电源测量中长存储的重要性

    由于功率电子的频率相对较低（大部分小于1MHz），对于习惯于用高带宽示波器做高速信号测量的工程师来说，往往有一种错觉，电源测量可能很简单，事实是对于电源测量应用中的示波器选择不少工程师犯了错误，虽然500MHz的示波器带宽相对于几百KHz的电源开关频率来说已经足够，但很多时候我们却忽略了对采样率和存储深度的选择。比如说在常见的开关电源的测试中，电压开关的频率一般在200KHz或者更快，由于开关信号中经常存在着工频调制，工程师需要捕获工频信号的四分之一周期或者半周期，甚至是多个周期。开关信号的上升时间约为100ns，我们建议为保证xx的重建波形需要在信号的上升沿上有5个以上的采样点，即采样率至少为5/100ns=50MS/s，也就是两个采样点之间的时间间隔要小于100/5=20ns，对于至少捕获一个工频周期的要求，意味着我们需要捕获一段20ms长的波形，这样我们可以计算出来示波器每通道所需的存储深度=20ms/20ns=1Mpts！！！同样，在分析电源上电的软启动过程中功率器件承受的电压应力的{zd0}值则需要捕获整个上电过程（十几毫秒），所需要的示波器采样率和存储深度甚至更高！

    很遗憾的是我经常看到有工程师用一台每通道仅有10K存储深度的示波器进行上面的电源测试！！！由此而愈发的感觉到作为示波器厂商有必要付出更多的精力和时间帮助工程师们建立使用示波器的正确观念。这也是我们深圳office写系列文章的初衷。

    存储深度对FFT结果的影响

    在DSO中，通过快速傅立叶变换（FFT）可以得到信号的频谱，进而在频域对一个信号进行分析。如电源谐波的测量需要用FFT来观察频谱，在高速串行数据的测量中也经常用FFT来分析导致系统失效的噪声和干扰。对于FFT运算来说，示波器可用的采集内存的总量将决定可以观察信号成分的{zd0}范围（奈奎斯特频率），同时存储深度也决定了频率分辨率△f。如果奈奎斯特频率为500MHz，分辨率为10kHz，考虑一下确定观察窗的长度和采集缓冲区的大小。若要获得10kHz的分辨率，则采集时间至少为：T=1/△f=1/10kHz=100ms，对于具有100kB存储器的数字示波器，可以分析的{zg}频率为：

    △f×N/2=10kHz×100kB/2=500MHz

图11 示波器的FFT运算

    在图12所示的例子中，266MHz信号受到来自30kHz噪声源的捡拾噪声的影响。FFT(下方的轨迹)显示了以266MHz为中间、相距30kHz的一系列峰值。这种失真十分常见，可能是由于开关式电源、DC-DC转换器或其它来源的串扰导致的。它也可能是由故意使用扩频时钟导致的。

图12 力科示波器的FFT分析

    对于DSO来说，长存储能产生更好的FFT结果，既增加了频率分辨率又提高了信号对噪声的比率。另外，针对某些应用，一些非常细节的信息需要在20Mpts的存储深度下才能分析出来，如图13、14所示。

图13 1M点的FFT结果无法了解有关调制的信息

图14 20M点的FFT清晰的确认了时钟的双峰分布及相关调制规律

    需要指出的是，对于长波形的FFT分析需要示波器超强的数据处理能力，这往往超出了某些示波器的运算极限。力科示波器{zd0}可以做25M点的FFT，业内T公司的示波器{zd0}则只能做3.125M点的FFT分析。

    高速串行信号分析需要真正意义的长存储

    抖动分析和眼图测试已成为分析高速串行链路的重要手段，也成为评估xx示波器的重要参考。

    当使用示波器进行抖动测试时，高速采集内存长度是示波器进行抖动测试的关键指标。高速内存长度不仅决定了一次抖动测试中样本数的多少，还决定了示波器能够测试的抖动频率范围。这是因为所有的抖动都具有不同的频率分量，其通常从DC直流到高频部分。示波器单次采集时间窗口的倒数即表明了抖动测试的频律范围。例如，你用一个具有20G采样/秒(S/s)的采样率和1M采样内存的示波器捕获一个2.5Gbps信号，那么你的示波器屏幕上就能捕捉到50微秒长的一段波形，意味着你能捕获到一个频率为20kHz的低频抖动周期。同样的，对于20GS/s采样率100M存储深度（如力科的SDA6000AXXL），则可以捕获到200Hz的低频抖动周期。

    而传统示波器设计时采用将高速采集前端(多达80颗ADC)和高速内存在物理上用一颗SoC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部，导致片内高速内存容量的限制(在40GS/s下一般小于2M)，只能测量到20KHz以上的抖动，并且当需要测试低频抖动时，无法对内存扩展升级。对于大多数应用，测试和分析200Hz到20KHz范围内的抖动信息非常重要。为了弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用外部的低速存储器弥补片内高速内存，但外部存储器不能在高采样率下工作，一般只能提供2GS/s，无法提供有意义的抖动测试结果。例如，当使用40GS/s实时高速采集时，512K内存一次采集数据量仅为12.5us，只能测试频率范围为80K以上的抖动。在各种串行总线和时钟抖动测试中都很难满足测试要求。

    在眼图测试中，由于力科率先采用的软件时钟恢复（CDR）技术已成为行业标准，在高速串行总线大行其道的今天，需要示波器有更强的数据处理能力对大量的数据样本做实时的眼图分析。比如，对PCIE-G2等眼图分析都需要一次对1百万个UI的数据进行测量，并非所有厂商的示波器都能像力科示波器一样能对所有捕获到的数据样本做实时的、动态的眼图测量。例如，T公司的示波器如需对一百万个UI的数据做眼图就只能借助sigtest软件来完成，因为它默认每次只能对12KUI做眼图，我们知道用sigtest做眼图的效率是很低的，对于定位问题及调试而言并不是很好的工具。

    例如，对于PCIE-G2的眼图测试，一个UI=1/(5Gb/s)=200ps，捕获连续的1个millionUI的数据样本即200微秒,在40GS/s的采样率下，需要的存储深度达到8M，遗憾的是，这个数据量的处理会导致T公司的示波器崩溃死机的！这也是为什么T公司的示波器默认的一次只做12KUI眼图的原因，这也是在做高速串行信号眼图测量时T公司的示波器只相当于一个昂贵的“数据采集卡”，而眼图的测试必须要借助于sigtest软件来完成的原因。图15是T公司内部的一份文档对这个问题作了说明。

图15  T公司对眼图软件的说明

    T公司示波器缺省模式下{zd0}只处理12k个UI的眼图，即使当前采集了更长的波形，如果当前采集了250KUI，则眼图中一个lable会显示，{dy}次触发时为“12000/250000”，第二次触发后为“24000/500000”。

图16  T公司示波器默认测量12K UI的眼图

图17  T公司示波器眼图测试数据样本一次不超过12K UI

    图18和图19是某次现场PK中T公司示波器对2.875Gbps信号的眼图测试结果，和力科示波器对5Gbps信号的测量结果的对比（当时T公司拒绝测试PRBS信号源发出的5Gbps信号，承认他们测不出来，后来就只测试了2.875Gbps的信号）。

图18  T公司的测试结果，注意--只用了捕获到574996个UI中很少的8k数据

图19 力科示波器对一次性捕获到的494.046K数据做眼图的结果