利用示波器統(tǒng)計工具分析有噪聲信號之測量統(tǒng)計和余暉圖

2019-09-24

數(shù)字示波提供了多種基于統(tǒng)計的工具，除了前文提到的平均和直方圖之外，測量參數(shù)統(tǒng)計和余暉圖，也是非常有用的工具，協(xié)助快速獲取有用信息。對于示波器測量參數(shù)，也可以使用統(tǒng)計功能，統(tǒng)計功能可應(yīng)用于示波器中可用的任何測量參數(shù)，圖4是時鐘信號的時間間隔誤差(TIE)測量的示例。

圖4. 333MHz時鐘的TIE測量，測量統(tǒng)計信息包括平均值、最小值、最大值，標(biāo)準(zhǔn)偏差(SDEV)以及測量次數(shù)圖4中上部波形是333 MHz時鐘信號，下部波形是時鐘信號的水平放大，TIE是實(shí)際邊沿與其理想位置之間時間差的度量，將其視為信號的瞬時相位，示波器對采集波形的每個邊沿執(zhí)行TIE測量，即所謂的“全實(shí)例”測量。放大測量讀數(shù)部分，使其更易于閱讀，測量讀數(shù)Value顯示最后的TIE測量值，在這個例子中為8.2ps，它還顯示統(tǒng)計中包含的平均值，最小值，最大值，標(biāo)準(zhǔn)偏差和測量次數(shù)。在此示例中，統(tǒng)計數(shù)據(jù)包括超過一百萬個，平均值是所有這些測量值的平均值，在此示例中為零，因為TIE的值不為零，這表明TIE測量值既有正值也有負(fù)值，平均值為零。最小值是確定的最小TIE值，最大值是測到的最大TIE值，最大值和最小值的差值是統(tǒng)計的TIE測量值范圍，在該示例中，最小值為-34.3 ps，最大值為40.7 ps，這再次確認(rèn)了TIE既有正值，也有負(fù)值。標(biāo)準(zhǔn)偏差(通常稱為sigma)是樣本值相對均值分布的度量，由于均值為零，因此標(biāo)準(zhǔn)偏差等于TIE的均方根(rms)值，所有測量樣本值的68％位于高斯分布的平均值的±1標(biāo)準(zhǔn)偏差內(nèi)。在數(shù)值測量讀數(shù)下方，是一個直方圖圖標(biāo)，稱為“histicon”，顯示測量值的分布，直方圖繪制了小范圍內(nèi)測量值與出現(xiàn)次數(shù)的關(guān)系，“histicon”的鐘形分布是高斯分布或正態(tài)分布的特征。測量統(tǒng)計提供了百萬次測量的簡明描述，讓我們知道平均值、最大和最小值，以及直方圖分布的形狀，它看起來是高斯分布。我們可以更詳細(xì)地輕松查看TIE測量的直方圖，點(diǎn)擊“histicon”將打開包含直方圖的函數(shù)曲線，以便進(jìn)行更詳細(xì)的分析，如圖5所示。

圖5 . 展開“ histicon”可研究TIE測量的直方圖，直方圖參數(shù)讀取平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差和范圍曲線F1顯示TIE測量值的直方圖，直方圖也可以是測量對象，并且已啟用三個直方圖參數(shù)以顯示直方圖的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和范圍，參數(shù)標(biāo)記以圖形方式顯示直方圖參數(shù)的基本原理，并非所有示波器都提供直方圖，在大多數(shù)情況下，它是一項可選功能。TIE是定時不確定性或抖動的一種表示形式，直方圖測量參數(shù)量化抖動，標(biāo)準(zhǔn)偏差表示均方根抖動，范圍參數(shù)表示峰峰值抖動，這些值測量直方圖所包含樣本的實(shí)際抖動，可以將該信息外推至1012或更多樣本的抖動，這適用于許多高速串行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所需的抖動測試，大多數(shù)高端示波器都提供此類串行數(shù)據(jù)分析軟件。

統(tǒng)計工具協(xié)助可視化波形可以使用統(tǒng)計工具協(xié)助以多種方式顯示噪聲信號，在示波器的存儲器中疊加多次采集會產(chǎn)生余暉圖，它用于生成持久性顯示，顯示多次采集的歷史記錄。它還可以用于通過基于通過每個采樣點(diǎn)的垂直切片的統(tǒng)計分析來提取信號的平均值，標(biāo)準(zhǔn)偏差或范圍來分析波形。這些余暉圖功能的水平分辨率為10ps或等效采樣率為100GSample / s，如圖6所示的例子。

圖6.采集的噪聲波形以及余暉圖平均值、余暉圖sigma和余暉圖范圍顯示了如何使用統(tǒng)計工具提供附加信息最上面的波形是采集的原始波形，其上有大量的垂直噪聲，采用余暉圖均值或PMean數(shù)學(xué)函數(shù)將波形中的每個樣本替換為存儲在持久性存儲器中的許多波形上的該點(diǎn)的平均值。PMean(從上向下第二個波形)顯示出嘈雜波形中的隱藏細(xì)節(jié)，可以使用任何其他測量參數(shù)或函數(shù)進(jìn)一步分析此曲線。從頂部開始的第三個波形是余暉圖sigma或PSigma，它顯示了與噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差相對應(yīng)的噪聲包絡(luò)或與零均值噪聲rms變化相對應(yīng)的噪聲包絡(luò)。它是信號值變化的極限，在平均水平的正負(fù)一個標(biāo)準(zhǔn)差內(nèi)，可以使用此類型的波形來創(chuàng)建Pass/Fail測試的模板。最下方的波形是余暉圖范圍或PRange，此函數(shù)繪制信號的包絡(luò)或范圍噪聲，顯示噪聲的最壞情況垂直偏移，同樣，它也可以用于生成通過/失敗測試模板。

更多計算直方圖的方法直方圖表示測量參數(shù)或數(shù)據(jù)波形的分布，一些示波器可以基于余暉圖創(chuàng)建直方圖。這類直方圖的優(yōu)點(diǎn)是它可以查看波形中的特定點(diǎn)，如圖7所示，上面的曲線顯示了基于通過噪聲方波高電平垂直切片的余暉直方圖，切片的水平位置和寬度由用戶控制。得到的直方圖表示垂直噪聲。下面的曲線是相同的波形，其余暉直方圖基于其中點(diǎn)的水平切片，得到的直方圖顯示邊沿時間的變化，與垂直切片的情況一樣，水平切片的垂直位置和寬度可以由用戶設(shè)置。

圖7.余暉直方圖顯示了基于用戶可控切片的分布，可以使用標(biāo)準(zhǔn)直方圖參數(shù)來測量生成的直方圖水平和垂直余暉直方圖都可以使用標(biāo)準(zhǔn)直方圖測量參數(shù)來測量，如圖7中的測量參數(shù)P1-P6所示。示波器提供了大量基于統(tǒng)計的工具，可幫助分析采集的波形。幾乎每個示波器都提供平均和測量參數(shù)統(tǒng)計。直方圖、余暉圖和余暉直方圖通常是可選功能，本文使用的示波器是力科WaveMaster 8Zi-B，提供所有的分析工具，從噪聲中快速提取有用信息。

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總結(jié)

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