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，能夠捕捉時間上關聯的模擬、數字和射頻信號，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設計人員遇到的絕大多數無線測試需求。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任意波形發生器能夠提供純凈的輸出，因此非常適合用于數字雷達系統的開發。而吉時利儀器（Keithley Instruments）公司針對其4200-SCS半導體特性分析系統推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風格的完美代表。這三種產品是2011年測試與測量領域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設計工程師經常發現自己在排查無線系統設計問題時需要采集和分析模擬、數字及射頻信號，因此一般需要同時用到示波器和頻譜分析儀。事實上，最近泰克公司發起的客戶調查結果表明，64%的示波器用戶也經常使用頻譜分析儀。
利用示波器以時間關聯方式顯示所有信號的能力，設計工程師可以觀察到彼此精確關聯的所有模擬、數字和射頻信號，這將對嵌入式系統的排錯非常有利。該示波器可以提供多達21個通道（4個模擬、16個數字、1個射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對頻譜分析應用，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的人工標記。頻譜視圖則提供了緩慢變化的射頻現象。
MDO4000示波器本身是基于MSO4000B系列開發的，可提供50000波形/秒的最大波形捕捉速度。示波器共有125種觸發組合，包括針對串行包內容的觸發能力。示波器的MagnaVu高速數字采集功能可提供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）。
任意波形發生器
與此同時，似乎每個設計都在趨于數字化，雷達系統也不例外。雷達設備設計人員越來越多地依賴具有大動態范圍的發送/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品將包含數字I/Q或數字中頻功能，以及極高速的數字總線，這轉而推動了對支持從模擬轉向數字雷達系統的現代測試設備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發生器在14位分辨率時可提供高達80dBc的無雜散動態范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因為數模轉換器（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。
在用于產生高頻信號的傳統I/Q調制方案中，是先采用一對DAC產生基帶信號，然后再調制到射頻。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定值，但它們會破壞輸出信號的頻譜內容。風險是可能會將這些毛刺誤解為模擬輸出。
調制調整可以平滑毛刺，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。每個開關只處理一個電流值：開或關，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，任意波形發生器需要大量內存實現長的播放時間。M8190A擁有高達2Gsamples的波形內存，在最高采樣率時可以產生1/6秒的播放時間。
通過有序使用可以將上述內存的性能發揮至極致。該內存可分成最多256000個段，每個段最多可以環回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化。第一個放大器針對I/Q信號發生作了優化，第二個放大器針對帶寬高達5GHz的高帶寬中頻/射頻應用作了優化，第三個針對要求低抖動和低上沖的時域應用作了優化。
M8190A的配置包括一個5槽道的AXIe機箱，可以裝下兩臺帶系統控制控制器的M8190A任意波形發生器和用于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創建的定制軟件。
模塊化＝多功能性
模塊化儀器的優點是無需投資一臺全新儀器就能完成產品的升級、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系統增加了超快速電壓波形發生和電流/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特性分析系統能夠服務于各種新興應用，從高k值電介質到小規模CMOS、閃存或相變內存中的絕緣硅（SOI）。
吉時利公司開發4200-SCS系統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范圍，還要求簡化互連。結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換器（每卡有4個通道），在使用14位模數轉換器（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，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠程放大器/開關還能減少電纜電容效應，并支持在4225-PMU模塊和機架內安裝的其它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，能夠捕捉時間上關聯的模擬、數字和射頻信號，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設計人員遇到的絕大多數無線測試需求。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任意波形發生器能夠提供純凈的輸出，因此非常適合用于數字雷達系統的開發。而吉時利儀器（Keithley Instruments）公司針對其4200-SCS半導體特性分析系統推出的4225-PMU電流-電壓（I-V）模塊則是模塊化風格的完美代表。這三種產品是2011年測試與測量領域中的佼佼者。
“讓人由衷贊美的”因素
設計工程師經常發現自己在排查無線系統設計問題時需要采集和分析模擬、數字及射頻信號，因此一般需要同時用到示波器和頻譜分析儀。事實上，最近泰克公司發起的客戶調查結果表明，64%的示波器用戶也經常使用頻譜分析儀。
利用示波器以時間關聯方式顯示所有信號的能力，設計工程師可以觀察到彼此精確關聯的所有模擬、數字和射頻信號，這將對嵌入式系統的排錯非常有利。該示波器可以提供多達21個通道（4個模擬、16個數字、1個射頻）以及500MHz或1GHz的模擬帶寬。
針對頻譜分析應用，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的人工標記。頻譜視圖則提供了緩慢變化的射頻現象。
MDO4000示波器本身是基于MSO4000B系列開發的，可提供50000波形/秒的最大波形捕捉速度。示波器共有125種觸發組合，包括針對串行包內容的觸發能力。示波器的MagnaVu高速數字采集功能可提供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）。
任意波形發生器
與此同時，似乎每個設計都在趨于數字化，雷達系統也不例外。雷達設備設計人員越來越多地依賴具有大動態范圍的發送/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品將包含數字I/Q或數字中頻功能，以及極高速的數字總線，這轉而推動了對支持從模擬轉向數字雷達系統的現代測試設備的需求。
安捷倫推出的M8190A任意波形發生器在14位分辨率時可提供高達80dBc的無雜散動態范圍（圖2）。該儀器提供可切換的分辨率，因為數模轉換器（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。
在用于產生高頻信號的傳統I/Q調制方案中，是先采用一對DAC產生基帶信號，然后再調制到射頻。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定值，但它們會破壞輸出信號的頻譜內容。風險是可能會將這些毛刺誤解為模擬輸出。
調制調整可以平滑毛刺，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。每個開關只處理一個電流值：開或關，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，任意波形發生器需要大量內存實現長的播放時間。M8190A擁有高達2Gsamples的波形內存，在最高采樣率時可以產生1/6秒的播放時間。
通過有序使用可以將上述內存的性能發揮至極致。該內存可分成最多256000個段，每個段最多可以環回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化。第一個放大器針對I/Q信號發生作了優化，第二個放大器針對帶寬高達5GHz的高帶寬中頻/射頻應用作了優化，第三個針對要求低抖動和低上沖的時域應用作了優化。
M8190A的配置包括一個5槽道的AXIe機箱，可以裝下兩臺帶系統控制控制器的M8190A任意波形發生器和用于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創建的定制軟件。
模塊化＝多功能性
模塊化儀器的優點是無需投資一臺全新儀器就能完成產品的升級、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系統增加了超快速電壓波形發生和電流/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特性分析系統能夠服務于各種新興應用，從高k值電介質到小規模CMOS、閃存或相變內存中的絕緣硅（SOI）。
吉時利公司開發4200-SCS系統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范圍，還要求簡化互連。結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換器（每卡有4個通道），在使用14位模數轉換器（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，它們能提供4種額外的低電流范圍。這些遠程放大器/開關還能減少電纜電容效應，并支持在4225-PMU模塊和機架內安裝的其它SMU之間自動切換。
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