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节省测量测试成本,高效提升数字示波器效率成为当务之急

面对全球化激烈竞争,如何杀出血路、抢食市场大饼,是各种产业当今重要议题,此外,微利趋势逐渐渗透至各个产业,不少产业陆续走向微利时代...

 

面对全球化激烈竞争,如何杀出血路、抢食市场大饼,是各种产业当今重要议题,此外,微利趋势逐渐渗透至各个产业,不少产业陆续走向微利时代。因此,缩短研发时程、减少不必要的开发成本与浪费,相对地重要性便日益加重。 

示波器在各种产业研发过程中占据重要角色,当然也关乎前言提到的缩短研发时程,减少不必要成本的重要课题。在研发示波器的过程中,怎样透过使用示波器来提高生产效率、帮助设计和制造工程人员如期完成工作,不致发生代价高昂的错误,进而协助提高速度及优质地完成工作、同时帮助管理人员满足阶段性安排及费用要求,最大限度地降低风险、提供良好产品,这就是所谓「生产效率」问题。凭藉「最快」的示波器,便可以帮助工程与管理人员大幅度地提高效率。 

 

对电子产品设计工程师来说,降低设计检验时间并快速获得可靠的测试结果就是提高生产效率。但达到此目的前,我们必须先保证示波器能够提供稳定的信号完整性和连接能力,不然我们所观测的信号都是有畸变的非真实波形,然後再用更多的时间去作检验与测量都是枉费的。所以,首要是保证示波器与连接方法对信号的影响最小,以达到最高的信号保真度。 

 

涉及使用示波器的最基本目的,就是要让工程师查看信号幅度随时间的变化,所以保持信号的保真度最为重要。影响信号完整性的因素包括探棒和示波器的频宽频响,若信号受探棒和示波器输入频宽的影响而失真,纵使示波器随後拥有最高的采样速率和最深的记录长度都是枉然的。 

 

以下我们将陈述,最快示波器是如何突破四点要求,凭藉什麽样的技术,达到效率的提升: 

 

信号捕获 

 

在信号捕获的过程中,保证示波器与连接方法对信号的最小影响是首要的。所以首先讨论信号探测的问题。 

 

如何保证观测信号的真实性 

 

◆探测 

 

用户面临的时钟频率和信号边沿速率若持续提高,将要求更高的探棒频宽。电路密度增加,使探测间距变小变困难;电路器件功耗下降、信号摆幅减小、不时更采用差分信令、减小电磁干扰(EMI)、要求探棒拥有良好的共模抑制比(CMRR)等,都是当今对探测信号的一些棘手挑战。 

 

新一代智慧介面采用盲插连接方式,其信号完整性与频宽能够达到22GHz,超过一般BNC连接系统所能提供的频宽,实现最高频宽的信号完整性/连接。此外智慧电源开关功能,为示波器和配件提供功率管理,同时在使用方面用单键释放和锁定机构,提供单手操作及足够的锁定力。不仅使用简便,更能确保信号的完整性连接。 

 

示波器与探棒能否提供足够的频宽 

 

◆频宽 

 

时钟的频率和信号边沿速率持续提高,代表了所需要的探棒与示波器的频宽也需要相应提高。根据信号边沿上升时间与频宽的计算规则,若信号边沿上升时间x信号频宽=0.4,对50ps的上升边沿来说,其信号频宽便是8GHz了。对NRZ编码的串列资料而言,信号频宽=1.8×资料速率。对USB2.0来说,资料速率为480MB/s,其信号频宽应为864MHz;PCI Express的资料速率为2.5GB/s,其信号频宽则为4.5GHz等。何况我们要求示波器的频宽还要比信号频宽高,以保证测量的精确度。所以今天,对示波器的频宽要求日益提高。有鉴於此,为了增加其示波器的频宽,部分产品采用了经过软体DSP数位处理的方法来扩展频宽,而并非用硬体的实际频宽,不过究竟这些DSP数位处理方法对信号有什麽样的影响、什麽时候应该使用DSP、什麽时候不应该使用DSP,事实上很多使用者都不得而知。 

 

用户必须被清楚告知什麽时候应该使用DSP、使用DSP的好处在那里、什麽时候不应该使用DSP、使用DSP的缺点是什麽等,并让用户自由选择开通与关闭DSP功能。因为若需要得到原始的采集资料,而在示波器无法关掉DSP情况下,原始的信号已经被更改,信号完整性已无法保证,尤其在测量< 100ps的快速边沿时,使用DSP会出现Gibbs现象,即在前沿出现不应有的下冲现象。当然DSP也有其好处,例如通过使用DSP方法,对每个通道在20GS/s模式下同时提供幅度和相位补偿,可以提供更好效果的差分测量,尤其对差分信号的频谱分析。并且因为通过使用DSP扩展了频宽,TDS6804B实现了20%~80%上升时间为35ps,是目前频宽上升时间最快的示波器。 

 

◆PinPoint双触发技术 

 

当DPO容许我们「看到」故障时,该怎麽触发它并分析这故障的因由为以前,示波器在触发序列发生的事件的能力是非常有限的,传统示波器所提供的A-B触发或延迟触发的机制中,在B触发条件中只容许选择边沿触发。假定现在有三个宽度不一的脉冲,第一个与第二个相隔20ns,第三个脉冲,它的脉宽比第二个要小,也不经常出现,只会偶尔出现,若它出现,它会替代了第二个脉冲出现在与第一个脉冲相隔20ns的位置上。类似这样的一个偶尔故障,传统的A-B触发没办法在第一个脉冲相隔20ns位置上判断不同脉宽,从而分辨在第三个脉冲出现的时候才触发。 

 

现在透过PinPoint双触发技术,容许用户在B触发条件上,使用各种各样的条件,来满足不同的情况。加上新设的重置机制,若等待B事件经过一定的时间还未出现,整个PinPoint双触发系统能重新被重置,再开始等待A事件的出现,使得整个双触发系统更灵活多变,对应不同的情况。有了PinPoint双触发系统,容许用户定义超过1445种不同的触发条件组合,对比以往传统A-B触发系统只提供17种不同的触发条件组合,则多增加了灵活幅度!整个PinPoint双触发系统也是基於SiGe技术,除实现全类比7GHz触发频宽外,更进一步降低了触发最小毛刺的时间(现为100ps),触发抖动维持小於1.2ps rms等,为用户提供调试和解决复杂的资料格式与快速捕获问题的最佳方案。 

检测电路故障时 

 

示波器能否有效监测故障 

 

◆波形捕获率为DSO(数位存储示波器)对比DPO(数位萤光示波器) 

 

传统数位存储示波器(DSO)采用了串列式的处理,即示波器由信号采集到资料运算到波形成像是一个流水的过程,必须结束前一过程,才能开始进行下一过程,尽管采用先进的CPU(一般DSO波形捕获率<5000个波形/秒),仍是每秒只能采集非常有限的波形数目。 

 

太克公司的专用晶片,能够并行处理采集、运算、成像等数个过程,使数位萤光示波器(DPO)的波形捕获率超出了DSO波形捕获率的范围,达到> 400,000个波形/秒。DPO捕获DSO漏掉、现实环境中随机发生的异常事件和信号的详细资讯,可查看信号真实的变化。示波器的最大作用就是让工程师查看信号幅度随时间的变化,若因为这些串列处理的死区时间而导致示波器漏掉99.9%以上的波形,这些DSO还能用来调试电路吗?而DPO减少了发现异常事件的时间,可以目测复杂的、即时动态变化的波形,同时也提高了波形测量、统计测量、眼图测量的置信度。 

 

在检测电路故障时 

 

示波器能否稳定触发故障问题

信号分析 

 

如何更快速得到可靠的结果 

 

◆波形资料库(WfmDB) 

 

现今很多不同的通信或电脑行业中的标准,都要求在一定的采集波形数目的基础上测量眼图与抖动等。例如DVI标准要求在1,000,000个采集波形所累积的眼图上测量抖动。试想像,若使用传统的DSO、每秒采集500个波形,共需要33分钟才能累积足够的波形数,从而进行抖动测量。若换上DPO只花数秒钟便能累积1,000,000个波形了,大大地节约了测量的时间。现在波形资料库是将DPO的功能再延伸一步,就是对DPO所采集的波形资料库进行各种各样的测量处理,例如被测参数的统计测量、各种自动测量、眼图、抖动与杂讯测量、直方图测量及统计等,都可以快速地累积足够数目的波形,从而得到可靠测量结果。波形资料库还支援内部和外部存储及分析。 

 

对应各种标准规范 

 

快速得到所需的测量答案 

 

◆基於Java的专用应用套装软体 

 

今天从管理的角度来说,需要考虑如何达到最小的投入最大的产出,即所谓生产效率的问题。所以往往工程师需要在最短的时间内,完成既多又高质量工作。另一方面,为了突破一些技术瓶颈或创造更迎合用户需求的应用,一个又一个的标准规范推陈出新,而往往这些标准同时也设定了测试的范围,流程与所需要达到的限定。工程师在仅有的时间中完全理解这些标准,然後进行各种不同参数的量测是极为困难的。则各种提供了业内齐全的应用套装软体应运而生,分别可适合各种不同的应用,包括功率电子测试套装软体、DVD测试套装软体、HDMI测试套装软体、DVI测试套装软体、USB测试套装软体、抖动测试套装软体、串列资料测试套装软体、硬碟测试套装软体、乙太网测试套装软体、SATA测试套装软体等等。同时提供各种配套的测试夹具、信号源与探棒等,来应对这些标准并为用户提供完整解决方案。这些套装软体同时也受到各方标准团体的认同与采用,例如USB-IF以太克的USB测试套装软体验证市场各种USB器件的标准软体,HDMI、DVI、PCI Express、Infiniband,乙太网也同样需要这些软体的认可与采用,进而成为公认验证这些标准的解决方案。透过这些套装软体,工程师可轻松地掌握各标准的测量方法及快捷地得到各种被测参数的测量结果,验证所设计的是否符合标准的要求。在设计这些套装软体的过程中,必须考虑如何帮助用户减少他们的测量测试时间,所以在这些套装软体中,都广泛使用自动化,采用「一按式」的测试,来完成上述所有标准所要求的测试工序,并快速得到结果,从而增加工程师的工作效率。 

 

测试资料与结果管理 

 

利用采集资料作进一步的分析 

 

◆Open Choice开放式软体系统结构 

 

通常在信号采集後,示波器制造商所提供的基本操作与分析工具以及应用软体,不一定能够满足用户各种各样的测试与分析需求,让他们能够灵活地进行各种後期资料与记过处理及分析。并且制造商所提供的应用软体多为支援主流应用的软体,因为软体平台结构是封闭式的,所以应用是「有限的」,用户往往不能进一步利用示波器所采集的资料进行更深更广的分析。现在,透过Open Choice的开放式软体平台,用户可自行开发软体及程式,或第三方公司开发的应用软体,都可以自由通过Open Choice的TekVISA平台,调用示波器所采集的资料进行各种後期处理与分析,即时控制与资料监控等等。因为Open Choice乃开放式的软体平台,用户可按其需要开发各种不同的软体及程式,调用示波器所采集的资料,进行各种後期处理与分析,所以应用无限。 

 

Open Choice支援多种应用开发环境及编程语言,包括C、C++、VB、LabView、LabWindows、Matlab、Mathcad、Active X。TekVISA(太克虚拟仪器软体结构)支援各种即插即用的仪器驱动程式与应用程式介面API,高层软体透过TekVISA平台可轻松调用示波器所采集的资料进行各种後期处理与分析,即时控制与资料监控等。TekVISA通过下述途径与示波器进行内部通信,虚拟GPIB、GPIB、ASRL (RS232 COM1、COM2)与LAN(局域网)。 

 

方便性与用户友好性 

 

除了以上提到在信号捕获、信号分析、管理测试资料与结果的过程中,并需要考虑到如何透过使用示波器的各种功能来提高工程师的生产效率。很可能工程师经常在一个专案中经常使用示波器的缘故,对示波器的各种功能都能够掌握自如。但一个专案完结了,再相隔半年到下一个专案开始,往往工程师却需要重新学习怎麽使用这台示波器;或者某些工程师因为测试专案的需要,在测试参数或流程需要多次重复,而每一次使用示波器的某些功能,需要深入多层功能表里去寻找,费时费事。为了让用户简便快捷地使用示波器,新的MyScope功能,容许用户自定义控制视窗并可按照个人的需要,量身定制属於他的个人控制视窗。 

 

MyScope操作简便节省学习时间 

MyScope是自Autoset以来,针对示波器操作简便性的突破!现在,各用户可以自行创建属於他的个人控制视窗,功能表里可以包括所有示波器的功能,而且功能的组合与编排完全由用户来决定。用户只需要将属於他的控制视窗以文件的形式储存在示波器的硬碟上,因此,创建的控制视窗在数量上没有限制。每个用户都可以拥有属於他的个人控制视窗,在使用示波器时只要调用控制视窗的档案,示波器的用户介面马上便能演变为他所熟悉的介面,不再需要担心在哪里、在哪个功能。对於经常重复的测试专案,将经常需要被调用的功能键置放在最方便的位置,操作起来方便又省时。对需要共用示波器的团队来说,因为每个队员都拥有属於他的个人控制视窗,只要适时地调用这些控制视窗,便可不必担心前一个队员将示波器弄成怎样,透过MyScope,马上把示波器变成属於自己的示波器。遇上困难或疑问时,可将当前的控制视窗连同被测信号一并存储起来,通过E-mail发送给远方的队员查询,这样一来也促进了团队的沟通与工作效率。 

 

MyScope控制视窗和点击滑鼠右键功能表能节约用户搜索功能表功能或在外出休假回到实验室後重新学习如何使用示波器的时间,达到事半功倍之功效,实现了示波器个性化,有效满足了用户的需求。 

 

以上我们相继审视了示波器如何在信号捕获,信号分析,测试资料与结果的管理及方便性与用户友好性的四个不同方面,相信,能够帮助工程师提高他们的生产效率,帮助用户最快地解决问题的示波器,才是最快的示波器! 

 

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