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数位示波器的基本原理﹑操作及USB 2.0物理层测试简介


数字示波器的基本原理和操作

苏水金 泰克科技中国(有限) 泰克科技中国(有限)公司
1

示波器的概述

2

数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

/>触发 数据测量和分析
VISIBILITY

ANALYSIS

3

数字示波器的基础和原理
? 示波器带宽/上升时间 示波器带宽/
PROBING

采样率 存储长度 波形捕获率 触发 数据测量和分析
VISIBILITY ACQUISITION

ANALYSIS

4

示波器的带宽定义
模拟带宽 Nyquist 带宽 DSP带宽

Attenuator

探头系统

Amplifier

ADC

DEMUX DSP处理 处理

高速采 集内存

显示

系统处理器

触发系统

5

示波器模拟带宽的定义

Probe or Transducer

Attenuator

Amplifier

ADC

Acquisition Memory System Processor

Trigger

放大器模拟带宽 示波器最重要的指标 如果需要精确测量信号,必须知道它们的每一个频谱分量 的幅度和相位 带宽仅定义了正弦波的幅度衰减
6

示波器的带宽(模拟带宽)

0.707V, fBW V

0 dB 6 div at 50 kHz

- 3 dB 4.2 div at bandwidth
7

带宽对测试结果的影响

8

示波器的带宽对时间测试的影响

9

Bandwidth & Harmonics
Digital Square Wave–Odd Fourier Sums
1
Fundamental(1stHarmonic) 3rdHarmonic 5thHarmonic FourierSquareWave(1st-5thH)

0

-1

0

50

100

10

信号带宽 v.s.上升时间
示波器的上升时间( ),可定义为示波器前置放大器的阶跃响 ),可定义为示波器前置放大器的 示波器的上升时间(Tr),可定义为示波器前置放大器的阶跃响 时间 能力。 应时间。这个指 反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力 应时间。这个指标反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力。 估放大器的相位响应能力。若示波器前置放大器模型是低通 响应能力 可评估放大器的相位响应能力。若示波器前置放大器模型是低通 波器(一 模型 模型, 带宽(BW)可用公式 (0.35/Tr)来计 滤波器 一阶)模型,则其带宽 可用公式 ) 也就是说 若示波器放大器模型不是一阶 算,也就是说 BW x Tr = 0.35 ,若示波器放大器模型不是一阶 低通滤波器, 更高, 低通滤波器,则tr与BW的乘积会更高,比如 的 积会更高 比如0.4、0.45等 、 等
0.9 V 上升时间 上升时间(tr) 时间

V

0.1 V

BW = 0.35/ tr
11

示波器带宽 上升时间 示波器带宽 v.s. 上升时间
示波器的带宽 影 转换时间( 示波器的带宽—影响转换时间 Transition-time)的测量值 带宽 的
– 低通滤波器(一阶)的效应 (带宽 上升时间 = 0.35) 低通滤波器 一 的 带宽X上升 带宽 上升时间 – 示波器带宽需大于 入信号带宽 号带宽) 测量值是系统的合成结果 (示波器带宽需大于输入信号带宽 值是系 的合成结 示波器带宽需大

测量值上升时间 = 上升时间

(信号上升时间)2 + (示波器上升时间)2 上升时间 上升时间

– 使用 使用350MHz带宽,即1ns上升时间 带宽, 上升时间 的示波器, 带宽 上升时间(0.35/350M)的示波器,测量上升 的示波器 的方波信号 示波器带宽等于 入信号带宽时 示波器带宽等于输 号带宽时)测 时间为1ns的方波信号 (示波器带宽等于输入信号带宽时 测量值如下 : 的方波 时间为 = (1ns ) + ( ns ) = 1 . 41 ns 1 测量值 – 使用 使用1GHz带宽,即350ps上升时间 带宽, 上升时间 的示波器(示波器带宽大 带宽 上升时间(0.35/1G)的示波器 示波器带宽大 的示波器 示波器带宽 于输入信号带宽 倍)测量值如下 : 入信号带宽3倍 测 号带宽
2 2

12

间时升上 间时升上 间时升上 间时升上

测量值

间时升上 间时升上 间时升上 间时升上

=

(1ns )2 + (350

2 ps ) = 1 . 06 ns

多快才是足够快? 多快才是足够快

示波器上升时间

上升时间慢/异常幅度衰 上升时间慢 异常幅度衰 减 41% 12% 5% 2%

等于信号的上升时间 等于信号的上升时间 信号的上升时间1/2 等于信号的上升时间 等于信号的上升时间 信号的上升时间1/3 等于信号的上升时间 等于信号的上升时间 信号的上升时间1/5 等于信号的上升时间

What you don’t know...

...can hurt you!

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数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

触发 数据测量和分析
VISIBILITY

ANALYSIS

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采样率(Sampling Rate)
在特定的时间点采集输入信号的值

采样点

采样间隔 数字化 需要的 保持时间

采样点等时间间隔分布 采样率以样点数/秒描述(S/s,kS/s,MS/s,GS/s)

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采样率的理论
实际线路 大于 采 比如2.5f), 方能还原頻率为 f的正弦波 方能还 頻率为 的正弦波 实际线路须大于2f采样率(比如 比如

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采样率影响
混淆信号 (Aliasing)
频率为 f的正弦波, 小于2f 采样率

Aliasing混淆 混淆 波形

原始波形

采样点

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采样率
? 采样率不足使测量上升时间产生误差。 ? 采样率的決定,須使用公式 : BW=0.35/tr
90%

采样率不足时 不足时 上升时间 的上升时间

10% 实际上 实际上 升时间

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数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

触发 数据测量和分析
VISIBILITY

易用性, 易用性,扩展性

ANALYSIS

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存储长度
Attenuator

Probe or Transducer

Amplifier

ADC

高速采集内存

Trigger

System Processor

示波器存储数据量的大小 采样率×时间=存储长度 单次实时连续采集时存储长度非常重要 同时需要高采样率和长内存
例如:DSA72004 在50GS/s时最大支持200M存储长度

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存储长度 (Memory Depth) 储长度
操作时 记录长度( Length)来 操作时以记录长度(Record Length)来表示

以点(Point)为单位来记录波形 Point)为单位来记录波形 示波器儲存采样点数据 示波器儲存采样点数据 记录长度可 1000点到数200M点 记录长度可从1000点到数200M点 点到数200M 在相同采样率的条件下 记录长度愈长, 在相同采样率的条件下,记录长度愈长,记录 采样率 的时间愈长

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抖动分析对高速采集内存的要求
高速串行信号测试和分析
– Ref_clk, PCI-E,

抖动测试和分析
– 统计方法论 – 样本数是测试关键,采集内存越大,测试结果越准确

SSC on/off 测试
– 需要观测扩频时钟的调制特性(33KHz)

采样率×采集时间=存储长度
– 采样率越高越好 – 采集时间越长越好,采集数据量越大越好

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数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

触发 数据测量和分析
VISIBILITY

ANALYSIS

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波形捕获率
Attenuator

Probe or Transducer

Amplifier

ADC

Acquisition Memory System Processor

Trigger

每秒钟能够采集多少个波形(wfm/s) 示波器的数据处理能力有关(死区时间) 电路调试的关键

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示波器波形捕获率:每一秒采集多少个波形

采集

死区时间

采集到一个波形

漏失波形=漏失潜在的故障

采集下一个波形

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波形捕获率对测试结果的影响
波形捕获率: 波形捕获率

Analog Real-Time

毛刺被丢失

Digital Storage

DPO 使用DPO增加你每秒波形采集的数目 增加你每秒波形采集的数目 使用

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数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

触发 数据测量和分析
VISIBILITY

ANALYSIS

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触发- 触发-最短的时间定位问题

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针在哪里?
1010 3m左右,2.5×
0.03m左右

29

高级触发类型(A事件所包含类型)

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Productivity

DPO的效率——触发系统
使用顶级的触发技术
– 在所有触发方式下使用最新一 代SiGe技术,性能全面超过业界 其它产品
Virtually Unlimited Trigger Combinations Plus Comm & Serial

广泛使用于泰克中高端示波器 的Pinpoint?触发系统
– 九大类触发模式灵敏度可高达 9GHz

PinpointTM 触发系统
– 业界最完善的触发系统 – 唯一完善的双触发系统

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数字示波器的基础 数字示波器的基础和原理
带宽/上升时间 带宽/ 采样率 存储长度 波形捕获率
ACQUISITION PROBING

触发 数据测量和分析
VISIBILITY

ANALYSIS

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Insight

DPO的分析能力——自动测量
按照不同的角度,自动测量分为 幅度、时间、综合、直方图和通信 相关,总共多达53种选项 每种可以独立定义测试范围、参 考电平和统计等参数 友好的用户界面,直观的设置 自动测试结果可作为数学运算功 能的参数

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Insight

DPO的分析能力——自定义数学表达式
标准配置的数学波形功能,能够 绘制随时间变化的各种参数 可以对数学波形再做数学波形或 者自动测量 多种运算符号,支持大量常用计 算 数学运算自定义单位,方便观测 和报告编辑

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Insight

DPO的分析能力——频谱分析
泰克数字荧光示波器,提供业界最全面的频谱分析功能 根据需要,用户可选择基本频谱分析和高级频谱分析
– 可分析幅频特性、相频特性,高级分析功能还可分离频谱的实部和虚部
高级频谱分析可以设置span、centre freq和RBW,还可选择FFT窗口函数

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Insight

标准测试解决方案
TDSJIT3 TDSET3 TDSUSB2

TDSOSA2

TDSDDM2

TDSRTE

SATA I/II
TDSPWR3 TDSDVI

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USB2.0 物理层一致性测试
Compliance Physical Layer Testing

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Brief Introduction to USB 2.0
USB 2.0是一种串行总线,使用4条线-VBUS、D-、D+和接地。D-和D+传送数据。VBUS 为设 备供电,从主机或集线器获得主电源
USB2.0 provides the following speed selections

Data Rate Low Speed Full Speed High Speed
. The USB-IF has instituted a certification and marking program
– –

Rise Time 75 to 300 ns 4 – 20 ns 500 ps

1.5 Mbps 12 Mbps 480 Mbps

Persuade developers to fully test their USB devices. New USB trademark logo that indicates a device is certified and conforms to all applicable USB 2.0 specifications.

– USB 2.0装置的设计人员必须恰当地鉴定其设计并检验产品是否符合业界标准。因此,恰当的测试 工具对USB-IF兼容性测试极其重要,

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USB2.0 一致性测试
4

0 0

Three categories of Compliance testing 0 Physical layer (Electrical Test) 0 Protocol layer 0 Interoperability testing USB 2.0 tests 0 Signal Quality Test 0 Inrush Current Test HS Specific Tests 0 Chirp Test 0 Receiver sensitivity Test 0 Impedance Test (TDR)

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USB2.0 信号质量测试
USB 2.0 标准设备的数据速率提高了40 倍,同时也给 设备制造商带来了各种设计挑战。各种信号质量问题出 现在设计人员面前,如板卡布局、抖动、上升时间和下 降时间、EMI、噪声和地面反弹。保持信号质量是保证 USB 2.0 设备满足标准、获得USB 2.0 认证标志的关键 之一。

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USB2.0 信号质量测试
信号质量测试包括: 信号质量测试包括: 眼图测试(Eye-Diagram testing) 信号速率(Signal Rate) 包结尾宽度(End of Packet Width) 交叉点电压范围(Cross-over voltage range (for LS and FS)) JK抖动(JK jitter) (for LS and FS)) KJ抖动(KJ jitter) (for LS and FS)) 连续抖动(Consecutive jitter) (for LS and FS)) 单调性测试(Monotonic test (for HS)) 上升与下降时间(Rise and Fall times)(slew rate)

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测试设备
带宽在2.5 GHz 以上的实时示波器 DPO7254 单端(低速和全速)探头,差分(高速)探头(如分别对应的P6245 和P6248 以及TAP2500 和TAP1500,电流探头TCP0030或 TCP202) USB测试夹具TDSUSBF TDSUSB2 一致性测试软件

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测试环境需求
500 MHz PC with Windows 2000 (English) or XP OS High-Speed Host Controller USB-IF furnished Test Mode Software Good quality USB cables Good quality USB Hub
– – 1.1 – Belkin F5U100 / F5U101 2.0 – Belkin F5u221 / IOGer GUH-204 ‘Gold’ ATEN UH-204 ‘Gold’

Mouse (any listed on USB-IF mouse)

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DUT
被测DUT 1. HOST 2. HUB 3. Device

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待測件為Device
所要测试的信号为Device送出的信号, 信号的方向为上行(Up Stream)

测试项目
1. Signal Quality
– – High speed test 480Mbit/S Full speed test 12Mbit/S

2. Inrush Current

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Device High-Speed Signal Quality

Switch

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Device High-Speed Signal Quality
測試治具需接上電源 先將 switch 切到 INIT 的位置. Win 2K (英文版) or XP PC 執行 HSElecticalTestTool 軟體,選擇 Device 然後按 TEST. 進入下一個視窗在Device Command 內選擇Test_packet , 然後按 EXECUTE. 執行 TDSUSB2 軟體,選擇 High Speed 然後將 Signal quality 的六個項目全部點選.
– Eye diagram, Signal rate, Rise time, Fall Time, EOP Width, Monotonic.

按下 Configure 點選 Configure 然後選擇Tier 6, Up-stream, Near End. 點選 Source 選擇所 要用的 Input Channel 點選 RUN 的符號 此時可看到波形 但此時的波形是不對的 需將測試治具上的 switch 切到 TEST 此時的波形才是正確的 按下 OK 既可完成測試.

47

Device High-Speed Signal Quality

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Device High-Speed Signal Quality

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Device High-Speed Signal Quality
Waveform

Eye Diagram

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Device Full-Speed Signal Quality

此兩個Connector直 接到Hub5的 Downstream Port

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Device Full-Speed Signal Quality
第一層HUB必需用2.0的HUB. 用到三個Channel Win 2K (英文版) or XP PC 執行 HSElecticalTestTool 軟體. 選擇Device按Test此時在下一個畫面應可看到至少7個Device. 點選要測試的Device, 在 Device command 選擇 Loop Device Descriptor, Execute. 執行 TDSUSB2 軟體選擇 Full Speed 然後將 Signal quality 的九個項目全部點選.
– Eye diagram, Signal Rate, Rise time, Fall Time, EOP Width, Paired JK Jitter, Paired KJ Jitter, Consecutive Jitter, Cross Over

按下 Configure 點選 Configure 然後選擇Tier 6, 要用的 Input Channel 按下 OK 既可完成測試 此方法亦可用在測 Low Speed的 Device.
– – CH3 須接在 D– ,TDSUSB2 選擇在 Low Speed 其餘項目和 Full Speed 都一樣

Up-stream, Far End. 點選 Source 選擇所

點選 RUN 的符號 此時可看到 Full-Speed 的波形

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Device Full-Speed Signal Quality

Loop Device Descriptor

待測件

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Device Full-Speed Signal Quality

54

Device Full-Speed Signal Quality
Waveform

Eye Diagram

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Inrush Current Test (浪涌电流测试)
由于USB 2.0是一种可以热插拔的技术,因此必须特别注意,以保证 设备吸收的电流不会超过指定极限。如果吸收的电流超过指定值,那 么可能会妨碍连接到总线上的其它USB 2.0设备的运行。将同时检查 自行供电设备和总线供电设备的涌入电流,验证被测设备(DUT)插入 集线器端口时不会吸收太多的电流。 在理论上,检查浪涌电流需要计算特定时间周期上的电流积分(以示 波器上两个垂直光标位置为界)。USB 2.0规范规定,对5.15 V 的 VBUS 值,设备吸收的总电荷应小于等于51.5 uC。 实时示波器(如DPO7254)和电流探头(如TCP0030)软件件可以用来自 动设置示波器检查浪涌电流。这一测试软件提供电荷(uC)、电容(uF) 的直接读数,自动指明通过或未通过测试

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Inrush Current Test

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Inrush Current Test
治具 Inrush Port 的 Switch 先切到 DUT OFF. 執行 TDSUSB2 軟體, 點選 Inrush Current. 進入 Configure 點選 Configure 後輸入Vbus 電壓 點選 Source選擇所要用的input Channel. 按下 RUN 的符號 將 Trig Level 往上調到適當的level (一般為一格). 將治具上的 Switch 切到 DUT ON, 此時應可看到波形. 按下 OK 既可完成. * 如果Device是Self-Power可能會抓不到波形, 電流太小.

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Inrush Current Test

59

Thank You For Attending!

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Question?

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