同步多臺示波器的應(yīng)用指南

■??引言?

本應(yīng)用指南介紹了同步多臺示波器的方法，您將了解到以下內(nèi)容：

■?同步示波器時需要考慮的事項

■?示波器之間時序誤差的成因

■?推薦的同步方法

■?多示波器軟件的設(shè)置

本應(yīng)用指南以泰克4，5和6系列MSO為例，說明了多示波器同步的程序和原理。4，5和6系列MSO支持任意型號示波器之間的同步，從而實現(xiàn)更多通道的同步采集系統(tǒng)。

通道數(shù)量為何要求超過4個？

4系列MSO示波器是同系列產(chǎn)品中首個推出6通道的型號，可滿足用戶多種測試應(yīng)用場景。可應(yīng)用于復雜粒子物理實驗的捕獲、多個電源軌的測量、三相電源轉(zhuǎn)換器的分析等場景。測量可以包括串行總線中出現(xiàn)的電源串擾、分析射頻干擾、同步觀測輸入/輸出信號的傳輸?shù)鹊取?/p>

用戶也可以通過同步多臺示波器測量更多通道。而在多通道應(yīng)用或測量場景中，為了精確分析整個被測系統(tǒng)的時序關(guān)系，保持通道間的精確同步非常重要。

多示波器測量的考慮因素

軟件

對于多示波器測量系統(tǒng)，軟件可以發(fā)揮關(guān)鍵的作用。從最基本的層面來說，軟件需要整合多臺儀器的數(shù)據(jù)，并由軟件進行儀器的觸發(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。雖然用戶可以通過編寫自定義軟件來完成這些任務(wù)，但比起繁瑣的程序開發(fā)過程，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雜的設(shè)置，讓用戶更專注于測試本身。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

考慮測試系統(tǒng)的同步方法時，理解各種同步策略以及通道間容許的時序誤差量非常重要。不同的線纜連接、觸發(fā)和延遲補償方法會對時序誤差產(chǎn)生重大影響。示波器內(nèi)外部（即線纜和探頭）的通道延遲差異會導致通道之間的時序誤差或“相差”。在決定同步策略時，首先需要回答幾個關(guān)鍵問題：測試系統(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格的相差容許，還是只有部分通道需要？比如機電或人機應(yīng)用的測量，零點幾毫秒是可以容許的。然而，高速電子系統(tǒng)的測量就需要更高的同步性。

時序誤差的來源

為了更好地理解時序誤差的來源，可將其分為四種類型：

?? 1. 觸發(fā)抖動

觸發(fā)抖動是時序誤差的逐次采集變化。將示波器設(shè)置為無限余暉并觀測一個與觸發(fā)同步的信號時，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，抖動將小于10 ps。若采用輔助觸發(fā)輸入，會增加超過200 ps的抖動。

???2. 示波器通道間的相差

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

???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，電纜長度的任何差異都會導致約70ps/cm的相差。如果每臺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100ps。如圖1b所示。

圖1a：低相差和低抖動（最佳)

圖1b：高相差和低抖動

圖1c：低相差和高抖動

圖1d：高相差和高抖動（最差)

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

???4. 觸發(fā)事件與輔助觸發(fā)輸出信號之間的相差

當被觸發(fā)示波器的輔助輸出端口指定為觸發(fā)輸出信號時，存在1μs 的固有相差。如不加以校正，對于大多數(shù)應(yīng)用場景來說，該相差量可能過大。如果記錄長度足夠長，則可使用預(yù)觸發(fā)延遲進行校正。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)是使用單個觸發(fā)源，通過功分器（BNC或SMA）將觸發(fā)信號分離，將同一信號饋送到多臺示波器，如圖3所示。連接分離器和所有儀器的應(yīng)該為相同長度的同類電纜（最好是相位匹配電纜），這樣可以減小由于不同傳播延遲導致的相差。

圖3：該系統(tǒng)中，輔助觸發(fā)輸入和時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)輸入將減少測量通道的數(shù)量，但觸發(fā)抖動會減少大約200ps。

關(guān)于功分器

為了維持觸發(fā)信號的完整性，我們采用高質(zhì)量的功分器。該分離器充當平衡分壓器，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1.25V的電壓。請注意功分器的規(guī)格和觸發(fā)信號要求。驅(qū)動4，5，6系列MSO的輔助觸發(fā)輸入的信號電平最好大于500mV。提供的觸發(fā)信號越大，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SMA功率分離器，連接到四根匹配的電纜和一個觸發(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：174-6214-00）和4根匹配的SMA電纜（泰克部件編號：174-6212-00）。所示電纜在ps內(nèi)匹配，以控制相差。

同步參考時鐘

通過高保真10MHz參考時鐘鎖定示波器的采樣器也是非常重要的。這樣可以消除時基之間的長期漂移效應(yīng)，最大限度地減少了在跨度較大（>2ms）的通道間測量中的時間差精度誤差。

同步參考時鐘有兩種方法：

1. 最好的方法是使用高穩(wěn)定性的外部時鐘，并使用一個功分器來饋送每個參考時鐘輸入。這與用于分離觸發(fā)信號的方法類似，如圖3和圖4所示。

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

無論哪種情況，對于接收10MHz參考時鐘的儀器，參考時鐘源均應(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，時基參考源應(yīng)顯示綠色“Locked”（已鎖定）指示。

在輸出參考時鐘的儀器上，必須進入“Utility”（實用程序）菜單→，“Aux Out”（輔助輸出）選擇參考時鐘，將參考時鐘指定為輔助輸出，如圖6右側(cè)所示。

圖5：使用來自一臺波器的時基參考來饋送其他示波器

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

使用TekScope PC–多示波器

客戶端和相差校正工具

圖7：TekScope PC支持將多達4臺示波器連接到一臺電腦，并可在單個顯示器上顯示來自任何活動通道的信號

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電腦上遠程運行。使用TekScope可以連接多臺示波器，并在單個界面上顯示所有波形，就和在單臺示波器上運行一樣。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 示波器非常簡單。單擊“Add New Scope”（添加示波器）標志，將添加一臺新示波器。

雙擊示波器標志，輸入IP地址，然后連接，如圖8所示。