利用示波器统计工具分析有噪声信号之测量统计和余晖图

2019-09-24

数字示波提供了多种基于统计的工具，除了前文提到的平均和直方图之外，测量参数统计和余晖图，也是非常有用的工具，协助快速获取有用信息。对于示波器测量参数，也可以使用统计功能，统计功能可应用于示波器中可用的任何测量参数，图4是时钟信号的时间间隔误差(TIE)测量的示例。

图4. 333MHz时钟的TIE测量，测量统计信息包括平均值、最小值、最大值，标准偏差(SDEV)以及测量次数图4中上部波形是333 MHz时钟信号，下部波形是时钟信号的水平放大，TIE是实际边沿与其理想位置之间时间差的度量，将其视为信号的瞬时相位，示波器对采集波形的每个边沿执行TIE测量，即所谓的“全实例”测量。放大测量读数部分，使其更易于阅读，测量读数Value显示最后的TIE测量值，在这个例子中为8.2ps，它还显示统计中包含的平均值，最小值，最大值，标准偏差和测量次数。在此示例中，统计数据包括超过一百万个，平均值是所有这些测量值的平均值，在此示例中为零，因为TIE的值不为零，这表明TIE测量值既有正值也有负值，平均值为零。最小值是确定的最小TIE值，最大值是测到的最大TIE值，最大值和最小值的差值是统计的TIE测量值范围，在该示例中，最小值为-34.3 ps，最大值为40.7 ps，这再次确认了TIE既有正值，也有负值。标准偏差(通常称为sigma)是样本值相对均值分布的度量，由于均值为零，因此标准偏差等于TIE的均方根(rms)值，所有测量样本值的68％位于高斯分布的平均值的±1标准偏差内。在数值测量读数下方，是一个直方图图标，称为“histicon”，显示测量值的分布，直方图绘制了小范围内测量值与出现次数的关系，“histicon”的钟形分布是高斯分布或正态分布的特征。测量统计提供了百万次测量的简明描述，让我们知道平均值、最大和最小值，以及直方图分布的形状，它看起来是高斯分布。我们可以更详细地轻松查看TIE测量的直方图，点击“histicon”将打开包含直方图的函数曲线，以便进行更详细的分析，如图5所示。

图5 . 展开“ histicon”可研究TIE测量的直方图，直方图参数读取平均值，标准偏差和范围曲线F1显示TIE测量值的直方图，直方图也可以是测量对象，并且已启用三个直方图参数以显示直方图的平均值、标准偏差和范围，参数标记以图形方式显示直方图参数的基本原理，并非所有示波器都提供直方图，在大多数情况下，它是一项可选功能。TIE是定时不确定性或抖动的一种表示形式，直方图测量参数量化抖动，标准偏差表示均方根抖动，范围参数表示峰峰值抖动，这些值测量直方图所包含样本的实际抖动，可以将该信息外推至1012或更多样本的抖动，这适用于许多高速串行数据标准所需的抖动测试，大多数高端示波器都提供此类串行数据分析软件。

统计工具协助可视化波形可以使用统计工具协助以多种方式显示噪声信号，在示波器的存储器中叠加多次采集会产生余晖图，它用于生成持久性显示，显示多次采集的历史记录。它还可以用于通过基于通过每个采样点的垂直切片的统计分析来提取信号的平均值，标准偏差或范围来分析波形。这些余晖图功能的水平分辨率为10ps或等效采样率为100GSample / s，如图6所示的例子。

图6.采集的噪声波形以及余晖图平均值、余晖图sigma和余晖图范围显示了如何使用统计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声，采用余晖图均值或PMean数学函数将波形中的每个样本替换为存储在持久性存储器中的许多波形上的该点的平均值。PMean(从上向下第二个波形)显示出嘈杂波形中的隐藏细节，可以使用任何其他测量参数或函数进一步分析此曲线。从顶部开始的第三个波形是余晖图sigma或PSigma，它显示了与噪声标准偏差相对应的噪声包络或与零均值噪声rms变化相对应的噪声包络。它是信号值变化的极限，在平均水平的正负一个标准差内，可以使用此类型的波形来创建Pass/Fail测试的模板。最下方的波形是余晖图范围或PRange，此函数绘制信号的包络或范围噪声，显示噪声的最坏情况垂直偏移，同样，它也可以用于生成通过/失败测试模板。

更多计算直方图的方法直方图表示测量参数或数据波形的分布，一些示波器可以基于余晖图创建直方图。这类直方图的优点是它可以查看波形中的特定点，如图7所示，上面的曲线显示了基于通过噪声方波高电平垂直切片的余晖直方图，切片的水平位置和宽度由用户控制。得到的直方图表示垂直噪声。下面的曲线是相同的波形，其余晖直方图基于其中点的水平切片，得到的直方图显示边沿时间的变化，与垂直切片的情况一样，水平切片的垂直位置和宽度可以由用户设置。

图7.余晖直方图显示了基于用户可控切片的分布，可以使用标准直方图参数来测量生成的直方图水平和垂直余晖直方图都可以使用标准直方图测量参数来测量，如图7中的测量参数P1-P6所示。示波器提供了大量基于统计的工具，可帮助分析采集的波形。几乎每个示波器都提供平均和测量参数统计。直方图、余晖图和余晖直方图通常是可选功能，本文使用的示波器是力科WaveMaster 8Zi-B，提供所有的分析工具，从噪声中快速提取有用信息。

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