示波器基礎(chǔ)系列之十三 ——關(guān)于示波器中測(cè)量參數(shù)的算法

問題:

“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)間有沒有區(qū)別？”

回答:

這是一個(gè)非常好的問題。其實(shí)我在培訓(xùn)時(shí)也常問客戶另外一個(gè)問題：您知道示波器中上升時(shí)間是怎么確定的嗎？我在各種講座會(huì)和培訓(xùn)中問這個(gè)問題時(shí)至今居然沒有得到過一次準(zhǔn)確的答案！這涉及到示波器中對(duì)上升時(shí)間的算法定義。很多人知道“上升沿”的10%-90%，但“上升沿”是指什么呢？這時(shí)候工程師們會(huì)用手從波形的下面指到上面。那么從下面到上面是指下面的最小值點(diǎn)到上面的最大值點(diǎn)呢還是下面的平均值位置到上面的平均值位置呢？

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，以決定基頂和基底?；斚鄬?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，上面的問題的答案已是不言而喻的了。

值得說明的是，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，所以必須增大遲滯系數(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。老板說，以“知其所以然”的態(tài)度面對(duì)問題是做工程師的好習(xí)