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冰山理论——你选择了最合适的示波器么?【Rohde & Schwarz RTO1024 数字示波器易用性评测】

作者:王梓翔  wzx0531@gmail.com ,中国科学技术大学   

 

ScopeArt按语:

王老师是我见过的最狂热的电子测量仪器的“发烧友”。他对每家示波器的最细节的功能都了如指掌,而且能客观全面忠实地做出评估。

 

R&S示波器带有鲜明的德国工程师的设计风格,对于发烧友来说会成为一种偏爱。第一次收到这篇文章我很吃惊,没想到我们没有派任何应用工程师去王老师现场,他将R&S示波器就玩得这么透了。

 

但是,我们开始并不敢发表此文,怕引起不必要的误会。但想到王老师那单纯的出于对仪器的热爱的热情,我们还是秉直地坚持发表此文以回应这样真正的正直的热情!

 

ScopeArt先生一直认为操作的易用性既是主观的也是客观的,某些操作特点天生就具有人见人爱的属性,譬如触摸屏操作,波形拖拉; 而某些操作特点就会带有先入为主的习惯属性— 我就觉得这个车子嘛,它的方向盘在左边好,  所以您可能觉得触发的操作按钮就该摆在过去你用的那台示波器的那个位置上:-)  

 

且看王老师是如何评价的。


本文摒弃了大部分指标,从易用性角度介绍了Rohde & Schwarz RTO1024型示波器为什么能够帮助使用者减少硬件开发调试时的时间,以期收获符合冰山理论的收益。

 

示波器除了作为参数和指标的测量手段之外,更是平时进行开发调试的重要工具,所以按笔者的理解,对于用于Debug的测试平台,示波器的易用性有着与示波器性能同等甚至更加重要的地位。在这一点上优秀的示波器,对开发环节所能提供的价值很可能符合冰山理论——水面下那90%的看不清道不明的问题,能够靠一台优秀的示波器来发现。所以,今天笔者就把易用性放在第一位,讨论一下这款示波器在开发调试过程中,如何快速有效的使用示波器调试。

 

1 软件

1.1基于触摸屏的交互逻辑

首先是软件的易用性带来的影响。人机交互方面,软件界面在交互性上是做的很好的主要体现在界面中各种信息的展现方式和交互逻辑,快捷键的设置位置,符合使用习惯。
如下图所示:


可以看到,窗口摆放的自由度很高,不只有简单的4×1或者2×2这种表格形式堆叠,而是允许更多不同尺寸的窗口混拼,充分区分主要和次要的观察对象。

 

至于右侧的几个方块组成的竖向列表,除了用于显示测量结果外,还可以放置实时刷新的波形, 这意味着,对于不需要一直保留,但又有可能多次唤出的观察窗口,用户可以将其放在右侧的小方块列表里最小化显示,保留一个实时刷新的观察窗,同时又几乎不占用屏幕空间;当需要仔细观察时,将该方块直接拖动到屏幕上就可以观察细节了。至于测量的结果(比如幅度的自动测量),同样可以以一个小方块的形式放置在右侧,再也不会出现测试项和测试值遮挡测试波形的情况。大大提高了有效界面的利用。

 

当然,很多信号分析软件都有类似的功能和界面,但R&S软件界面的易用不仅仅体现在这个显示界面,还体现在触发这些界面的操作逻辑上。相比早期的触摸屏示波器那块只作为鼠标替代品的触摸屏,RTO的触摸屏使用起来更像一块大平板,下面以界面分屏框图说明:

上图是将右侧小窗口拖往屏幕显示时,屏幕位置分布框图。可以看到拖动时,屏幕被分割成了四个梯形和一个小方块。事实上,将小窗口拖动到这五个图形的区域内,会触发不同的效果,拖动到这五个区域的边界线上,也会触发不同的效果。

 

比如说:
    拖动到左侧和右侧梯形:将小窗口并列放置在当前窗口的左侧或右侧
    拖动到上侧和下侧梯形:将小窗口并排放置在当前窗口的上侧或下侧
    拖动到上侧边界:将两个窗口以标签页切换形式共用当前窗口
    拖动到中央的方块内:和当前波形共用同一个窗口
    拖动到右边栏:缩成小图并根据放置在列表中拖动停止的位置
    拖动到底边:将当前小窗口内的波形数据作为x轴坐标,大窗口数据作为y轴坐标,绘制x-y图(Lissajous曲线等)

此外,当屏幕上已经有多个区域时,每个区域都会分别分成的四个梯形和一个方形,结合预览功能可以很方便准确的完成多个波形的多层次摆放。实现屏幕上分屏显示效果再也不需要复杂的菜单设置,靠简单拖动的手法可能只要几秒钟。而且用户能够一眼掌握的内容也比常见的界面丰富的多。

 

1.2 丰富的测量功能

上面谈完了这款示波器的交互逻辑,下面来介绍快速的设置和测试测量分析。

 

首先是简洁明了的信号处理流程结构框图

我个人十分喜欢这个界面,与很多产品传统的参数表格模式不同,这个框图的布局跟示波器正常工作过程的流程是一致的,并且将参数设置环绕在对应单元的旁边,这对于基本功不扎实的新手十分有帮助,能减小选错配置的可能性。我相信大家常常会碰见不小心选错了输入阻抗(50 ohms选到了1M ohms,甚至选到了GND)导致测量信号不正确,或者是没有搞清楚Offset和Position的区别,导致ADC被饱和。那么这种完整给出原理图的界面就会减小犯这些错误的概率。

 

这个界面还有个妙处,就是将标签页与标签页之间的联系也表现出来了,注意看上图中偏右侧的部分,可以看到一个Acquisition按钮,点击它和点击顶上的Acqisition标签页一样都能转向Acquisition界面。这样,各个子系统之间的关系也表现出来了。

 

接下来我们就来看看的Acquisition界面。

这个界面所展现出来的一个很重要的优势在于,这台示波器对每个通道可以同时显示当前通道在三种测量模式(普通模式,峰值检测,高分辨率)下的波形,同时每个波形还允许套用一个自选的波形算法(比如对于峰值检测模式,就可以套用一下包络检测或者幅度解调,直接将每个时间点下的峰值包络抽取出来)。再强调一下,以上计算和显示都是同时的,是对同一信号采取不同波形算法计算显示的波形,便于更好的理解区分不同波形算法的含义。结合前面高自由度的波形显示界面,这些结果都能够同时显示在屏幕上,主次分明,一览无余。使用者再也没有必要到处寻找复杂的菜单在各种抽取算法或者波形算法中设置相应算法。

 

2 硬件

好的软件界面需要靠好的硬件支撑,比如上面同时显示一个通道的三种采样模式外加三种波形算法的示例,如果没有强大的算法硬件加速能力,而是交给CPU软件计算实现的话,处理速度非常慢,基本是无法实现的。

 

当然,硬件的强大更多体现在一些指标性的东西上,比如噪声幅度等。然而,就像笔者前面说的,本文的主旨是从易用性角度分析这台示波器,所以与易用性无关的硬件改良我就先不涉及了。

2.1 全带宽下输入灵敏度仍然可以达到1 mV/div

有人可能会觉得,一上来就提了个似乎和易用性关系不大的硬件参数。然而,正是这个指标的提升,使得很多小信号的测量变得十分简单。

 

以前,将示波器调整到较高的灵敏度时,往往会暴露几个通病:有的是纯数字放大,不提升信噪比;有的会自动限制带宽,高频信号一下子就消失了;有的则显现出了糟糕的基线漂移。

 

输入灵敏度能提高,就需要有高增益的模拟信号放大器,而放大器增益变高,其带宽就很容易受限制;除此之外小信号测量时的噪声水平也是个关键。这些限制正是产生上面这些通病的原因。而罗德施瓦茨的这台RTO则真正把这些限制都突破了,实现了全带宽下1 mV/div的输入灵敏度。所以现在,测量小信号时,几乎不需要考虑任何的优化,直接将输入灵敏度调到最高即可。笔者认为这正是对易用性的极大提升。

 

2.2 基于数字下变频的快速傅立叶变换

各位可能有过这样的经历:打开示波器的频谱分析功能,为了提高频谱的分辨率(Resolution Bandwidth, RBW)而在不减小采样率的情况下尽可能延长采样时间,直至内存占满,然后开始漫长的等待,过了十几秒钟终于看到频谱刷新了一帧。频谱分析处理速度之慢,不能实现快速测试分析。

 

通过基于硬件加速的数字下变频功能,RTO将内部频谱分析采用DDC和overlap FFT先进技术,快速准确分析信号细节。数字下变频的加入以及相应的性能提升确实让该示波器的频谱分析功能变得十分实用。更值得一提的是,由于这一切都是基于实时的信号采集,信号的瞬态时域信息都被采集下来了,所以这并非一台示波器和一台频谱仪的简单结合,而是一台能够在时域和频域进行协同混合分析的设备,与泰克的混合信号示波器侧重点不同,但却有着异曲同工之妙。

 

下图是一张频谱分析功能的演示,采样率是10 GSa/s,对应的Nyquist频率范围就是DC - 5 GHz (不过,当前这台示波器的标称带宽是2 GHz,RTO系列最大能到4 GHz),设定的RBW最小可以达到300 KHz(这个数值是很多真正的频谱仪的默认值,在当前这个频率范围下已经相当实用)。上述这些设置,在传统的示波器上,,刷新速率是相当慢。但是在RTO上,却能够做到准实时刷新,配合小信号模式下较低的Noise Floor (RBW = 300 KHz时,Noise Floor在-95 dBm左右),甚至可以在一定程度上代替实时频谱仪。

2.3 10 GSa/s的单核ADC带来的纯净频谱

大家都知道,高速ADC的一种常见结构是将多个模拟带宽较高,但是采样率较低的 Time interleaved ADC 连接在一起,彼此错开一点时间进行采样,实现较高的采样率(比如250 MSa/s的ADC,320个放在一起,每个错开12.5 ps采集,就实现了一个80 GSa/s的采样头)。这种做法有一个很明显的缺点:由于这些ADC本身的不一致性,采样结果本身在交界处容易出现偏差,而这一偏差会以 250 MHz × N 为周期重复,在频谱上就表现为,从直流开始,每隔250 MHz,就会有一个谐波出现,直到40 GHz的Nyquist频率。于是在小信号测量时,频谱变得就像是梳状谱,信号很容易被同频的干扰掩盖。事实上,这给调试工作带来了极**烦,很多时候为了区分一个频率点是来源于干扰还是示波器本身,就比较难以分辨。

 

为了避免这一问题,罗德施瓦茨使用了单个采样率达到10 GSa/s的单核ADC来采集信号。底噪做的更低,杂散波分量较小。

 

如下图为测试单音10M的信号,示波器开在1 mV/div档上,频谱分析功能的参数和上面一样

除此之外,还有其他的一些硬件功能上的改良,比如百万波形捕获率的实现,或者是数字触发系统的引入,触发抖动最小可以到50ps。这些功能有的并非独有,有的官方已经重点宣传,在这里就不予展开了。

3 结语

本文分别从软件和硬件方面分别作了分析,介绍RTO示波器在使用操作上的便捷性。总体来说,罗德施瓦茨的RTO系列示波器延续了德国人一贯的扎实作风,并从软件和硬件两方面显著提升了示波器作为调试设备时的易用性,不失为让人激动的佳作。

 

对于该款示波器与竞品的分析,以及如何降低示波器的购买预算,笔者近期即将发表另一篇相关文章,敬请关注。

博主
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