選擇合適的示波器進(jìn)行高速電路調試和驗證

1. 通道數限制：當使用不同通道時(shí)帶寬不同，3通道或4通道使用時(shí)僅僅提供6GHZ帶寬，ADC采樣率也有限制。

2. 頻譜“拼接”錯誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個(gè)頻率“拼接”點(diǎn)都有明顯的非線(xiàn)性，當被測信號的頻譜分量在該區域時(shí)，示波器時(shí)域顯示的波形會(huì )出現波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術(shù)需要軟件處理和“拼接”數字頻域的波形，數據量比較大時(shí)波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制：當DBI打開(kāi)時(shí)，雖然單通道帶寬和ADC提升，但是觸發(fā)系統的帶寬無(wú)法通過(guò)DBI技術(shù)提升，最大僅為800MHZ，另外示波器的外參考輸入，垂直靈敏度的精細調整等功能都會(huì )由于DBI打開(kāi)而受限。

數字存儲示波器在觸發(fā)系統上也有很大的進(jìn)步。從結構框圖上可以看到，數字示波器的觸發(fā)系統是完全獨立的一個(gè)以模擬電路為主的電路。高性能的觸發(fā)系統好比是照相機的快門(mén)，可以幫助測試人員準確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點(diǎn)，數字存儲示波器可配備毛刺觸發(fā)、欠幅脈沖觸發(fā)、過(guò)渡時(shí)間、通訊觸發(fā)、串行觸發(fā)、窗口觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、碼型出發(fā)和總線(xiàn)觸發(fā)等多種高級觸發(fā)模式。泰克的Pinpoint?觸發(fā)系統是當前全業(yè)界最先進(jìn)的觸發(fā)系統，在邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)中使用完全的SiGe技術(shù)，所以觸發(fā)靈敏度都可到達到很高的水平，例如TDS6124C這款儀器，邊沿觸發(fā)和高級觸發(fā)的靈敏度都可以同時(shí)達到 3div@9GHz。這個(gè)雙觸發(fā)系統輔以觸發(fā)延遲設置和觸發(fā)重置，幾乎可以不受限制地設置觸發(fā)模式。

數字存儲示波器有了這些特性，在帶寬性能可以遠高于較模擬實(shí)時(shí)示波器；在觸發(fā)和采樣的配合下，數字存儲示波器對單次信號（低重復概率信號）的捕獲能力有巨大提升；對于信號的測試和分析能力也今非昔比……但是，在增強了對單次信號的捕獲、分析能力以后，也引入了難以避免的弱點(diǎn)，這主要體現在波形捕獲率和單調的顯示能力上。以下我們來(lái)說(shuō)明一下這些弱點(diǎn)：

數字存儲示波器的結構上已經(jīng)決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經(jīng)過(guò)調理，進(jìn)入ADC采樣；ADC的采樣數據在觸發(fā)系統的控制下送入采集內存；采集內存存滿(mǎn)以后，波形數據被送到計算機系統；微處理器根據用戶(hù)需求，對這些數據進(jìn)行處理、計算、分析；最后波形和分析結果被顯示在顯示器上（滾動(dòng)模式下工作流程略有不同，這里不做詳細描述）。在這個(gè)過(guò)程中：從信號調理、觸發(fā)監控到ADC采樣，幾乎是實(shí)時(shí)的，不會(huì )影響工作效率；而數據從采集內存傳到計算機系統、微處理器的處理、計算過(guò)程、最終的顯示，都會(huì )因為示波器的構架不同而影響其實(shí)時(shí)性。其中最關(guān)鍵的部分是微處理器的處理過(guò)程。我們都知道，流行的示波器采樣率都會(huì )在每秒數十吉（GS/s），沒(méi)有任何一個(gè)通用的微處理器可以實(shí)時(shí)處理這樣的數據流，所以示波器微處理器的處理方式只能是“抓取一段、慢慢處理、控制顯示”，然后重復。這樣，在其“慢慢處理”的時(shí)間中，示波器將不能監視波形，這也就是我們所說(shuō)的“死區時(shí)間”，在死區時(shí)間內發(fā)生的事件，是不會(huì )顯示在屏幕上的。為了衡量數字存儲示波器的死區時(shí)間占到總觀(guān)測工作時(shí)間的比例，我們引入“波形捕獲率”的概念，也就是示波器可以連續提供的每秒種內捕獲并顯示的波形個(gè)數。此處的“波形”指一次觸發(fā)采集的全部信息。試驗證明，業(yè)界波形捕獲率最高的高性能（帶寬1GHz以上）數字存儲示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時(shí)間大約占到總觀(guān)測時(shí)間的1～2％，也就是說(shuō)：全部信號的98％以上的細節，因示波器的死區時(shí)間而漏失掉了。

每個(gè)工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會(huì )考慮到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形細節——舉個(gè)例子，如果您觀(guān)測的信號里存在一種平均1秒發(fā)生一次的故障，那么數字存儲示波器1秒內發(fā)現這個(gè)故障的概率只有不到2％，15秒內發(fā)現的概率也只有大約26％。而事實(shí)上，由于開(kāi)發(fā)時(shí)間緊迫，一般工程師觀(guān)測一個(gè)信號的時(shí)間都不會(huì )超過(guò)10秒——結果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個(gè)故障并進(jìn)行有效調試。

幾乎所有的示波器廠(chǎng)商都意識到數字存儲示波器波形捕獲率低這種缺陷，并且開(kāi)發(fā)出了很多提高示波器速度的方法。但是，無(wú)論在數據從采集內存傳到微處理器時(shí)使用兩對1.25Gbps的千兆以太網(wǎng)鏈路的構架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點(diǎn)顯示的加速技術(shù)，都未能從最根本的問(wèn)題上解決吞吐率的問(wèn)題——串行的構架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結構、解放微處理器，才是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

在這個(gè)方面，泰克公司走在了行業(yè)的最前面，從一開(kāi)始就著(zhù)手于串行構架的改造。從上世紀90年代中期的InstaVu?到2006年初的實(shí)時(shí)DPO，基于并行構架的第三代示波器：數字熒光示波器，從出現逐漸走向成熟。下圖是DPO數字熒光示波器的結構圖：

圖3:數字熒光示波器結構圖

從結構可以看出，DPO數字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數據的存儲、光柵化和統計處理以生成三維數據庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導入顯存。在這種構架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數據處理過(guò)程中充當瓶頸。

DPO 數字熒光示波器的并行結構從根本上解決了DSO數字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實(shí)時(shí)數字熒光示波器的波形捕獲率可以達到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數字熒光示波器更可超過(guò)300000wfm/s，捕獲波形占總體信號的比例也最高可達60％（連續提供）；而且新一代的DPX采集也沒(méi)有了上一代“準實(shí)時(shí)熒光示波器” 的最高1.25G實(shí)時(shí)采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進(jìn)一步增強，是現在業(yè)界發(fā)現問(wèn)題的最佳工具。下圖是三家不同廠(chǎng)商的同等級示波器同時(shí)觀(guān)測一個(gè)帶有偶發(fā)故障（約一秒鐘發(fā)生一次）的時(shí)鐘，15秒以后的情況?？梢钥吹?，在前面兩種示波器幾乎沒(méi)有發(fā)現任何問(wèn)題的時(shí)候，泰克的數字熒光示波器（右圖）卻捕獲到了此間發(fā)生的多次故障，差別一目了然。

圖4: 對同一個(gè)信號觀(guān)察相同時(shí)間，DPO發(fā)現更多波形行為

DPX 生成三位數據庫在顯示上也有巨大優(yōu)勢。這種由硬件緩沖器記錄的數據庫可以保存波形的幅度、時(shí)間和隨時(shí)間變化的幅度（即各點(diǎn)信號出現的頻度）信息，無(wú)論在累計速度還是緩沖器深度（每點(diǎn)26bit）上都遠遠超過(guò)其它廠(chǎng)商的軟件生成的數據庫。由此三位數據庫生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級等方式，同時(shí)告知用戶(hù)幅度、時(shí)間和信號出現的概率信息，效果非常類(lèi)似模擬示波器。

數字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當的波形捕獲率和顯示方式，對重復信號和有重復特性的信號（如數字信號、串行通信信號）的捕獲和觀(guān)測能力大大超越傳統數字存儲示波器，能顯著(zhù)提高調試和驗證的效率。同時(shí)，數字熒光示波器也具有數字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構架的優(yōu)勢，數字熒光示波器在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面領(lǐng)先于數字存儲示波器。

如何使用數字熒光示波器進(jìn)行高效的電路調試和驗證，我們將在下兩章著(zhù)重介紹。

第二章 使用實(shí)時(shí)數字熒光示波器進(jìn)行調試——發(fā)現問(wèn)題、定位問(wèn)題、分析問(wèn)題

調試（Debug）的任務(wù)，是要檢查設計中存在的問(wèn)題：改正電路中的錯誤，消除設計里的缺陷，使設計達到預期的功能，并優(yōu)化電路。

調試的一般過(guò)程，我們可以把它歸納為：發(fā)現問(wèn)題——定位問(wèn)題——分析問(wèn)題——解決問(wèn)題。萬(wàn)用表、示波器、邏輯分析儀等儀表都是重要的調試觀(guān)察工具。

使用示波器進(jìn)行調試，準確、快捷、使用方便是每個(gè)使用者的要求。選用合適的工具來(lái)工作，可以起到事半功倍的效果。