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)計工程師對跨越各種信號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，能夠捕捉時間上關(guān)聯(lián)的模擬、數(shù)字和射頻信號，并能幫助用戶查看射頻頻譜是如何隨時間變化的（圖1）。
該儀器的內(nèi)置頻譜分析儀提供一個3GHz或6GHz的射頻端口，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員遇到的絕大多數(shù)無線測試需求。這種性能增強了的分析儀在所有中心頻率點都有至少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)字雷達系統(tǒng)的開發(fā)。而吉時利儀器（Keithley Instruments）公司針對其4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風格的完美代表。這三種產(chǎn)品是2011年測試與測量領(lǐng)域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設(shè)計工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在排查無線系統(tǒng)設(shè)計問題時需要采集和分析模擬、數(shù)字及射頻信號，因此一般需要同時用到示波器和頻譜分析儀。事實上，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。
利用示波器以時間關(guān)聯(lián)方式顯示所有信號的能力，設(shè)計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，這將對嵌入式系統(tǒng)的排錯非常有利。該示波器可以提供多達21個通道（4個模擬、16個數(shù)字、1個射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對頻譜分析應(yīng)用，MDO4000儀器不僅提供用于快速、方便的信號峰值識別的自動標記，還提供用于測量感興趣的非峰值區(qū)的人工標記。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。與典型無源探測器相比，低電容無源探測組件可以提供兩倍的帶寬（1GHz）和一半的負荷（4pF）。
任意波形發(fā)生器
與此同時，似乎每個設(shè)計都在趨于數(shù)字化，雷達系統(tǒng)也不例外。雷達設(shè)備設(shè)計人員越來越多地依賴具有大動態(tài)范圍的發(fā)送/接收模塊進行特別低電平信號的檢測。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)而推動了對支持從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字雷達系統(tǒng)的現(xiàn)代測試設(shè)備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發(fā)生器在14位分辨率時可提供高達80dBc的無雜散動態(tài)范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在14位分辨率時工作在8Gsamples/s，在12位分辨率時工作在12Gsamples/s。這樣，用戶可以針對特定的測量決定是需要更高的帶寬還是更高的分辨率。
在用于產(chǎn)生高頻信號的傳統(tǒng)I/Q調(diào)制方案中，是先采用一對DAC產(chǎn)生基帶信號，然后再調(diào)制到射頻。這種方案通常能很好的工作，但輸出可能會受到雜散信號的影響。這些毛刺不會影響信號的最終穩(wěn)定值，但它們會破壞輸出信號的頻譜內(nèi)容。風險是可能會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。如果對您的測量來說頻率足夠高，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個電流源的每個電流源上使用再取樣開關(guān)。每個開關(guān)只處理一個電流值：開或關(guān)，使得處理過程特別線性。然后在電阻終端中將各個值累加起來得到最終的輸出信號。
雖然分辨率和帶寬很重要，但在實際的測試場合，任意波形發(fā)生器需要大量內(nèi)存實現(xiàn)長的播放時間。M8190A擁有高達2Gsamples的波形內(nèi)存，在最高采樣率時可以產(chǎn)生1/6秒的播放時間。
通過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個段，每個段最多可以環(huán)回40億次，而且支持三級排序。高級模式允許建立非常復雜的波形。M8190A還具有實時內(nèi)存訪問選項功能。
M8190A包括三個用戶可選的放大器，每個放大器針對不同的信號特性進行了優(yōu)化。第一個放大器針對I/Q信號發(fā)生作了優(yōu)化，第二個放大器針對帶寬高達5GHz的高帶寬中頻/射頻應(yīng)用作了優(yōu)化，第三個針對要求低抖動和低上沖的時域應(yīng)用作了優(yōu)化。
M8190A的配置包括一個5槽道的AXIe機箱，可以裝下兩臺帶系統(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監(jiān)視器就能形成一臺完整的儀器。還有一種雙槽道的AXIe機箱配置，可以容納一臺任意波形發(fā)生器及ESM。這種配置還需要一臺帶PCI Express卡的PC機或筆記本電腦。
在用于產(chǎn)生信號波形時，用戶可以有許多種選項，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)點是無需投資一臺全新儀器就能完成產(chǎn)品的升級、擴容或改進。吉時利儀器推出的型號4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)就是這樣一種模塊化儀器。這臺分析儀最新增加的配件是型號為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/電壓測量功能。
為什么進行器件、新材料和新工藝特性分析的工程師需要超快速的I-V？這是因為對器件、材料和工藝進行完整的特性分析需要三種類型的測量：精確的直流I-V，交流阻抗和超快速或瞬時I-V。在向4200-SCS系統(tǒng)增加4225-PMU選件時，吉時利公司對儀器的功能作了進一步完善。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）。
吉時利公司開發(fā)4200-SCS系統(tǒng)的目標是通過使用基于GUI的點擊界面使特性分析更加方便。在增加超快速I-V測試功能時目標同樣如此。此外，該公司希望4225-PMU選件在外觀、工作和感覺上像普通高分辨率源測量單元（SMU）一樣容易使用。
達到這些目標要求這種模塊的測量范圍非常廣泛，并且需要具有同樣廣泛的動態(tài)范圍，還要求簡化互連。結(jié)果是在相對高分辨率條件下能夠完成特別快速地測量。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的測量速度，但4225-PMU可以使某些更大電流的測量速度快至10ns，同時盡可能保持接近約翰遜噪聲（Johnson noise）極限值。
每個4225-PMU模塊提供兩個集成的源與測量通道，但在組成系統(tǒng)的9槽道主機機架中只占用1個槽道。每個機架可以安裝多達4個模塊，因此最多可提供8個超快速的源/測量通道。每個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量功能。
該模塊提供高速電壓脈沖以及同步電流與電壓測量功能，每個通道使用兩個轉(zhuǎn)換器（每卡有4個通道），在使用14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時采樣率高達200Msamples/s。用戶可以選擇兩種電壓源范圍（1Mohm輸入，±10V或±40V）以及4種電流測量范圍（800mA、200mA、10mA、100μA）。
每個4225-PMU模塊可以配備多達2個可選的4225-RPM遠程放大器/開關(guān)，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠程放大器/開關(guān)還能減少電纜電容效應(yīng)，并支持在4225-PMU模塊和機架內(nèi)安裝的其它SMU之間自動切換。
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，能夠捕捉時間上關(guān)聯(lián)的模擬、數(shù)字和射頻信號，并能幫助用戶查看射頻頻譜是如何隨時間變化的（圖1）。
該儀器的內(nèi)置頻譜分析儀提供一個3GHz或6GHz的射頻端口，能夠滿足嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員遇到的絕大多數(shù)無線測試需求。這種性能增強了的分析儀在所有中心頻率點都有至少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)字雷達系統(tǒng)的開發(fā)。而吉時利儀器（Keithley Instruments）公司針對其4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風格的完美代表。這三種產(chǎn)品是2011年測試與測量領(lǐng)域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設(shè)計工程師經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己在排查無線系統(tǒng)設(shè)計問題時需要采集和分析模擬、數(shù)字及射頻信號，因此一般需要同時用到示波器和頻譜分析儀。事實上，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。
利用示波器以時間關(guān)聯(lián)方式顯示所有信號的能力，設(shè)計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，這將對嵌入式系統(tǒng)的排錯非常有利。該示波器可以提供多達21個通道（4個模擬、16個數(shù)字、1個射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對頻譜分析應(yīng)用，MDO4000儀器不僅提供用于快速、方便的信號峰值識別的自動標記，還提供用于測量感興趣的非峰值區(qū)的人工標記。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。與典型無源探測器相比，低電容無源探測組件可以提供兩倍的帶寬（1GHz）和一半的負荷（4pF）。
任意波形發(fā)生器
與此同時，似乎每個設(shè)計都在趨于數(shù)字化，雷達系統(tǒng)也不例外。雷達設(shè)備設(shè)計人員越來越多地依賴具有大動態(tài)范圍的發(fā)送/接收模塊進行特別低電平信號的檢測。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)而推動了對支持從模擬轉(zhuǎn)向數(shù)字雷達系統(tǒng)的現(xiàn)代測試設(shè)備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發(fā)生器在14位分辨率時可提供高達80dBc的無雜散動態(tài)范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因為數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）在14位分辨率時工作在8Gsamples/s，在12位分辨率時工作在12Gsamples/s。這樣，用戶可以針對特定的測量決定是需要更高的帶寬還是更高的分辨率。
在用于產(chǎn)生高頻信號的傳統(tǒng)I/Q調(diào)制方案中，是先采用一對DAC產(chǎn)生基帶信號，然后再調(diào)制到射頻。這種方案通常能很好的工作，但輸出可能會受到雜散信號的影響。這些毛刺不會影響信號的最終穩(wěn)定值，但它們會破壞輸出信號的頻譜內(nèi)容。風險是可能會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。如果對您的測量來說頻率足夠高，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個電流源的每個電流源上使用再取樣開關(guān)。每個開關(guān)只處理一個電流值：開或關(guān)，使得處理過程特別線性。然后在電阻終端中將各個值累加起來得到最終的輸出信號。
雖然分辨率和帶寬很重要，但在實際的測試場合，任意波形發(fā)生器需要大量內(nèi)存實現(xiàn)長的播放時間。M8190A擁有高達2Gsamples的波形內(nèi)存，在最高采樣率時可以產(chǎn)生1/6秒的播放時間。
通過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個段，每個段最多可以環(huán)回40億次，而且支持三級排序。高級模式允許建立非常復雜的波形。M8190A還具有實時內(nèi)存訪問選項功能。
M8190A包括三個用戶可選的放大器，每個放大器針對不同的信號特性進行了優(yōu)化。第一個放大器針對I/Q信號發(fā)生作了優(yōu)化，第二個放大器針對帶寬高達5GHz的高帶寬中頻/射頻應(yīng)用作了優(yōu)化，第三個針對要求低抖動和低上沖的時域應(yīng)用作了優(yōu)化。
M8190A的配置包括一個5槽道的AXIe機箱，可以裝下兩臺帶系統(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監(jiān)視器就能形成一臺完整的儀器。還有一種雙槽道的AXIe機箱配置，可以容納一臺任意波形發(fā)生器及ESM。這種配置還需要一臺帶PCI Express卡的PC機或筆記本電腦。
在用于產(chǎn)生信號波形時，用戶可以有許多種選項，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)點是無需投資一臺全新儀器就能完成產(chǎn)品的升級、擴容或改進。吉時利儀器推出的型號4200-SCS半導體特性分析系統(tǒng)就是這樣一種模塊化儀器。這臺分析儀最新增加的配件是型號為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/電壓測量功能。
為什么進行器件、新材料和新工藝特性分析的工程師需要超快速的I-V？這是因為對器件、材料和工藝進行完整的特性分析需要三種類型的測量：精確的直流I-V，交流阻抗和超快速或瞬時I-V。在向4200-SCS系統(tǒng)增加4225-PMU選件時，吉時利公司對儀器的功能作了進一步完善。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）。
吉時利公司開發(fā)4200-SCS系統(tǒng)的目標是通過使用基于GUI的點擊界面使特性分析更加方便。在增加超快速I-V測試功能時目標同樣如此。此外，該公司希望4225-PMU選件在外觀、工作和感覺上像普通高分辨率源測量單元（SMU）一樣容易使用。
達到這些目標要求這種模塊的測量范圍非常廣泛，并且需要具有同樣廣泛的動態(tài)范圍，還要求簡化互連。結(jié)果是在相對高分辨率條件下能夠完成特別快速地測量。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的測量速度，但4225-PMU可以使某些更大電流的測量速度快至10ns，同時盡可能保持接近約翰遜噪聲（Johnson noise）極限值。
每個4225-PMU模塊提供兩個集成的源與測量通道，但在組成系統(tǒng)的9槽道主機機架中只占用1個槽道。每個機架可以安裝多達4個模塊，因此最多可提供8個超快速的源/測量通道。每個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量功能。
該模塊提供高速電壓脈沖以及同步電流與電壓測量功能，每個通道使用兩個轉(zhuǎn)換器（每卡有4個通道），在使用14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）時采樣率高達200Msamples/s。用戶可以選擇兩種電壓源范圍（1Mohm輸入，±10V或±40V）以及4種電流測量范圍（800mA、200mA、10mA、100μA）。
每個4225-PMU模塊可以配備多達2個可選的4225-RPM遠程放大器/開關(guān)，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠程放大器/開關(guān)還能減少電纜電容效應(yīng)，并支持在4225-PMU模塊和機架內(nèi)安裝的其它SMU之間自動切換。
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