示波器，作為全球使用最廣的通用儀器，伴隨電子設計工程師走過了60年的歷程。第一代的模擬實時示波器（ART）和第二代的數字存儲示波器（DSO），都有其明顯的缺點。基于DPX數字熒光技術的第三代數字熒光示波器（DPO），結合了前兩代示波器的優點，同時消除了兩者的缺點。全新一代的數字熒光技術進一步提升了數字熒光示波器的實時性，使DPO在性能和適用性方面已經遠遠超過了同等帶寬的ART和DSO，成為當前業界性能最優、效率最高、分析能力最強的選擇。為什么DPO具有這樣的能力呢？本文接下來的部分，將結合DPX技術的核心，為讀者完整介紹三代示波器在調試和驗證工作中的優劣勢，同時解答一些已談論過多年的疑問。

第一章 示波器技術的發展和演變

泰克的511模擬實時示波器，標志著商用示波器時代的到來。511之前也有一些“示波器”產品，但是由于其沒有觸發系統和校準的時基、垂直刻度，不能提供穩定的顯示波形，也不能進行定量測試，所以只是一種定性觀測的工具。511首次在“示波器”這種測試設備中加入了邊沿觸發以顯示穩定波形、使用校準的時基和垂直放大器以提供定量測試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。

模擬實時示波器發展到現在，基本結構并沒有多大變化，下圖是一個基本的結構框圖：

圖1: 模擬示波器結構簡圖

模擬實時示波器機構簡單，沒有信號的數字化、處理等過程。ART的所有信號調理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號進入放大器（或探頭）到最后在CRT上顯示，幾乎是實時（延遲時間幾乎可以忽略）的。

但是，模擬示波器也有死區時間，在死區時間內出現的信號是不能顯示在屏幕上的。這個死區時間來自于觸發系統的“觸發抑止（hold off）”和等待觸發的時間。所以，模擬示波器也不是能100％地捕獲信號。不同型號的模擬實時示波器，最大波形捕獲概率大約從30％～70％不等，掃描速度最快可達50萬次/秒。這是一個非常好的指標。

再來看模擬示波器顯示的方式——CRT陰極射線管。電子束經過偏轉板的偏轉，再轟擊顯示屏上的熒光物質發光形成波形軌跡。當電子束停止轟擊后，亮點不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。在余輝效應的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數（頻度）成正比關系。因此，模擬實時示波器顯示的波形，不僅有時間和幅度的信息，還能以亮度等級表示信號出現概率的信息，非常有利于觀測。

但是在另一方面，熒光物質發光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數過少的軌跡的亮度會很低，甚至根本無法觀測到。所以模擬示波器比較適合于重復信號（如連續正弦波）或者有重復特性的信號（如模擬視頻信號）。而對單次信號（如單個脈沖或偶發故障）的觀測能力非常有限。

總結起來，模擬實時示波器有以下幾點主要優點：實時性強、波形捕獲概率高、直觀的三維（時間、幅度和信號出現概率）顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數據、分析能力有限、對低概率事件捕獲能力不足、觸發簡單、預觸發延時不足和帶寬提升困難（從前端放大器到CRT必須同時提升）等。隨著數字化運動的興起和越來越多的單次信號測量需求，模擬示波器這些缺點使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉向數字示波器的研發和生產。

第一代數字示波器現在被稱為數字存儲示波器（DSO），使用串行的工作結構。原理框圖如下：

圖2: 數字存儲示波器結構簡圖

數字存儲示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測的模擬波形最終可以以數據的格式存儲。當然，數字化的數據還可以方便地進行自動測量、頻譜分析、數學計算或者其它高級分析。所以數字示波器特別適于單次信號的采集和分析，這是一個很大的突破。

另外一方面，數字存儲示波器在ADC以后就是全數字化處理，所以帶寬的提升僅受限于可變增益的前置放大器帶寬和ADC的速率。隨著技術的進步，現在，泰克TDS6154C是業界真實模擬代寬最高的數字存儲示波器，達到12.5GHz(3dB)。 由于超高高帶寬示波器系統設計中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設計都采用每一個通道獨立的硬件放大器設計方法，這樣保證每一個通道的性能沒有限制。當每一個通道放大器的設計帶寬不足時，有些示波器通過DBI技術利用示波器每一個通道6GHZ的低帶寬放大器在不同的頻段“拼接”在一起，在某一個通道上達到超過6GHZ的帶寬，例如3個通道的6GHZ頻段“拼接”后達到18GHZ帶寬。從DBI技術實現的方法可以明顯看出它的優點和相應的缺陷，最明顯的優勢是利用多通道的低帶寬合并為單通道超過10GHZ的高帶寬，在示波器設計中成本最高的放大器和ADC均采用低速設計，非常有利于控制成本。 由于DBI技術本質上首先經過將信號頻率分配到不同的通道，通過相對低速的ADC進行采樣，最后通過DSP技術將這些包含不同分量的頻率數字“拼接”，它會導致以下幾個限制。

1. 通道數限制：當使用不同通道時帶寬不同，3通道或4通道使用時僅僅提供6GHZ帶寬，ADC采樣率也有限制。

2. 頻譜“拼接”錯誤：從幅頻特性圖可以看出，每一個頻率“拼接”點都有明顯的非線性，當被測信號的頻譜分量在該區域時，示波器時域顯示的波形會出現波形失真。

3. 波形捕獲率低： 由于DBI技術需要軟件處理和“拼接”數字頻域的波形，數據量比較大時波形處理和顯示速度非常低。

4. 功能限制： 當DBI打開時，雖然單通道帶寬和ADC提升，但是觸發系統的帶寬無法通過DBI技術提升，最大僅為800MHZ，另外示波器的外參考輸入，垂直靈敏度的精細調整等功能都會由于DBI打開而受限。

數字存儲示波器在觸發系統上也有很大的進步。從結構框圖上可以看到，數字示波器的觸發系統是完全獨立的一個以模擬電路為主的電路。高性能的觸發系統好比是照相機的快門，可以幫助測試人員準確定位信號行為。針對各種特殊信號的特點，數字存儲示波器可配備毛刺觸發、欠幅脈沖觸發、過渡時間、通訊觸發、串行觸發、窗口觸發、狀態觸發、碼型出發和總線觸發等多種高級觸發模式。泰克的Pinpoint?觸發系統是當前全業界最先進的觸發系統，在邊沿觸發和高級觸發中使用完全的SiGe技術，所以觸發靈敏度都可到達到很高的水平，例如TDS6124C這款儀器，邊沿觸發和高級觸發的靈敏度都可以同時達到3div@9GHz。這個雙觸發系統輔以觸發延遲設置和觸發重置，幾乎可以不受限制地設置觸發模式。

數字存儲示波器有了這些特性，在帶寬性能可以遠高于較模擬實時示波器；在觸發和采樣的配合下，數字存儲示波器對單次信號（低重復概率信號）的捕獲能力有巨大提升；對于信號的測試和分析能力也今非昔比……但是，在增強了對單次信號的捕獲、分析能力以后，也引入了難以避免的弱點，這主要體現在波形捕獲率和單調的顯示能力上。以下我們來說明一下這些弱點：

數字存儲示波器的結構上已經決定，它必然工作在一種串行模式下——信號經過調理，進入ADC采樣；ADC的采樣數據在觸發系統的控制下送入采集內存；采集內存存滿以后，波形數據被送到計算機系統；微處理器根據用戶需求，對這些數據進行處理、計算、分析；最后波形和分析結果被顯示在顯示器上（滾動模式下工作流程略有不同，這里不做詳細描述）。在這個過程中：從信號調理、觸發監控到ADC采樣，幾乎是實時的，不會影響工作效率；而數據從采集內存傳到計算機系統、微處理器的處理、計算過程、最終的顯示，都會因為示波器的構架不同而影響其實時性。其中最關鍵的部分是微處理器的處理過程。我們都知道，流行的示波器采樣率都會在每秒數十吉（GS/s），沒有任何一個通用的微處理器可以實時處理這樣的數據流，所以示波器微處理器的處理方式只能是“抓取一段、慢慢處理、控制顯示”，然后重復。這樣，在其“慢慢處理”的時間中，示波器將不能監視波形，這也就是我們所說的“死區時間”，在死區時間內發生的事件，是不會顯示在屏幕上的。為了衡量數字存儲示波器的死區時間占到總觀測工作時間的比例，我們引入“波形捕獲率”的概念，也就是示波器可以連續提供的每秒種內捕獲并顯示的波形個數。此處的“波形”指一次觸發采集的全部信息。試驗證明，業界波形捕獲率最高的高性能（帶寬1GHz以上）數字存儲示波器，大概波形捕獲率在8000次左右，其捕獲波形的總體時間大約占到總觀測時間的1～2％，也就是說：全部信號的98％以上的細節，因示波器的死區時間而漏失掉了。

每個工程師都相信儀器提供了正確的信息，但很少有工程師會考慮到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形細節——舉個例子，如果您觀測的信號里存在一種平均1秒發生一次的故障，那么數字存儲示波器1秒內發現這個故障的概率只有不到2％，15秒內發現的概率也只有大約26％。而事實上，由于開發時間緊迫，一般工程師觀測一個信號的時間都不會超過10秒——結果，您只有不到1/4的幾率能夠捕獲這個故障并進行有效調試。

幾乎所有的示波器廠商都意識到數字存儲示波器波形捕獲率低這種缺陷，并且開發出了很多提高示波器速度的方法。但是，無論在數據從采集內存傳到微處理器時使用兩對1.25Gbps的千兆以太網鏈路的構架，還是在顯示上采用顯示局部和抽點顯示的加速技術，都未能從最根本的問題上解決吞吐率的問題——串行的構架中，微處理器是速度的瓶頸，只有完全改變串行結構、解放微處理器，才是解決問題的關鍵。

在這個方面，泰克公司走在了行業的最前面，從一開始就著手于串行構架的改造。從上世紀90年代中期的InstaVu?到2006年初的實時DPO，基于并行構架的第三代示波器：數字熒光示波器，從出現逐漸走向成熟。下圖是DPO數字熒光示波器的結構圖：

圖3:數字熒光示波器結構圖

從結構可以看出，DPO數字熒光示波器的并行處理核心是DPX并行成像處理芯片。DPX完成了采集數據的存儲、光柵化和統計處理以生成三維數據庫。并且能把光柵化的波形圖像信息直接導入顯存。在這種構架中，微處理器僅僅做顯示控制等工作，不再在數據處理過程中充當瓶頸。

DPO數字熒光示波器的并行結構從根本上解決了DSO數字存儲示波器波形捕獲率低、波形漏失嚴重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列實時數字熒光示波器的波形捕獲率可以達到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能數字熒光示波器更可超過300000wfm/s，捕獲波形占總體信號的比例也最高可達60％（連續提供）；而且新一代的DPX采集也沒有了上一代“準實時熒光示波器” 的最高1.25G實時采樣率的限制，而是可以工作在任何采樣率下，對信號的捕獲能力進一步增強，是現在業界發現問題的最佳工具。下圖是三家不同廠商的同等級示波器同時觀測一個帶有偶發故障（約一秒鐘發生一次）的時鐘，15秒以后的情況。可以看到，在前面兩種示波器幾乎沒有發現任何問題的時候，泰克的數字熒光示波器（右圖）卻捕獲到了此間發生的多次故障，差別一目了然。

圖4: 對同一個信號觀察相同時間，DPO發現更多波形行為

DPX生成三位數據庫在顯示上也有巨大優勢。這種由硬件緩沖器記錄的數據庫可以保存波形的幅度、時間和隨時間變化的幅度（即各點信號出現的頻度）信息，無論在累計速度還是緩沖器深度（每點26bit）上都遠遠超過其它廠商的軟件生成的數據庫。由此三位數據庫生成的顯示波形，可以以色溫、光譜、亮度等級等方式，同時告知用戶幅度、時間和信號出現的概率信息，效果非常類似模擬示波器。

數字熒光示波器，擁有和模擬示波器相當的波形捕獲率和顯示方式，對重復信號和有重復特性的信號（如數字信號、串行通信信號）的捕獲和觀測能力大大超越傳統數字存儲示波器，能顯著提高調試和驗證的效率。同時，數字熒光示波器也具有數字存儲示波器對于單次捕獲信號的全部分析能力。而且，由于其構架的優勢，數字熒光示波器在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面領先于數字存儲示波器。

如何使用數字熒光示波器進行高效的電路調試和驗證，我們將在下兩章著重介紹。

第二章 使用實時數字熒光示波器進行調試——發現問題、定位問題、分析問題

調試（Debug）的任務，是要檢查設計中存在的問題：改正電路中的錯誤，消除設計里的缺陷，使設計達到預期的功能，并優化電路。

調試的一般過程，我們可以把它歸納為：發現問題——定位問題——分析問題——解決問題。萬用表、示波器、邏輯分析儀等儀表都是重要的調試觀察工具。

使用示波器進行調試，準確、快捷、使用方便是每個使用者的要求。選用合適的工具來工作，可以起到事半功倍的效果。

隱藏在正常信號里的異常（偶發性故障），是調試電路錯誤的一種關鍵對象。發現偶發性故障對于調試工具提出了很高的要求——調試工具的波形捕獲概率要足夠高，漏失率要足夠低，才能快速可靠地發現這些偶發的異常，為我們下一步定位問題提供足夠的信息。正像圖四中看到的例子，一秒發生一次的故障，可能來自于時鐘電路的周期性失效，也可能源于其它電路的干擾。由于這種失效或者干擾的出現概率可能只有幾百萬分之一甚至更低，所以對于傳統數字存儲示波器不到2％的捕獲概率來講，要以比較高的置信度來發現這些問題，需要花費很長的時間。這時，數字熒光示波器的優勢就顯現出來了，它高達數十萬次的波形捕獲率和最高可超過60％的捕獲概率，可以幫助調試人員迅速“看到”問題，減少在眾多正常信號里面搜尋故障的時間——結果，您可能只需要幾秒鐘，而不是數分鐘、數小時甚至幾天的時間，就能發現令人頭痛的偶發性錯誤。

事實上，偶發性故障對于調試人員來說本來是未知的——在有限的觀測時間內，發現問題的概率越高，則調試的效率越高。這時數字熒光示波器的價值更加明顯——DPO觀測一段時間所獲得的信息量，用數字存儲示波器可能需要數十倍甚至數百倍的時間才能完成。所以，DPO是現今數字示波器領域，能最快發現問題的調試工具。還是圖四的例子，使用DPO觀測10秒鐘，發現一秒一次的故障的概率大約是99.99%。而使用數字存儲示波器，達到同樣的捕獲概率需要約450秒，也就是七分半鐘，差別一目了然。從這種意義上來講，DPO提供的不僅僅是遠遠領先的效率，更加為調試人員增添了無以倫比的信心。

發現問題，完成了調試中關鍵的一步。下一步就是定位問題。

在定位問題上，業界有兩種方法：一種是使用長內存，抓取很長的數據量，然后通過肉眼觀測或者搜索插件來找到關心的問題點；另一種是使用觸發，直接定位需要的的波形細節。這兩種方法，實際上是有其技術背景的：第一種方法是除了泰克公司以外的其它示波器生產商支持的——在沒有DPX并行處理技術，波形捕獲率低的情況下，“放大網，抓小魚”成了唯一的解決方案；加之這些廠商產品的高級觸發模式的觸發帶寬一般在800MHz以下，“抓取——篩選”也是這些示波器最容易實現的對高速信號“定位問題”的方法。數字熒光示波器更傾向于后一種方法：在DPX波形捕獲技術發現問題以后，使用得到的波形異常信息設置Pinpoint觸發系統的高級觸發條件，直接定位問題。

調試時使用長內存加查找來定位問題，好比是用攝像機攝錄下一段時間的風景，然后再返回去查看所有記錄來搜索我們想看的景色；硬件觸發定位，類似高性能照相機加準確的快門設置，直接拍下我們關心的景色。兩種方法在效率上的優劣一看自明。

另一方面，使用長內存來直接“定位問題”，并沒有從根本上改善數字存儲示波器高漏失率的問題。在圖四的例子里面，如果使用目前業界高速內存最長的數字存儲示波器，其可以提供最高20G的采樣率和100M存儲深度。您可以發現，即時使用全部100M存儲空間，在20G采樣率下只能無漏失地捕獲5ms長度的波形；而處理這100M的數據，這種示波器通常需要幾秒到幾分鐘的時間，漏失概率高達99.5%以上。所以在不知道偶發故障主要參數的前提下使用長內存加搜索，其調試過程好比高射炮打蚊子，命中率極低。

DPO的高波形捕獲率，能在很短時間內發現信號的異常，如毛刺、欠幅脈沖、建立/保持時間違規、邊沿速率或者單調性問題等等，并能以色溫等方式告知其發生頻度。用戶使用基于DPX捕獲技術的快采（FastAcq）方式捕獲了這些問題以后，就可以使用簡單的如光標測量等方式確定其主要參數，并將這些參數作為觸發條件，就可以直接定位故障了。

用來定位故障的觸發系統，各公司使用的技術也是不一樣的。雖然各個廠商均宣稱在觸發系統上使用了SiGe的高速半導體技術，但是真實效果卻有待研判。泰克公司在中高端數示波器中使用的Pinpoint雙觸發系統，使用了完全的SiGe 技術，這種高帶寬、低功耗、低噪聲的半導體技術造就了Pinpoint觸發系統的強大性能：擁有業界最多的觸發模式——除了邊沿觸發外，還提供毛刺、欠幅脈沖、寬度、轉化時間、超時、碼型、狀態、建立/保持時間、窗口、通信相關觸發和串行碼型和解碼觸發等多種高級觸發模式；業界最高的觸發帶寬——前十大類觸發模式的觸發帶寬都可高達9GHz，串行碼型觸發可支持高達3.125Gbps的碼流；業界最強大的組合觸發模式——通過時間延時或事件延時，以及時間/狀態/轉換復位控制，Pinpoint觸發系統可提供超過1400種組合觸發模式。所以該觸發系統可以幾乎不受限制地設置各種觸發條件。相比起來，其它廠商的示波器觸發系統，一般僅僅能在邊沿觸發這種繼承于模擬示波器的觸發模式上有可與示波器匹配的觸發帶寬。而在高級（智能、違規）觸發模式下，這些示波器一般僅能夠提供不高于800MHz的觸發能力。這對于當前的高性能、超高性能示波器來說幾乎沒有任何意義。

有些調試人員可能會有這樣的疑問：用DPX快采看到的故障，如果是不可重復的，那觸發系統再強大也捕獲不了啊？不錯，如果故障是單次的、不可重復的，那示波器是不能重新捕獲的。但是，您完全沒有必要擔心，事實上，純粹的不可重復故障并不是調試工作的任務，我們在調試時也不必關心這種問題。它可能源自一些非本電路的原因，如電力系統偶然失效、突發外部EMI干擾等——既然不會重復，我們為什么要擔心呢？

當然，如果調試人員已經習慣使用長內存的方式定位故障，DPO也能勝任。實時數字熒光示波器是現在業界內存最長、處理速度最快的產品。它能在每通道上提供100M存儲深度，單通道下最高可達400M。400M是一個非常優秀的指標，在20G采樣率下，400M存儲深度可以捕獲從工頻50Hz直到示波器滿帶寬的頻譜成份，這在高性能示波器里面還是首屈一指的。

下面就是分析問題。示波器能提供的分析方法一般有：自動測量、數學運算、頻譜分析、濾波和其它分析。現代示波器一般都使用開放式的Windows操作系統，較為容易實現分析功能的擴展。

DPO提供的標準配置分析功能很多。在自動測量方面，有關于幅度、時間、組合、直方圖和眼圖的53種測試項；在數學運算方面，有數十種運算符號可供調試人員自由編輯；頻譜分析方面，除了一般示波器可以提供的基本FFT頻譜分析儀外，DPO還提供高級的FFT分析，您可以設置中心頻率、頻譜跨度、分辨率帶寬和選擇合適的窗口函數（總共8種）；DPO也提供用戶自定義的FIR濾波器功能，用戶可以使用低通、高通、帶通、帶阻、平滑等濾波器。此外，泰克還提供幾十個免費小插件，使用這些小插件，可以輕松實現諸如“觸發－存盤”、“測量－歸檔”這樣的自動操作。另外，通過選件支持，用戶還可以進行抖動分析、功率測量等高級測量。

有幾個分析工具是值得注意的：第一個是快幀（Fastframe），它能將內存分段，連續觸發，用戶可設置觸發捕獲次數。當示波器捕獲用戶要求的次數后，每次捕獲的信息都存入內存。用戶可以觀察每次捕獲的波形（觀察單個或者疊放），并且可以了解每次觸發的時間（精確到皮秒）。這個功能對測量故障或者低占空比脈沖信號的頻率和重復性有很大的幫助。和業界其它類似功能相比，DPO的快幀功能擁有最快的連續觸發速率和最準確的定時精度；

第二個是DPX快采數據的自動測量功能。之前有人認為DPX快采的數據不能進行測試。事實上，DPX采集生成的波形數據庫不僅可以測量，而且由于其本來就有統計效果，所以該三維數據庫的信息用作重復信號或者有重復特性的信號的測量時，標準偏差（std. deviation）還較其它采集模式下小很多，亦即測試結果更準確。

在調試中，工作效率除了體現在快速發現問題、準確定位問題和精確測量外，儀器的易用性也十分重要。現代示波器的功能越來越豐富，性能也日益強大，其操作也變得越來越復雜。為了讓調試人員專注于設計本身而不是測試儀器，DPO專門設計了用戶自定義操作界面的MyScope（我的示波器）和Windows風格的鼠標右鍵彈出菜單功能。MyScope使示波器操作人員可以根據自己的使用風格和操作習慣，自由地將操作按鈕組合成自己需要的操作界面。這樣，MyScope操作面板可只包含用戶需要的按鈕，而其它不用的功能可以被完全忽略掉——于是用戶將不再在眾多復雜的菜單列表里尋找自己需要的功能——只要簡單地打開“我的示波器”操作界面即可。更加簡便的是，MyScope的自定義過程是完全的圖形界面操作，您無須編寫script，使用鼠標拖拽即可。

鼠標右鍵的彈出菜單，是用戶操作時，可以在顯示界面的特定位置（如測量結果、采集狀態、通道標號、觸發方式等等）上點擊鼠標右鍵，即有與該位置所指示的參數相關的設置菜單彈出。熟悉Windows風格的用戶可以使用這一功能，幾乎只用一只鼠標就可以完成所有的示波器操作，效率倍增。

從以上幾點我們可以看到：采用DPX技術的DPO平臺示波器和傳統示波器相比，快速采集能夠最快最可靠地發現問題；Pinpoint硬件實時觸發系統能夠更精確地定位問題；Fastframe快采、自動測量、數學運算、FIR濾波器等功能可以從各種角度分析問題；同時，MyScope、鼠標右鍵彈出菜單等可以提高操作效率，降低工作復雜程度。這些都讓DPO數字熒光示波器成為當今業界功能最強大、效率最高、分析能力最強的調試工具。

下一章中，我們將介紹使用DPO數字熒光示波器進行信號的驗證。

第三章 使用實時數字熒光示波器進行驗證——捕獲和分析

驗證（Verification），就是測試設計是否和它對應的各種標準（行業標準或者自定義標準）相符，以及有多少冗余量。驗證和調試，是示波器的主要用途。

在使用示波器進行調試時，我們關心的主要指標是：

波形捕獲率——決定儀器能夠多快發現故障

觸發系統——決定儀器能夠多精確地定位故障

分析能力——決定儀器能夠從波形里提取出多少有用信息。

而在使用示波器進行驗證時，我們更關心的指標是：信號保真度——決定采集的樣點是否能夠真實反映信號特性；采樣率和內存深度——決定單次捕獲可以以多快的速度以及抓取多少樣點供驗證測試；分析工具——決定深入分析的程度和準確性。

信號保真度是一個比較復雜的問題，涵蓋了示波器的帶寬、采樣率、內插、抖動噪底、本底噪聲、時間測量精度、探頭系統等多個方面。業界對此的討論很多，也有很多相關文章，所以本文不再做詳細分析，只強調示波器的頻率響應對驗證的影響。

頻率響應，在示波器指標上反映為帶寬和上升時間。帶寬表征的是示波器的穩態響應能力，而上升時間是瞬態相應。經驗上，帶寬和上升時間（10～90％）的乘積是一個常數，這個常數和示波器的放大器模型有關。如高斯響應的放大器模型，這個常數是0.35；而高性能的示波器放大器模型比較復雜，該常數一會在0.4~0.55之間。當然，從用戶的角度看，這個常數應該越小越好：常數越小，則表示相同的帶寬（穩態響應）下，該示波器的上升時間更快，也就是說瞬態響應更好；而上升時間一樣的情況下，乘積小的示波器需要的帶寬會相對低一些——而對示波器，帶寬和價格是正比的，也就是說乘積小的示波器性價比更高。

我們驗證測試對象一般都是脈沖（非正弦）信號，如通信信號、串行總線信號、高速脈沖信號、調制信號等等，所以示波器的瞬態響應相比起來更加重要。泰克DPO示波器在相同帶寬下，能提供最快的上升時間，對于瞬態信號的測試非常有幫助。

另外一方面，高帶寬示波器的不同設計結構，也會影響到驗證測試的正確性、精度和速度：

近幾年示波器帶寬不斷高速提升，如何在提升帶寬的同時，保證帶內幅度響應的平坦和相位響應的線性，成了一個重要的問題。有經驗的工程師都知道，要完全從硬件入手，是不可能得到理想的平坦幅度響應和線性相位響應的。所以在高性能示波器的放大器技術中，各大示波器生產商都在使用軟件提升帶寬和優化響應的DSP技術。DSP技術的使用，確實能得到比較理想的幅度和相位響應，但是它并不是有利無害的。下圖是示波器對階躍信號的響應，藍色為完全的模擬響應，而紅色是DSP處理后的響應。

DSP提升、修正幅度和相位響應后，示波器可以更加精確地測量上升時間、眼圖冗余等指標，有利于對數字通信信號、計算機總線信號等的驗證測試。但是從紅色的波形可以看到：虛線框部分，我們叫做“預過沖”，是一種不存在于現實信號中“假波形”，是由DSP處理產生出來的失真——對于階躍信號來說，沒有理由當上升能量還沒有產生時，波形就開始振蕩。所以當使用示波器測量高速脈沖、激光脈沖或類似信號時，DSP的處理就不再是測試人員期望的了——失真的波形錯誤指示了各個時間點的物理行為。

當然，DSP還有其它一些問題，如過驅動的信號的錯誤顯示、較低的數據吞吐速度、DSP之前的原始數據無法導出等。所以當用戶需要觀測過驅動信號（如脈沖頂端的過沖細節）、需要使用示波器采集的原始數據做自定義分析（如激光脈沖測量）或者需要較高的處理速度時，都要求示波器不使用DSP功能。

泰克在所有2.5GHz帶寬以上的DPO中都使用了DSP的頻響修正和通道匹配功能，DPO72004還有DSP的帶寬提升功能。但是泰克公司也深知DSP功能的利弊，所以在其它公司“悄悄”使用DSP功能時，泰克唯一讓用戶有了“知情權”和“控制權”，即用戶可以知道示波器是否正在使用DSP功能，同時還可以根據需要打開或者關閉DSP提升功能。這樣，如進行需要示波器原始采集數據的脈沖測試，用戶可以選擇關閉DSP功能；而進行串行信號一致性測試時，泰克建議可以打開DSP功能。

圖6: 幾種“帶寬”的定義圖示

除了應用上需要注意以上這些事項以外，DSP功能還有一些要求。從上圖我們可以看到，DSP要求必須滿足奈奎斯特采樣率實時采樣。有一些廠家的示波器當采樣率不滿足奈奎斯特帶寬時，會有難以預料的波形幅度失真，大多來自于這個原因。

同時，高性能示波器一般都是4通道。但是要在四個通道上同時實現標定帶寬，還需要采樣率的支持。業界一般公認2.5倍于帶寬的采樣率是保證帶寬的最低要求。這樣，如果使用8GHz以上的示波器做信號驗證（一般都是單次采集），泰克的DPO可以同時在4條通道同時提供全帶寬性能（每通道50G的采樣率可以有效保證最高20GHz的帶寬），而采用共享放大器和ADC結構的示波器最多只能在兩條通道上達到全帶寬指標，有的甚至僅僅能保證一條通道的性能。

存儲深度方面，很多驗證測試需要足夠的數據。如目前在高速串行信號的抖動和眼圖測試過程中都要求一次捕獲大量的數據，以進行精確的抖動測量和預估，同時保證低誤碼率。以避免捕獲少量數據進行分析的結果的偶然性和不確定性。類如HDMI測試規范（CTS1.2 a Page 15）要求捕獲1百萬個比特數據進行眼圖分析，則需要示波器兩通道在10Gs/S的采樣率下使用16M的存儲深度。FBD Sigtest（Release notes Page6）推薦捕獲1百萬個比特數據進行眼圖分析.PCIE 2.0的規范（Page239）規定強制要求捕獲1Mlillion數據進行眼圖抖動分析。則需要示波器單通道在40Gs/S的采樣率下使用8M的存儲深度。

另一個例子：為了減少EMI的串擾和輻射，在大多數高速串行信號中均使用了加入了擴頻時鐘（spread spectrum clock）,它可以使串行信號的速率在一個適當的范圍內進行漂移，從而使其頻譜在一個較寬的范圍內擴散，尖峰值顯著降低，可以有效減少EMI問題。例如FBD規范（Page15）明確規定需要支持頻率很低的30-33K的頻率的擴頻時鐘，其他如PCIE,SATAI,SATAII同樣要支持此功能。為了驗證Motherboard上的諸如此類的串行信號是否支持擴頻時鐘，而且確認其調制頻率是否在30-33K之間。就必須一次捕獲足夠長時間的信號進行頻率抖動分析。一次抓取的采樣點數可以用下面的公式計算：每個擴頻周期約位1/33k=30uS，由于是捕獲高速串行信號，采樣率至少為40Gs/S,即采樣間隔為25pS，則捕獲單個周期的總采樣點數為30uS/25ps=1.2M,為了實現準確的擴頻時鐘的測量，一般建議捕獲10個以上的擴頻時鐘周期,所以總的采樣點數為1.2M*10=12M.需要強調的是，此12M的存儲深度必須使用在40Gs/s或更高的采樣率下才有意義。

有些示波器設計時采用將高速采集前端（多達80顆ADC）和高速內存在物理上用一顆SOC芯片實現，由于有太多功能在一個芯片內部實現，導致片內高速內存容量的限制（在40GS/s下不大于2M），而且無法對內存擴展升級。為了彌補這種設計結構的缺陷，這類示波器會采用在芯片外部添加低速存儲器彌補片內高速內存的限制，但外部存儲器不能在高采樣率下工作，一般只能提供2GS/s，樣點間隔500ps，無法在信號邊沿采集足夠樣點，甚至出現會出現混疊，所以它無法提供高精度時間測試結果。泰克DPO可以提供每通道200M的存儲深度，且無任何使用限制，是業界最高的能力。這一能力讓使用DPO進行驗證測試的工程師在工作里游刃有余。

在分析工具方面，工程師一般會按優先順序考慮以下三個方面：第一是準，即分析工具能夠精確地得出結果；第二是全，即分析工具能夠盡可能多地完成要求的測試項；第三是快，即在保證“準”和“全”的基礎上，分析工具還能迅速、自動地工作，最好能夠生成標準的測試報告。

“準”是第一要求，工業的標準文檔一般會推薦一些解決方案，這些解決方案通常是標準工作組正在使用的方案，當然這類方案可以滿足“準”的要求。還有一些所謂的“執行標準”，就是在標準工作組推薦的多個方案中，主要廠商或者行業領導者選擇的方案。這類方案有最多的采用者，當然使用這類方案，可以得到業界最主要廠商的認同，所遇到的兼容性問題也最小。

建立在“準”基礎上的“全”也是一個重要條件。一種分析工具，如果能夠提供盡可能多的測試項，最好還能用戶自定義測試點，那么將會為工程師帶來很大的便利。行業規范以及業界認可的設備對驗證測試非常重要，不同廠家的設備雖然都對外宣稱可以支持某一項標準的一致性測試，但由于硬件平臺以及軟件實現方式的不同，使測試項目的完整性，覆蓋率以及測試結果存在很大差異。這種測試結果的差異會大大降低客戶對測試報告的認可程度，對于OEM/ODM廠商這一點尤其需要重視。

“快”的要求，必須要建立在“準”和“全”的基礎上——高效必須以質量為前提。

以高速計算機總線測試為例，下表列出泰克的解決放案，其中大部分方案都是標準規范所推薦的。值得注意的是，唯有泰克的DPO70000系列實時數字熒光示波器可以涵蓋所有的標準一致性測試要求的帶寬：

另外，在通信規范的驗證上，泰克的Pinpoint觸發系統提供通信相關觸發，它使用硬件時鐘恢復電路恢復高速串行數據的嵌入式時鐘，從而可以進行等效眼圖測試。泰克示波器也是業界唯一可以實現標準等效眼圖測試的實時示波器。

本文結論

本文回顧了示波器的發展歷程，通過對當前示波器硬件設計的結構探討了不同示波器在進行高速測試時的差異性，數字存儲示波器，數字熒光示波器，以及針對不同測試需求必須考慮的因素等等。詳細討論了示波器的兩大應用調試和驗證。