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關(guān)于示波器中測(cè)量參數(shù)的算法
2012-04-05
關(guān)于示波器測(cè)量參數(shù)的算法：“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:
這是一個(gè)非常好的問(wèn)題。其實(shí)我在培訓(xùn)時(shí)也常問(wèn)客戶(hù)另外一個(gè)問(wèn)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(wèn)這個(gè)問(wèn)題時(shí)至今居然沒(méi)有得到過(guò)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(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。基頂值減去基底值就是幅值，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(xiàn)和基底線(xiàn)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。
象寬度、周期和延遲這樣的時(shí)間參數(shù)都在中間線(xiàn)處測(cè)量
（圖二）。
中間線(xiàn)位于基底線(xiàn)和基頂線(xiàn)的中間位置（50%）。時(shí)間參數(shù)的計(jì)算依賴(lài)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，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(shuō)，以“知其所以然”的態(tài)度面對(duì)問(wèn)題是做工程師的好習(xí)慣.
回答:
這是一個(gè)非常好的問(wèn)題。其實(shí)我在培訓(xùn)時(shí)也常問(wèn)客戶(hù)另外一個(gè)問(wèn)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(wèn)這個(gè)問(wèn)題時(shí)至今居然沒(méi)有得到過(guò)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(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。基頂值減去基底值就是幅值，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(xiàn)和基底線(xiàn)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。
象寬度、周期和延遲這樣的時(shí)間參數(shù)都在中間線(xiàn)處測(cè)量
（圖二）。中間線(xiàn)位于基底線(xiàn)和基頂線(xiàn)的中間位置（50%）。時(shí)間參數(shù)的計(jì)算依賴(lài)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，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(shuō)，以“知其所以然”的態(tài)度面對(duì)問(wèn)題是做工程師的好習(xí)慣.
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