。進(jìn)一步可以指出，邊沿出現(xiàn)頻率小于示波器的刷新率時(shí)沒(méi)什么問(wèn)題，而一旦邊沿出現(xiàn)頻率超過(guò)示波器的刷新率時(shí)，捕獲的概率也就對(duì)應(yīng)下降。這就是為什么一些示波器廠商會(huì)創(chuàng)造出非?？斓牟ㄐ嗡⑿履Ｊ降脑颍┤鏒PO。

我們可以舉例進(jìn)一步說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，假設(shè)有一個(gè)200MHz的時(shí)鐘信號(hào)每5秒會(huì)出現(xiàn)一次毛刺，即異常出現(xiàn)的概率為10億分之一，利用上述公式，用一臺(tái)每秒能刷新10萬(wàn)次的示波器工作在快刷新模式，需要2.8小時(shí)，這意味著每5秒出現(xiàn)一次的異常信號(hào)，，示波器需等待2.8小時(shí)后才能捕獲到它!效率之低，可見(jiàn)一斑。這里的問(wèn)題是，傳統(tǒng)的捕獲異常信號(hào)的方法直接和刷新率成正比，但最快的刷新模式也還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠!或者說(shuō)，它們并沒(méi)有快到能解決實(shí)際問(wèn)題的地步。工程師們真正需要的是一種比刷新率更快的方法。

用邊沿觸發(fā)的方法查找異常信號(hào)的問(wèn)題的根本原因是每次示波器通過(guò)觸發(fā)邊沿來(lái)捕獲波形，相鄰兩次捕獲時(shí)，有一段示波器看不到的波形被稱為死區(qū)時(shí)間。很多工程師都很驚異這個(gè)死區(qū)時(shí)間相對(duì)于示波器捕獲到的時(shí)間是如此的長(zhǎng)!在上面的例子中，示波器需要將近3小時(shí)才能看到5秒鐘出現(xiàn)一次的異常信號(hào)，是因?yàn)槭静ㄆ髦荒芸吹竭呇爻霈F(xiàn)的0.2%，在快刷新模式下也有99.8%的死區(qū)時(shí)間，在波形的每500個(gè)邊沿中，示波器只能看到一個(gè)!

我們用一種智能觸發(fā)系統(tǒng)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。當(dāng)設(shè)定為觸發(fā)某個(gè)特定的智能觸發(fā)，它將查看波形的每個(gè)邊沿直到觸發(fā)成功。僅僅在智能觸發(fā)條件滿足，示波器觸發(fā)到信號(hào)的時(shí)候才有死區(qū)時(shí)間。如果設(shè)定一種智能觸發(fā)方式隔離上例中的毛刺，示波器將偵測(cè)每個(gè)邊沿直到毛刺持續(xù)，以保證異常被無(wú)一遺漏被捕獲。這種方法看上去簡(jiǎn)單，但在設(shè)定觸發(fā)方式上有很大問(wèn)題：你需要事先知道異常信號(hào)的特點(diǎn)，這通常是不現(xiàn)實(shí)的。

力科在第四代示波器中開發(fā)了一種全新的異常調(diào)試工具 TriggerScan，通過(guò)智能化使用觸發(fā)系統(tǒng)從而解決了上述難題。

TriggerScan原理圖

TriggerScan的工作過(guò)程分為兩個(gè)階段。第一個(gè)階段操作者獲取正常的波形并訓(xùn)練。在訓(xùn)練過(guò)程中，示波器首先分析波形，判斷波形正常情況下的特點(diǎn)，然后它給出一系列的智能觸發(fā)設(shè)定，這些設(shè)定都被設(shè)計(jì)為觸發(fā)異常信號(hào)。例如，如果是時(shí)鐘信號(hào)，那么在觀察范圍內(nèi)，所有的邊沿都有上升時(shí)間、周期和幅度，TriggerScan將設(shè)定出智能觸發(fā)方式來(lái)觸發(fā)超過(guò)正常范圍的斜率、周期和幅度。一旦這些智能觸發(fā)被設(shè)定，示波器進(jìn)入工作的第二階段，即將這些觸發(fā)設(shè)定載入，每次按設(shè)定的某種觸發(fā)方式工作一段時(shí)間，然后繼續(xù)下次觸發(fā)動(dòng)作。在任何設(shè)定下一旦捕獲到異常信號(hào)，獲得到的波形將以余輝或停住采集的方式加以顯示。

TriggerScan的有效性并非取決于邊沿的頻率。乃是與設(shè)定和使用的智能觸發(fā)的個(gè)數(shù)有關(guān)。如果設(shè)定了100中觸發(fā)方式，TriggerScan的有效性是相對(duì)于用某種特定的智能觸發(fā)方式的效率的1%。TriggerScan減小了觸發(fā)系統(tǒng)的有效性，但它能自動(dòng)產(chǎn)生觸發(fā)設(shè)置并使捕獲異常信號(hào)的過(guò)程自動(dòng)化。在前面的例子中，采用100000次刷新率的快刷新傳統(tǒng)模式，平均需要2.8小時(shí)才能找到一次異常信號(hào)。采用智能觸發(fā)系統(tǒng)，每5秒鐘可以看到每個(gè)異常信號(hào)。采用具有100個(gè)觸發(fā)設(shè)定的TriggerScan方法可以在平均8.3分鐘內(nèi)發(fā)現(xiàn)一次異常信號(hào)。在這個(gè)例子中，TriggerScan方法比快刷新方法要快20倍。是否具備TriggerScan智能硬件觸發(fā)功能是第四代示波器的界定標(biāo)準(zhǔn)之一。