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泰克Tektronix MDO4000 新示波器跨越工程師的迫切需求
2012-04-09
泰克 Tektronix 公司的MDO4000系列示波器能滿足目前設(shè)計(jì)工程師對(duì)跨越各種信號(hào)類型和域的儀器的迫切需求。
MDO4000的“讓人由衷贊美的”因素是它既是一款示波器也是一款頻譜分析儀，整個(gè)外包裝只有5.8英寸深。據(jù)泰克公司稱，MDO4000是全球首款混合域示波器，能夠捕捉時(shí)間上關(guān)聯(lián)的模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)，并能幫助用戶查看射頻頻譜是如何隨時(shí)間變化的（圖1）。
該儀器的內(nèi)置頻譜分析儀提供一個(gè)3GHz或6GHz的射頻端口，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遇到的絕大多數(shù)無(wú)線測(cè)試需求。這種性能增強(qiáng)了的分析儀在所有中心頻率點(diǎn)都有至少1GHz的捕捉帶寬，比典型頻譜分析儀要明顯寬得多。
同樣，安捷倫科技（Agilent）的M8190A任意波形發(fā)生器能夠提供純凈的輸出，因此非常適合用于數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。而吉時(shí)利儀器（Keithley Instruments）公司針對(duì)其4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風(fēng)格的完美代表。這三種產(chǎn)品是2011年測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在排查無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)需要采集和分析模擬、數(shù)字及射頻信號(hào)，因此一般需要同時(shí)用到示波器和頻譜分析儀。事實(shí)上，最近泰克公司發(fā)起的客戶調(diào)查結(jié)果表明，64%的示波器用戶也經(jīng)常使用頻譜分析儀。
利用示波器以時(shí)間關(guān)聯(lián)方式顯示所有信號(hào)的能力，設(shè)計(jì)工程師可以觀察到彼此精確關(guān)聯(lián)的所有模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)，這將對(duì)嵌入式系統(tǒng)的排錯(cuò)非常有利。該示波器可以提供多達(dá)21個(gè)通道（4個(gè)模擬、16個(gè)數(shù)字、1個(gè)射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對(duì)頻譜分析應(yīng)用，MDO4000儀器不僅提供用于快速、方便的信號(hào)峰值識(shí)別的自動(dòng)標(biāo)記，還提供用于測(cè)量感興趣的非峰值區(qū)的人工標(biāo)記。頻譜視圖則提供了緩慢變化的射頻現(xiàn)象。
MDO4000示波器本身是基于MSO4000B系列開(kāi)發(fā)的，可提供50000波形/秒的最大波形捕捉速度。示波器共有125種觸發(fā)組合，包括針對(duì)串行包內(nèi)容的觸發(fā)能力。示波器的MagnaVu高速數(shù)字采集功能可提供60.6ps分辨率。與典型無(wú)源探測(cè)器相比，低電容無(wú)源探測(cè)組件可以提供兩倍的帶寬（1GHz）和一半的負(fù)荷（4pF）。
任意波形發(fā)生器
與此同時(shí)，似乎每個(gè)設(shè)計(jì)都在趨于數(shù)字化，雷達(dá)系統(tǒng)也不例外。雷達(dá)設(shè)備設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地依賴具有大動(dòng)態(tài)范圍的發(fā)送/接收模塊進(jìn)行特別低電平信號(hào)的檢測(cè)。這些模塊的下一代產(chǎn)品將包含數(shù)字I/Q或數(shù)字中頻功能，以及極高速的數(shù)字總線，這轉(zhuǎn)而推動(dòng)了對(duì)支持從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發(fā)生器在14位分辨率時(shí)可提供高達(dá)80dBc的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在14位分辨率時(shí)工作在8Gsamples/s，在12位分辨率時(shí)工作在12Gsamples/s。這樣，用戶可以針對(duì)特定的測(cè)量決定是需要更高的帶寬還是更高的分辨率。
在用于產(chǎn)生高頻信號(hào)的傳統(tǒng)I/Q調(diào)制方案中，是先采用一對(duì)DAC產(chǎn)生基帶信號(hào)，然后再調(diào)制到射頻。這種方案通常能很好的工作，但輸出可能會(huì)受到雜散信號(hào)的影響。這些毛刺不會(huì)影響信號(hào)的最終穩(wěn)定值，但它們會(huì)破壞輸出信號(hào)的頻譜內(nèi)容。風(fēng)險(xiǎn)是可能會(huì)將這些毛刺誤解為模擬輸出。
調(diào)制調(diào)整可以平滑毛刺，但隨著時(shí)間和溫度的變化，平滑效果不能一直保持。安捷倫公司M8190A中采用的專有DAC可提供低約70dB的互調(diào)性能。如果對(duì)您的測(cè)量來(lái)說(shuō)頻率足夠高，那么可以直接使用M8190A的輸出，也可以將它混頻至射頻。
去除DAC輸出毛刺的秘訣在于在組成DAC的26個(gè)電流源的每個(gè)電流源上使用再取樣開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)關(guān)只處理一個(gè)電流值：開(kāi)或關(guān)，使得處理過(guò)程特別線性。然后在電阻終端中將各個(gè)值累加起來(lái)得到最終的輸出信號(hào)。
雖然分辨率和帶寬很重要，但在實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)合，任意波形發(fā)生器需要大量?jī)?nèi)存實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的播放時(shí)間。M8190A擁有高達(dá)2Gsamples的波形內(nèi)存，在最高采樣率時(shí)可以產(chǎn)生1/6秒的播放時(shí)間。
通過(guò)有序使用可以將上述內(nèi)存的性能發(fā)揮至極致。該內(nèi)存可分成最多256000個(gè)段，每個(gè)段最多可以環(huán)回40億次，而且支持三級(jí)排序。高級(jí)模式允許建立非常復(fù)雜的波形。M8190A還具有實(shí)時(shí)內(nèi)存訪問(wèn)選項(xiàng)功能。
M8190A包括三個(gè)用戶可選的放大器，每個(gè)放大器針對(duì)不同的信號(hào)特性進(jìn)行了優(yōu)化。第一個(gè)放大器針對(duì)I/Q信號(hào)發(fā)生作了優(yōu)化，第二個(gè)放大器針對(duì)帶寬高達(dá)5GHz的高帶寬中頻/射頻應(yīng)用作了優(yōu)化，第三個(gè)針對(duì)要求低抖動(dòng)和低上沖的時(shí)域應(yīng)用作了優(yōu)化。
M8190A的配置包括一個(gè)5槽道的AXIe機(jī)箱，可以裝下兩臺(tái)帶系統(tǒng)控制控制器的M8190A任意波形發(fā)生器和用于PCI Express連接的外部支持模塊（ESM）。這種配置只需增加一個(gè)監(jiān)視器就能形成一臺(tái)完整的儀器。還有一種雙槽道的AXIe機(jī)箱配置，可以容納一臺(tái)任意波形發(fā)生器及ESM。這種配置還需要一臺(tái)帶PCI Express卡的PC機(jī)或筆記本電腦。
在用于產(chǎn)生信號(hào)波形時(shí)，用戶可以有許多種選項(xiàng)，包括Matlab、LabVIEW或用微軟Visual Studio創(chuàng)建的定制軟件。
模塊化＝多功能性
模塊化儀器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需投資一臺(tái)全新儀器就能完成產(chǎn)品的升級(jí)、擴(kuò)容或改進(jìn)。吉時(shí)利儀器推出的型號(hào)4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)就是這樣一種模塊化儀器。這臺(tái)分析儀最新增加的配件是型號(hào)為4225-PMU的超快速電流-電壓（I-V）模塊，該模塊向4200-SCS系統(tǒng)增加了超快速電壓波形發(fā)生和電流/電壓測(cè)量功能。
為什么進(jìn)行器件、新材料和新工藝特性分析的工程師需要超快速的I-V？這是因?yàn)閷?duì)器件、材料和工藝進(jìn)行完整的特性分析需要三種類型的測(cè)量：精確的直流I-V，交流阻抗和超快速或瞬時(shí)I-V。在向4200-SCS系統(tǒng)增加4225-PMU選件時(shí)，吉時(shí)利公司對(duì)儀器的功能作了進(jìn)一步完善。該選件使得4200-SCS特性分析系統(tǒng)能夠服務(wù)于各種新興應(yīng)用，從高k值電介質(zhì)到小規(guī)模CMOS、閃存或相變內(nèi)存中的絕緣硅（SOI）。
吉時(shí)利公司開(kāi)發(fā)4200-SCS系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)使用基于GUI的點(diǎn)擊界面使特性分析更加方便。在增加超快速I-V測(cè)試功能時(shí)目標(biāo)同樣如此。此外，該公司希望4225-PMU選件在外觀、工作和感覺(jué)上像普通高分辨率源測(cè)量單元（SMU）一樣容易使用。
達(dá)到這些目標(biāo)要求這種模塊的測(cè)量范圍非常廣泛，并且需要具有同樣廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，還要求簡(jiǎn)化互連。結(jié)果是在相對(duì)高分辨率條件下能夠完成特別快速地測(cè)量。電流分辨率范圍從1A至1pA。雖然前代4200-SMU快速I-V模塊支持快至10ms的測(cè)量速度，但4225-PMU可以使某些更大電流的測(cè)量速度快至10ns，同時(shí)盡可能保持接近約翰遜噪聲（Johnson noise）極限值。
每個(gè)4225-PMU模塊提供兩個(gè)集成的源與測(cè)量通道，但在組成系統(tǒng)的9槽道主機(jī)機(jī)架中只占用1個(gè)槽道。每個(gè)機(jī)架可以安裝多達(dá)4個(gè)模塊，因此最多可提供8個(gè)超快速的源/測(cè)量通道。每個(gè)通道整合了高速電壓輸出（脈寬范圍從60ns至直流）以及同步電流與電壓測(cè)量功能。
該模塊提供高速電壓脈沖以及同步電流與電壓測(cè)量功能，每個(gè)通道使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（每卡有4個(gè)通道），在使用14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時(shí)采樣率高達(dá)200Msamples/s。用戶可以選擇兩種電壓源范圍（1Mohm輸入，±10V或±40V）以及4種電流測(cè)量范圍（800mA、200mA、10mA、100μA）。
每個(gè)4225-PMU模塊可以配備多達(dá)2個(gè)可選的4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)還能減少電纜電容效應(yīng)，并支持在4225-PMU模塊和機(jī)架內(nèi)安裝的其它SMU之間自動(dòng)切換。
MDO4000的“讓人由衷贊美的”因素是它既是一款示波器也是一款頻譜分析儀，整個(gè)外包裝只有5.8英寸深。據(jù)泰克公司稱，MDO4000是全球首款混合域示波器，能夠捕捉時(shí)間上關(guān)聯(lián)的模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)，并能幫助用戶查看射頻頻譜是如何隨時(shí)間變化的（圖1）。
該儀器的內(nèi)置頻譜分析儀提供一個(gè)3GHz或6GHz的射頻端口，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員遇到的絕大多數(shù)無(wú)線測(cè)試需求。這種性能增強(qiáng)了的分析儀在所有中心頻率點(diǎn)都有至少1GHz的捕捉帶寬，比典型頻譜分析儀要明顯寬得多。
同樣，安捷倫科技（Agilent）的M8190A任意波形發(fā)生器能夠提供純凈的輸出，因此非常適合用于數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。而吉時(shí)利儀器（Keithley Instruments）公司針對(duì)其4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風(fēng)格的完美代表。這三種產(chǎn)品是2011年測(cè)試與測(cè)量領(lǐng)域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在排查無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)需要采集和分析模擬、數(shù)字及射頻信號(hào)，因此一般需要同時(shí)用到示波器和頻譜分析儀。事實(shí)上，最近泰克公司發(fā)起的客戶調(diào)查結(jié)果表明，64%的示波器用戶也經(jīng)常使用頻譜分析儀。
利用示波器以時(shí)間關(guān)聯(lián)方式顯示所有信號(hào)的能力，設(shè)計(jì)工程師可以觀察到彼此精確關(guān)聯(lián)的所有模擬、數(shù)字和射頻信號(hào)，這將對(duì)嵌入式系統(tǒng)的排錯(cuò)非常有利。該示波器可以提供多達(dá)21個(gè)通道（4個(gè)模擬、16個(gè)數(shù)字、1個(gè)射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對(duì)頻譜分析應(yīng)用，MDO4000儀器不僅提供用于快速、方便的信號(hào)峰值識(shí)別的自動(dòng)標(biāo)記，還提供用于測(cè)量感興趣的非峰值區(qū)的人工標(biāo)記。頻譜視圖則提供了緩慢變化的射頻現(xiàn)象。
MDO4000示波器本身是基于MSO4000B系列開(kāi)發(fā)的，可提供50000波形/秒的最大波形捕捉速度。示波器共有125種觸發(fā)組合，包括針對(duì)串行包內(nèi)容的觸發(fā)能力。示波器的MagnaVu高速數(shù)字采集功能可提供60.6ps分辨率。與典型無(wú)源探測(cè)器相比，低電容無(wú)源探測(cè)組件可以提供兩倍的帶寬（1GHz）和一半的負(fù)荷（4pF）。
任意波形發(fā)生器
與此同時(shí)，似乎每個(gè)設(shè)計(jì)都在趨于數(shù)字化，雷達(dá)系統(tǒng)也不例外。雷達(dá)設(shè)備設(shè)計(jì)人員越來(lái)越多地依賴具有大動(dòng)態(tài)范圍的發(fā)送/接收模塊進(jìn)行特別低電平信號(hào)的檢測(cè)。這些模塊的下一代產(chǎn)品將包含數(shù)字I/Q或數(shù)字中頻功能，以及極高速的數(shù)字總線，這轉(zhuǎn)而推動(dòng)了對(duì)支持從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字雷達(dá)系統(tǒng)的現(xiàn)代測(cè)試設(shè)備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發(fā)生器在14位分辨率時(shí)可提供高達(dá)80dBc的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因?yàn)閿?shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在14位分辨率時(shí)工作在8Gsamples/s，在12位分辨率時(shí)工作在12Gsamples/s。這樣，用戶可以針對(duì)特定的測(cè)量決定是需要更高的帶寬還是更高的分辨率。
在用于產(chǎn)生高頻信號(hào)的傳統(tǒng)I/Q調(diào)制方案中，是先采用一對(duì)DAC產(chǎn)生基帶信號(hào)，然后再調(diào)制到射頻。這種方案通常能很好的工作，但輸出可能會(huì)受到雜散信號(hào)的影響。這些毛刺不會(huì)影響信號(hào)的最終穩(wěn)定值，但它們會(huì)破壞輸出信號(hào)的頻譜內(nèi)容。風(fēng)險(xiǎn)是可能會(huì)將這些毛刺誤解為模擬輸出。
調(diào)制調(diào)整可以平滑毛刺，但隨著時(shí)間和溫度的變化，平滑效果不能一直保持。安捷倫公司M8190A中采用的專有DAC可提供低約70dB的互調(diào)性能。如果對(duì)您的測(cè)量來(lái)說(shuō)頻率足夠高，那么可以直接使用M8190A的輸出，也可以將它混頻至射頻。
去除DAC輸出毛刺的秘訣在于在組成DAC的26個(gè)電流源的每個(gè)電流源上使用再取樣開(kāi)關(guān)。每個(gè)開(kāi)關(guān)只處理一個(gè)電流值：開(kāi)或關(guān)，使得處理過(guò)程特別線性。然后在電阻終端中將各個(gè)值累加起來(lái)得到最終的輸出信號(hào)。
雖然分辨率和帶寬很重要，但在實(shí)際的測(cè)試場(chǎng)合，任意波形發(fā)生器需要大量?jī)?nèi)存實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)的播放時(shí)間。M8190A擁有高達(dá)2Gsamples的波形內(nèi)存，在最高采樣率時(shí)可以產(chǎn)生1/6秒的播放時(shí)間。
通過(guò)有序使用可以將上述內(nèi)存的性能發(fā)揮至極致。該內(nèi)存可分成最多256000個(gè)段，每個(gè)段最多可以環(huán)回40億次，而且支持三級(jí)排序。高級(jí)模式允許建立非常復(fù)雜的波形。M8190A還具有實(shí)時(shí)內(nèi)存訪問(wèn)選項(xiàng)功能。
M8190A包括三個(gè)用戶可選的放大器，每個(gè)放大器針對(duì)不同的信號(hào)特性進(jìn)行了優(yōu)化。第一個(gè)放大器針對(duì)I/Q信號(hào)發(fā)生作了優(yōu)化，第二個(gè)放大器針對(duì)帶寬高達(dá)5GHz的高帶寬中頻/射頻應(yīng)用作了優(yōu)化，第三個(gè)針對(duì)要求低抖動(dòng)和低上沖的時(shí)域應(yīng)用作了優(yōu)化。
M8190A的配置包括一個(gè)5槽道的AXIe機(jī)箱，可以裝下兩臺(tái)帶系統(tǒng)控制控制器的M8190A任意波形發(fā)生器和用于PCI Express連接的外部支持模塊（ESM）。這種配置只需增加一個(gè)監(jiān)視器就能形成一臺(tái)完整的儀器。還有一種雙槽道的AXIe機(jī)箱配置，可以容納一臺(tái)任意波形發(fā)生器及ESM。這種配置還需要一臺(tái)帶PCI Express卡的PC機(jī)或筆記本電腦。
在用于產(chǎn)生信號(hào)波形時(shí)，用戶可以有許多種選項(xiàng)，包括Matlab、LabVIEW或用微軟Visual Studio創(chuàng)建的定制軟件。
模塊化＝多功能性
模塊化儀器的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需投資一臺(tái)全新儀器就能完成產(chǎn)品的升級(jí)、擴(kuò)容或改進(jìn)。吉時(shí)利儀器推出的型號(hào)4200-SCS半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)就是這樣一種模塊化儀器。這臺(tái)分析儀最新增加的配件是型號(hào)為4225-PMU的超快速電流-電壓（I-V）模塊，該模塊向4200-SCS系統(tǒng)增加了超快速電壓波形發(fā)生和電流/電壓測(cè)量功能。
為什么進(jìn)行器件、新材料和新工藝特性分析的工程師需要超快速的I-V？這是因?yàn)閷?duì)器件、材料和工藝進(jìn)行完整的特性分析需要三種類型的測(cè)量：精確的直流I-V，交流阻抗和超快速或瞬時(shí)I-V。在向4200-SCS系統(tǒng)增加4225-PMU選件時(shí)，吉時(shí)利公司對(duì)儀器的功能作了進(jìn)一步完善。該選件使得4200-SCS特性分析系統(tǒng)能夠服務(wù)于各種新興應(yīng)用，從高k值電介質(zhì)到小規(guī)模CMOS、閃存或相變內(nèi)存中的絕緣硅（SOI）。
吉時(shí)利公司開(kāi)發(fā)4200-SCS系統(tǒng)的目標(biāo)是通過(guò)使用基于GUI的點(diǎn)擊界面使特性分析更加方便。在增加超快速I-V測(cè)試功能時(shí)目標(biāo)同樣如此。此外，該公司希望4225-PMU選件在外觀、工作和感覺(jué)上像普通高分辨率源測(cè)量單元（SMU）一樣容易使用。
達(dá)到這些目標(biāo)要求這種模塊的測(cè)量范圍非常廣泛，并且需要具有同樣廣泛的動(dòng)態(tài)范圍，還要求簡(jiǎn)化互連。結(jié)果是在相對(duì)高分辨率條件下能夠完成特別快速地測(cè)量。電流分辨率范圍從1A至1pA。雖然前代4200-SMU快速I-V模塊支持快至10ms的測(cè)量速度，但4225-PMU可以使某些更大電流的測(cè)量速度快至10ns，同時(shí)盡可能保持接近約翰遜噪聲（Johnson noise）極限值。
每個(gè)4225-PMU模塊提供兩個(gè)集成的源與測(cè)量通道，但在組成系統(tǒng)的9槽道主機(jī)機(jī)架中只占用1個(gè)槽道。每個(gè)機(jī)架可以安裝多達(dá)4個(gè)模塊，因此最多可提供8個(gè)超快速的源/測(cè)量通道。每個(gè)通道整合了高速電壓輸出（脈寬范圍從60ns至直流）以及同步電流與電壓測(cè)量功能。
該模塊提供高速電壓脈沖以及同步電流與電壓測(cè)量功能，每個(gè)通道使用兩個(gè)轉(zhuǎn)換器（每卡有4個(gè)通道），在使用14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時(shí)采樣率高達(dá)200Msamples/s。用戶可以選擇兩種電壓源范圍（1Mohm輸入，±10V或±40V）以及4種電流測(cè)量范圍（800mA、200mA、10mA、100μA）。
每個(gè)4225-PMU模塊可以配備多達(dá)2個(gè)可選的4225-RPM遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠(yuǎn)程放大器/開(kāi)關(guān)還能減少電纜電容效應(yīng)，并支持在4225-PMU模塊和機(jī)架內(nèi)安裝的其它SMU之間自動(dòng)切換。
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