如何實(shí)現(xiàn)MSO示波器更多通道的測(cè)試

本文以泰克4，5和6系列MSO為例，說(shuō)明了多示波器同步的程序和原理。4，5和6系列MSO支持任意型號(hào)示波器之間的同步，從而實(shí)現(xiàn)更多通道的同步采集系統(tǒng)。

通道數(shù)量為何要求超過(guò)4個(gè)？

4系列B MSO示波器是同系列產(chǎn)品中首個(gè)推出6通道的型號(hào)，可滿足用戶多種測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景?？蓱?yīng)用于復(fù)雜粒子物理實(shí)驗(yàn)的捕獲、多個(gè)電源軌的測(cè)量、三相電源轉(zhuǎn)換器的分析等場(chǎng)景。測(cè)量可以包括串行總線中出現(xiàn)的電源串?dāng)_、分析射頻干擾、同步觀測(cè)輸入/輸出信號(hào)的傳輸?shù)鹊取?/p>

人們也會(huì)通過(guò)同步多臺(tái)示波器能夠測(cè)量更多通道。在多通道應(yīng)用或測(cè)量場(chǎng)景中，為了精確分析整個(gè)被測(cè)系統(tǒng)的時(shí)序關(guān)系，保持通道間的精確同步非常重要。

多示波器測(cè)量的考慮因素

軟件

對(duì)于多示波器測(cè)量系統(tǒng)，軟件可以發(fā)揮關(guān)鍵的作用。從最基本的層面來(lái)說(shuō)，軟件需要整合多臺(tái)儀器的數(shù)據(jù)，并由軟件進(jìn)行儀器的觸發(fā)和采集設(shè)置。軟件還可提供組合波形的顯示和分析功能。

另外，軟件可以幫助完成相差校正。雖然用戶可以通過(guò)編寫(xiě)自定義軟件來(lái)完成這些任務(wù)，但比起繁瑣的程序開(kāi)發(fā)過(guò)程，TekScope PC分析軟件直接提供這些功能，可以更加快捷高效地完成復(fù)雜的設(shè)置，讓用戶更專(zhuān)注于測(cè)試本身。在本應(yīng)用指南中，TekScope PC軟件將用于多示波器控制和采集，后面的章節(jié)介紹了該軟件的使用方法。

系統(tǒng)配置

考慮測(cè)試系統(tǒng)的同步方法時(shí)，理解各種同步策略以及通道間容許的時(shí)序誤差量非常重要。不同的線纜連接、觸發(fā)和延遲補(bǔ)償方法會(huì)對(duì)時(shí)序誤差產(chǎn)生重大影響。示波器內(nèi)外部（即線纜和探頭）的通道延遲差異會(huì)導(dǎo)致通道之間的時(shí)序誤差或“相差”。在決定同步策略時(shí)，首先需要回答幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。測(cè)試系統(tǒng)輸入通道間可以容許多大相差？是所有的輸入通道都需要滿足嚴(yán)格的相差容許，還是只有部分通道需要？比如機(jī)電或人機(jī)應(yīng)用的測(cè)量，零點(diǎn)幾毫秒是可以容許的。然而，高速電子系統(tǒng)的測(cè)量就需要更高的同步性。

時(shí)序誤差的來(lái)源

為了更好地理解時(shí)序誤差的來(lái)源，可將其分為四種類(lèi)型：

1. 觸發(fā)抖動(dòng)

觸發(fā)抖動(dòng)是時(shí)序誤差的逐次采集變化。將示波器設(shè)置為無(wú)限余暉并觀測(cè)一個(gè)與觸發(fā)同步的信號(hào)時(shí)，可以看到這一現(xiàn)象。如圖1a與圖1c的差異所示。使用外部觸發(fā)源或用探頭的4、5、6系列MSO輸入通道，抖動(dòng)將小于10 ps。若采用輔助觸發(fā)輸入，會(huì)增加超過(guò)200 ps的抖動(dòng)。

2. 示波器通道間的相差

4、5和6系列MSO規(guī)格書(shū)載明，使用探頭時(shí)，模擬通道間的延遲將小于100 ps。

3. 各示波器外部觸發(fā)器或探頭的電纜傳播延遲產(chǎn)生的相差

使用外部觸發(fā)器和功分器時(shí)，電纜長(zhǎng)度的任何差異都會(huì)導(dǎo)致約70 ps/cm的相差。如果每臺(tái)示波器上使用相同的模擬探頭作為觸發(fā)源，相差應(yīng)小于100 ps。如圖1b所示。

圖 1a：低相差和低抖動(dòng)（最佳）。 圖 1b：高相差和低抖動(dòng)。

圖 1c：低相差和高抖動(dòng)。 圖 1d：高相差和高抖動(dòng)（最差）。

圖 2：不同的觸發(fā)設(shè)置導(dǎo)致不同的相差或延遲。左側(cè)的設(shè)置將同一個(gè)觸發(fā)信號(hào)使用相位匹配電纜饋送至兩臺(tái)儀器的觸發(fā)通道。右側(cè)的設(shè)置顯示了“菊花鏈”的影響，其中一臺(tái)示波器的輔助輸出饋送至下一臺(tái)示波器的輔助觸發(fā)輸入通道，導(dǎo)致明顯的延遲。

4. 觸發(fā)事件與輔助觸發(fā)輸出信號(hào)之間的相差。

當(dāng)被觸發(fā)示波器的輔助輸出端口指定為觸發(fā)輸出信號(hào)時(shí)，存在1 μs 的固有相差。如不加以校正，對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，該相差量可能過(guò)大。如果記錄長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，則可使用預(yù)觸發(fā)延遲進(jìn)行校正。如圖2右側(cè)所示。

使用外部源的低相差同步方法

最精確的同步技術(shù)是使用單個(gè)觸發(fā)源，通過(guò)功分器（BNC或 SMA）將觸發(fā)信號(hào)分離，將同一信號(hào)饋送到多臺(tái)示波器，如圖3所示。連接分離器和所有儀器的應(yīng)該為相同長(zhǎng)度的同類(lèi)電纜（最好是相位匹配電纜），這樣可以減小由于不同傳播延遲導(dǎo)致的相差。

圖3：輔助觸發(fā)輸入和時(shí)基參考均由分離器和匹配的50Ω電纜饋送。此設(shè)置在不犧牲每臺(tái)示波器通道的情況下提供了最佳相差結(jié)果。使用輸入通道代替輔助觸發(fā)輸入將減少測(cè)量通道的數(shù)量，觸發(fā)抖動(dòng)會(huì)減少約200 ps。

關(guān)于功分器

為了維持觸發(fā)信號(hào)的完整性，我們采用高質(zhì)量的功分器。該分離器充當(dāng)平衡分壓器，將50Ω觸發(fā)源連接到50Ω電纜，再連接到示波器的50Ω輸入。功分器（如圖4所示）將電壓分配到四條支路上，從而5V峰值觸發(fā)器能為每條支路提供1.25 V的電壓。請(qǐng)注意功分器的規(guī)格和觸發(fā)信號(hào)要求。驅(qū)動(dòng)4，5，6系列MSO的輔助觸發(fā)輸入的信號(hào)電平最好大于500 mV。提供的觸發(fā)信號(hào)越大，示波器的觸發(fā)系統(tǒng)響應(yīng)越好，越穩(wěn)定，相差結(jié)果就越好。

圖4：一個(gè) SMA 功率分離器，連接到四根匹配的電纜和一個(gè)觸發(fā)源

圖3和圖4所示是泰克推薦的同步配件：SMA高帶寬4路功率分離器（泰克部件編號(hào)：174-6214-00）和4根匹配的SMA電纜（泰克部件編號(hào)：174-6212-00）。所示電纜在ps內(nèi)匹配，以控制相差。

同步參考時(shí)鐘

通過(guò)高保真10 MHz參考時(shí)鐘鎖定示波器的采樣器也是非常重要的。這樣可以消除時(shí)基之間的長(zhǎng)期漂移效應(yīng)，最大限度地減少了在跨度較大（>2ms）的通道間測(cè)量中的差量時(shí)間精度誤差。

同步參考時(shí)鐘有兩種方法：

1. 最好的方法是使用高穩(wěn)定性的外部時(shí)鐘，并使用一個(gè)功分器來(lái)饋送每個(gè)參考時(shí)鐘輸入。這與用于分離觸發(fā)信號(hào)的方法類(lèi)似，如圖3和圖4所示。

2. 另一種方法是使用一臺(tái)示波器的內(nèi)部參考時(shí)鐘，并將其饋送到下一臺(tái)示波器，如圖5所示。而該示波器的輔助輸出可為串聯(lián)的下一臺(tái)示波器的參考輸入進(jìn)行饋送，依此類(lèi)推。這種方法適用于內(nèi)部參考時(shí)基精度滿足要求的情況。

無(wú)論哪種情況，對(duì)于接收10 MHz參考時(shí)鐘的儀器，參考時(shí)鐘源均應(yīng)設(shè)置為外部。雙擊4,5,6系列MSO上的“Acquisition”（采集）標(biāo)志，可找到該設(shè)置，如圖6左側(cè)所示。一旦發(fā)射和接收示波器配置并同步，時(shí)基參考源應(yīng)顯示綠色“Locked”（已鎖定）指示。在輸出參考時(shí)鐘的儀器上，必須進(jìn)入“Utility”（實(shí)用程序）菜單à，“Aux Out”（輔助輸出）選擇參考時(shí)鐘，將參考時(shí)鐘指定為輔助輸出 ，如圖6右側(cè)所示。

圖 5：使用來(lái)自一臺(tái)波器的時(shí)基參考來(lái)饋送其他示波器。

圖6：4，5和6系列MSO菜單，用于設(shè)置參考時(shí)鐘并鎖定時(shí)基參考。左側(cè)是接收示波器上參考時(shí)鐘設(shè)置。右側(cè)是發(fā)射示波器上的輸出參考時(shí)鐘的設(shè)置。

使用TekScope PC–多示波器客戶端和相差校正工具

圖7：TekScope PC支持將4臺(tái)示波器連接到一臺(tái)電腦，并可在單個(gè)顯示器上顯示來(lái)自任何活動(dòng)通道的信號(hào)。

TekScope? PC分析軟件是泰克提供的一款應(yīng)用程序，非常適合多示波器配置。該軟件的操作方式與4/5/6系列MSO用戶界面相同，但在Windows電腦上遠(yuǎn)程運(yùn)行。使用TekScope可以連接多臺(tái)示波器，并在單個(gè)界面上顯示所有波形，就和在單臺(tái)示波器上運(yùn)行一樣。該軟件還能將所有連接示波器的全部數(shù)據(jù)保存在一個(gè)文件里。

配置 TekScope PC 用于多示波器應(yīng)用

連接4， 5 或 6 系列 MSO 示波器非常簡(jiǎn)單。單擊“Add New Scope”（添加示波器）標(biāo)志，將添加一臺(tái)新示波器。 雙擊示波器標(biāo)志，輸入IP地址，然后連接，如圖 8所示。

圖 8：在 TekScope PC 中使用“Add New Scope”（添加示波器）標(biāo)志，添加額外的示波器連接。

圖 9：連接示波器以后，將顯示或隱藏其他通道。

使用 TekScope 對(duì)多示波器系統(tǒng)進(jìn)行相差校正

相差校正過(guò)程包括測(cè)量及消除不同示波器通道之間的相差。

圖10：觸發(fā)信號(hào)被分離并接入輔助輸入端口，校準(zhǔn)信號(hào)被分離并接入到每臺(tái)示波器上的通道1。

需要將非觸發(fā)信號(hào)的時(shí)鐘信號(hào)接入到兩個(gè)待校正相差的通道上，如圖10所示。該信號(hào)應(yīng)具有快速上升時(shí)間（例如50 ps）。使用 TekScope PC一次連接兩臺(tái)示波器。選擇一個(gè)通道作為參考，如圖11所示。

圖 11：相同的信號(hào)接入到待校正相差的兩個(gè)通道。

下一步是疊加顯示兩個(gè)通道，如圖12所示。然后，放大信號(hào)的前緣，這樣就可以使用光標(biāo)來(lái)測(cè)量差量時(shí)間，如圖13所示。

圖 12：待校正相差的信號(hào)被放大并以疊加模式顯示。

圖 13：測(cè)量不同示波器上兩個(gè)通道之間的差量時(shí)間。

現(xiàn)在需要消除通道間存在的相差。雙擊該通道的垂直菜單。在“Deskew”（相差校正）設(shè)置中輸入測(cè)得的差量時(shí)間。如圖14所示。所有通道都必須重復(fù)以上操作。

圖 14：在通道垂直徽章標(biāo)志的“Deskew”（相差校正）設(shè)置中輸入測(cè)得的差量時(shí)間，可校正兩通道間的相差。

總結(jié)

本技術(shù)簡(jiǎn)介介紹了使用4，5和6系列MSO示波器和TekScope PC分析軟件同步多示波器測(cè)量系統(tǒng)的方法。 4，5和6系列MSO支持任意型號(hào)示波器之間的同步，從而實(shí)現(xiàn)更多通道的同步采集系統(tǒng)。