人們經(jīng)常說，電子工程師們總是幸運(yùn)的，能有一種觀看到內(nèi)部過程的工具，例如示波器可以看到電路和系統(tǒng)的內(nèi)部工作情況，其它行業(yè)沒有能展露這些東西的工具。盡管示波器已經(jīng)為用戶提供了如此豐富的內(nèi)容，制造商們?nèi)栽谂ふ沂箖x器更加超值的方法。毫無疑問，示波器設(shè)計(jì)師的原動(dòng)力仍然是老三樣，那就是：“更快”（指帶寬和采樣率）、“更深”（指采集存儲(chǔ)的深度），以及“更便宜”。但讓示波器更有用的方式還不止這些，而且發(fā)展速度也不亞于帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度。

過去幾年來，示波器分析與計(jì)算能力的提升沒有顯露出任何減緩跡象。但是，增加分析能力只是設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大計(jì)算能力示波器的挑戰(zhàn)之一。另一個(gè)重要方面是要保證最終用戶不會(huì)對(duì)新的先進(jìn)功能望而生畏。如果一個(gè)示波器的功能讓用戶使用起來非常困難，甚至寧肯放棄不用，那么這類功能還是不增加為好。示波器設(shè)計(jì)師經(jīng)常把自己的作品比作汽車，而把可用性問題表述為“如何‘驅(qū)動(dòng)’一臺(tái)儀器。”

雖然示波器在電子工程師工作中有重要的地位，但大多數(shù)工程師仍只是把這種儀器看成工具而已，它是完成任務(wù)的附屬品，而不是工作的目標(biāo)。更方便使用既是對(duì)這種態(tài)度的響應(yīng)，也是一種鼓勵(lì)；當(dāng)你無需考慮技術(shù)問題就能完成一次測量時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)過程是好的。此外，在這個(gè)有嚴(yán)格計(jì)劃和預(yù)算的領(lǐng)域里，可能很少有時(shí)間考慮那些對(duì)完成工作似乎不太重要的問題。小心！這種想法可能很危險(xiǎn)（見附文1“校準(zhǔn)示波器的高頻振幅精度：比你的想像更困難”）?，F(xiàn)代示波器似乎使困難的測量變得容易，但測量結(jié)果并不像它們表現(xiàn)得那么簡單。如果不清楚這個(gè)事實(shí)，不去了解儀器及測量技術(shù)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤或無意義的結(jié)果，這些缺乏效力的結(jié)果難以得到認(rèn)可，從而要付出高昂代價(jià)做糾正工作。

徒勞的使命

要成為一個(gè)示波器專家，為你的應(yīng)用選擇最好的設(shè)備，并盡可能發(fā)揮儀器的優(yōu)勢(shì)，付出努力是必不可少的。有些人甚至稱要找到最好的示波器或最有效的使用方法是徒勞的。首先，在選擇和使用示波器時(shí)，每個(gè)工程師都有自己對(duì)“最好”和“最先進(jìn)”的定義。其次，工程師用來選擇示波器的數(shù)據(jù)單和售前文檔都越來越多，有些會(huì)超過 30 頁，還帶有腳注和小字說明。第三，現(xiàn)在很多中檔示波器和幾乎所有高檔示波器都是 建立在PC 基礎(chǔ)上的，通常意味著要以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)版本為基礎(chǔ)。在這些儀器中，Windows 應(yīng)用軟件決定了你使用示波器眾多功能的方法。

示波器的應(yīng)用程序復(fù)雜性至少可與常見的辦公軟件應(yīng)用程序相提并論，如微軟的 Word 和 Excel(www.microsoft.com)。大多數(shù)辦公軟件用戶只用到軟件功能的一小部分。示波器用戶也是這樣。此外，很多示波器用戶有一個(gè)共同問題，即他們并不是每天都使用儀器。所以，當(dāng)他們準(zhǔn)備開始使用時(shí)，希望快速得到關(guān)于儀器或被測設(shè)備問題的答案。換句話說，示波器功能的使用方法應(yīng)是直觀的，盡量遵從用戶熟悉的習(xí)慣用法。

示波器制造商指出，在選擇和有效利用正確儀器方面，最有價(jià)值的助手是賣給你或正試圖賣給你示波器的現(xiàn)場工程師，至少對(duì)高檔儀器是這樣。他可以在你購買前，協(xié)助你一步步地與競爭設(shè)備作對(duì)比，提供建議和部件，幫助你有效地使用它。示波器分銷商的代理也可以提供類似的服務(wù)。另外，不要以為你從分銷商買了儀器就得不到廠家的支持。根據(jù)不同制造商和購買的示波器型號(hào)，廠商都可能會(huì)提供支持。記住，大多數(shù)示波器供應(yīng)商的網(wǎng)站都提供很多有價(jià)值的應(yīng)用說明，包含有效使用公司產(chǎn)品的信息。表 1和表 2 匯集了四家主要制造商實(shí)時(shí)采樣示波器的主要規(guī)格。

從探頭開始

討論現(xiàn)代示波器的一個(gè)合適起點(diǎn)是探頭。探頭是儀器與被測設(shè)備接觸的地方。過去，工程師們?cè)J(rèn)為數(shù)兆赫茲就算是高頻了。現(xiàn)在，探測千兆赫茲（GHz）的信號(hào)已經(jīng)是很普通的事，一些熟悉的串行總線用3Gbps以上的速率傳輸信號(hào)。示波器廠家建議你的示波器和探頭都應(yīng)該有至少1.8倍于位速率的 -3 dB 帶寬。所以，如果你要在一個(gè)原始位速率為 3.125 Gbps 的總線上工作，你的示波器和探頭應(yīng)至少具有 5.625 GHz 的組合帶寬。（一個(gè)原始位速率為 3.125 Gbps 的總線通常以 2.5 Gbps 承載信息；數(shù)據(jù)流中嵌入的 8 b/10 b時(shí)鐘將信息速率限制在原始位速率的 80%。）示波器制造商公布的最接近 5.625 GHz 的帶寬是6GHz。5.625GHz以上6.67% 的余量可以有助于對(duì)探頭的帶寬衰減做出補(bǔ)償。

以下幾點(diǎn)很重要。首先，探測這種高速串行總線要使用差分有源探頭。在這種速度下，幾乎所有總線都是差分的，信號(hào)擺幅很小，原因有幾點(diǎn)：與單端電路不同，差分接收器能夠抑制共模“噪聲”，因而可以使用較小的信號(hào)擺幅；差分電路的輻射噪聲亦較少，電源線路更不易受瞬態(tài)負(fù)載干擾。但較小的信號(hào)擺幅對(duì)無源探頭是不利的，它會(huì)減少容性負(fù)載，通常會(huì)造成輸入信號(hào)的衰減。其次，不可能用兩個(gè)示波器輸入端觀察一個(gè)差分信號(hào)。因?yàn)檫@種方法不僅會(huì)使示波器上的通道數(shù)減半，而且輸入端子也不足以與頻率很好地匹配，結(jié)果是屏幕上會(huì)顯示根本不存在的波形。

數(shù)千兆赫 帶寬的差分有源探頭都非常小巧，它們的復(fù)雜度在今后幾年還會(huì)上升。制造商并不認(rèn)為有最好的方法來設(shè)計(jì)和描述這些設(shè)備的特性，但所有制造商都同意一個(gè)事實(shí)：如果你要獲取數(shù)千兆赫的信號(hào)，將探頭連接到被測設(shè)備上一定會(huì)增加被測信號(hào)的負(fù)載。

制造商并不認(rèn)為這個(gè)負(fù)載一定會(huì)對(duì)你希望看到的波形造成大的影響。然而，除非探頭設(shè)計(jì)得非常仔細(xì)，否則負(fù)載效應(yīng)不僅會(huì)很明顯，而且會(huì)使糟糕的波形顯示得很完美，或正好相反。例如，探頭引入的誤差可以使一個(gè)好的波形表現(xiàn)為違反眼圖遮蔽，或者可以使一個(gè)原本違反遮蔽的波形看起來正常。

眾所周知，探頭會(huì)給被測設(shè)備增加容性負(fù)載。但是，探頭的串接電感對(duì)于數(shù)千兆赫的響應(yīng)有重要的影響。此外，探頭的并聯(lián)電容與串聯(lián)電感之間的共振也對(duì)被測設(shè)備負(fù)載和探頭頻率響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)有很大的影響。

探頭智能化

主要示波器制造商的現(xiàn)代探頭系統(tǒng)都有在示波器與探頭間雙向通信的功能?，F(xiàn)代有源探頭的功能不僅是將探頭針上的波形經(jīng)放大或緩沖后送給示波器，示波器也不僅完成向探頭提供電源的功能。例如，LeCroy 的最新型探頭（見圖1）可以存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)中不僅包括探頭的偏移電壓和直流增益，還有高頻增益和高頻相位（延遲）等特性數(shù)據(jù)。LeCroy的產(chǎn)品管理總監(jiān)Mike Lauterbach 博士認(rèn)為，所有制造商的超寬帶示波器都使用了DSP技術(shù)，以修正垂直放大器的高頻增益和高頻相位特性。這種修正改善了響應(yīng)，使之比未經(jīng)修正的放大器響應(yīng)更接近于需要的響應(yīng)（一般是一個(gè)四階Bessel低通濾波器）。

但就Lauterbach所知，只有LeCroy的Wavelink探頭系列現(xiàn)在具有算法修正的探頭響應(yīng)。當(dāng)你在幾秒內(nèi)將一支Wavelink探頭連接到一臺(tái)兼容的LeCroy示波器上時(shí)，修正功能會(huì)上載探頭的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為探頭的交流特性對(duì)示波器通道的垂直響應(yīng)（出廠時(shí)測定，或者用LeCroy提供的夾具對(duì)探頭作的最后一次特性描述）做出補(bǔ)償。LeCroy使用了有校準(zhǔn)功能的探頭，它的11GHz示波器可提供更窄的 -3dB帶寬，優(yōu)于Agilent或Tektronix 的近似型號(hào)，在所有10GHz以上的實(shí)時(shí)示波器中，它具有最精確的高頻交流響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。LeCroy還指出了它與至少一個(gè)競爭對(duì)手的區(qū)別，那就是目前它不是用DSP擴(kuò)展示波器的帶寬。

也許你沒有注意過，現(xiàn)代寬帶示波器都沒有對(duì)應(yīng)于10% ~ 90% 上升時(shí)間的頻率響應(yīng)，原有的公式是 TR=0.35/BW，其中TR=10% ~ 90% 上升時(shí)間，BW=-3dB帶寬。而從下式無法確定示波器與探頭的組合上升時(shí)間：

首先，你必須仔細(xì)查看數(shù)據(jù)表的說明，以確定每個(gè)上升時(shí)間規(guī)格是否適用于信號(hào)輸入步長幅度從 10% ~ 90%（或 20% ~ 80%）的時(shí)間。有時(shí)制造商會(huì)列出兩個(gè)上升時(shí)間。有些總線物理層標(biāo)準(zhǔn)只用了 20% ~ 80% 的值，此時(shí)用 10% ~ 90% 的值只會(huì)造成混亂。除了“哪個(gè)上升時(shí)間”問題以外，老公式也不適用于新示波器和探頭，因?yàn)樾略O(shè)備的高頻滾降特性與模擬示波器不同，而這是舊規(guī)則成立的基礎(chǔ)。如要了解更多有關(guān)深存儲(chǔ)器的內(nèi)容，以及在長長的波形記錄中尋找異常的方法，請(qǐng)見附文2“采樣存儲(chǔ)：深?yuàn)W的主題”。

余輝模式

余輝保留模式并不完全像很多人想象的那樣工作（圖2）。為避免混淆，下面作一個(gè)簡單的說明，并且適用于所有品牌的示波器。注意余輝模式通常能夠?qū)崟r(shí)捕捉到高于示波器頻率的正確波形（因?yàn)橛邢薜膶?shí)時(shí)采樣率）。很多示波器用戶錯(cuò)誤地認(rèn)為，捕捉這類波形需要用隨機(jī)等效時(shí)間采樣，但使用這種模式要小心，以避免難以覺察的錯(cuò)誤（參考文獻(xiàn) 1）。

在使用余輝模式時(shí)，針對(duì)希望捕捉的波形，觸發(fā)器在時(shí)間上就波形而言必須是穩(wěn)定的。你可以采用觸發(fā)波形特性或用其它觸發(fā)源。每一次觸發(fā)時(shí)，示波器都會(huì)獲取波形采樣，并將與觸發(fā)時(shí)間相關(guān)的點(diǎn)顯示在屏幕上。不過它并不在各點(diǎn)之間劃線。默認(rèn)情況下，有些示波器會(huì)增加正弦 x/x 插入點(diǎn)，也有一些示波器什么也不加。示波器只是將點(diǎn)放在屏幕上，或更準(zhǔn)確地說，是把點(diǎn)放在顯示處理 IC 的一個(gè)數(shù)組里，由它在屏幕上畫出點(diǎn)。但示波器并不將這些點(diǎn)連成線，也不試圖重新建立輸入信號(hào)的形狀，因?yàn)檫@種嘗試可能違反 Nyquist 準(zhǔn)則。

于是示波器一次次地觸發(fā)。一般來說，它會(huì)觸發(fā)數(shù)百甚至數(shù)千次。每次觸發(fā)時(shí)，它都會(huì)獲取樣品，將點(diǎn)放在屏幕上，但它決不會(huì)試圖去“畫線”。示波器只是簡單地顯示與觸發(fā)時(shí)間相關(guān)的采樣內(nèi)容。如果觸發(fā)器和輸入波形是穩(wěn)定的，則一組點(diǎn)會(huì)緊密排列成一根與信號(hào)近似的線形，非常像一個(gè)波形。如果由于垂直噪聲或時(shí)序抖動(dòng)問題，觸發(fā)時(shí)間或波形是不穩(wěn)定的，則余輝顯示會(huì)將一組點(diǎn)顯示成云霧一般。如果信號(hào)形狀只是偶爾顯示得較大，間歇性離開正軌，那么大部分點(diǎn)形成正常信號(hào)形狀，而只有少量點(diǎn)組成不正常的形狀。

慢速刷新

示波器制造商對(duì)他們儀器屏幕的快速刷新速率以及控制設(shè)置中的修改很感興趣。有些公司把這些屬性看成是“模擬示波器的感覺”。這些要求對(duì)示波器的使用方法也同樣重要，但是，如果仔細(xì)考慮一下這些要求，很容易會(huì)想到它們也許并沒有這么夸張。幾乎所有數(shù)字示波器的屏幕刷新速率都只有每秒30次或60次，但很多時(shí)候每秒要顯示數(shù)千個(gè)波形。它們的實(shí)現(xiàn)方法是在刷新間隔中將多次的變化在屏幕映像上綜合，然后在下次刷新時(shí)顯示總的效果。

示波器工作的這種方法原理上類似于示波器要水平顯示 1024 個(gè)像素、百萬點(diǎn)深度的記錄，而無需你在長長的記錄中進(jìn)行無止境地滾動(dòng)搜索。但是，你也可以選擇變化到該模式。將100萬個(gè)采樣壓縮到 1000 個(gè)像素列（每個(gè)像素列代表 1000 個(gè)采樣）中的最簡單方法是在每 1000 個(gè)采樣組中尋找最小和最大的信號(hào)值，并點(diǎn)亮列中所有的像素，從對(duì)應(yīng)最小值的欄直到對(duì)應(yīng)最大值的欄。這種方法會(huì)產(chǎn)生一種“胖”的跡線，它們的發(fā)光在寬度上是恒定的。如要顯示更多信號(hào)細(xì)節(jié)，示波器可以確定從最近一次屏幕開始，更新屏幕像素圖中每個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的信號(hào)電平，并且將每個(gè)像素的亮度或顏色關(guān)聯(lián)到相應(yīng)點(diǎn)的“命中”數(shù)上。

示波器制造商也正在發(fā)現(xiàn)大屏幕的價(jià)值，這不是統(tǒng)治起居室的 HDTV，也不是某些筆記本電腦上流行的寬屏，而只是比常規(guī)示波器的屏幕稍大。示波器屏幕越大就越容易看清波形的細(xì)節(jié)。LeCroy數(shù)年前就用 WaveSurfer 系列產(chǎn)品開始順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，至少是在一些占位面積小的示波器上，該系列支持10.4英寸對(duì)角線、SVGA、800×600像素屏幕，外殼深度為6英寸，不超過 Tektronix TDS3000B的占用空間，而后者的屏幕只有6.4英寸。WaveSurfer 的屏幕面積比 Tek 示波器屏幕要大 2.5倍。現(xiàn)在，LeCroy 又在大屏幕、小體積示波器中增加了性能更高的產(chǎn)品。WaveRunner Xi系列的三種產(chǎn)品起價(jià)為7500美元，外形尺寸與 WaveSurfers 相同，也帶有10.4英寸的 SVGA 屏。

Tek不甘落后，它的新型 DPO7000系列在屏幕尺寸和分辨率上超過了LeCroy。DPO7000屏幕對(duì)角線為12.1英寸，它們的面積約是6.4英寸屏幕的3.6倍，能夠提供XGA、1024×768像素分辨率。近12英寸的外形深度幾乎是LeCroy小型示波器的兩倍，但仍比大多數(shù)示波器薄。DPO7000（圖3）是該系列的頂級(jí)產(chǎn)品，可以容納多至400M采樣深度的存儲(chǔ)器，所有這些都可以分配給一個(gè)通道，這也挑戰(zhàn)了LeCroy在存儲(chǔ)深度上的長期統(tǒng)治地位。

盡管工程師們很歡迎大屏幕和小外形體積，但那些要將示波器集成為更大系統(tǒng)（如用于生產(chǎn)測試）的工程師卻對(duì)新外殼尺寸不太感冒。對(duì)他們來說，最關(guān)鍵的是要選擇占用最小機(jī)架空間的系統(tǒng)部件。新的外殼高度大于多數(shù)傳統(tǒng)示波器?？磥斫鉀Q高度問題的方法要依靠 LXI（儀器的LAN擴(kuò)展）了，這是系統(tǒng)部件儀器的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。你可以將矮型的 LXI 示波器想象成屏幕平放在儀器頂上，使用時(shí)要將屏幕沿滑軌拉向前方，再向下轉(zhuǎn)至垂直位置。

超越 20 GHz

如果要對(duì)數(shù)字示波器技術(shù)的現(xiàn)狀作一個(gè)調(diào)查，不討論最高帶寬示波器就不算完整，工程師們習(xí)慣把這類儀器叫做順序采樣示波器。在一年前 LeCroy 的 WaveExpert（圖4）和 SDA100G 系列面世前，“順序采樣”這個(gè)詞一直是恰當(dāng)?shù)?，那時(shí)只有兩家供應(yīng)商，Agilent 和 Tektronix。

LeCroy 的儀器實(shí)際上改寫了工程師們?cè)O(shè)計(jì)超寬帶儀器的歷史（不同廠家的超寬帶可從 70 GHz ~ 100 GHz）。在產(chǎn)品推出時(shí)，LeCroy 只是簡單地把自己的儀器叫做采樣示波器，因?yàn)椤绊樞颉边@個(gè)詞并不適用。但沒有“采樣”字樣是因?yàn)樗袛?shù)字示波器都是采樣示波器。今年，LeCroy 用一個(gè)新詞“NRO”（近乎實(shí)時(shí)示波器）解決了術(shù)語問題，并在自己的產(chǎn)品中增加了一個(gè) NRO 系列。

這個(gè)類型中的所有示波器（包括 LeCroy 的產(chǎn)品）都依賴于信號(hào)的重復(fù)出現(xiàn)。它不需要以一個(gè)恒定速率重現(xiàn)，但必須在觸發(fā)信號(hào)后跟一個(gè)基本是固定的延遲。傳統(tǒng)的連續(xù)采樣示波器對(duì)輸入波形的重復(fù)只捕捉一個(gè)采樣，每次新的觸發(fā)都會(huì)將采樣點(diǎn)逐次提前。因此，雖然這些示波器有極高的帶寬，但采集波形卻很慢。這種低速度使這類儀器被排除在很多常見的示波器應(yīng)用之外。

在某些這類示波器中，模擬采樣器與示波器主機(jī)是分離的。采樣器是所謂的零階保持電路，它用易變的飛秒級(jí)（femtosecond）孔徑捕捉輸入信號(hào)，將捕獲的電壓保持?jǐn)?shù)十微秒。因此，采樣器的輸出是一個(gè)數(shù)千兆赫信號(hào)的頻率相對(duì)較低的復(fù)本。從采樣器輸出以后，示波器要處理的模擬信號(hào)頻率相對(duì)較低。這些示波器中的 ADC 通常是高分辨率（14 b 以上）的逐次逼近型器件，轉(zhuǎn)換速率不高于數(shù)百千赫茲。傳統(tǒng)順序采樣示波器的存儲(chǔ)深度很少超過 100 k 采樣。


帶寬達(dá) 100 GHz

采樣技術(shù)的發(fā)展催生了 LeCroy 產(chǎn)品，它用適宜的采樣插件，實(shí)現(xiàn)業(yè)界領(lǐng)先的 100 GHz 帶寬，ADC 與內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)一個(gè)與順序采樣儀器有相當(dāng)區(qū)別的架構(gòu)成為可能。LeCroy 的儀器不是對(duì)每個(gè)輸入波形重復(fù)只獲取一次采樣，而是要捕捉多次。公司稱采樣速率是最快速競爭產(chǎn)品的 50 倍。另外，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)億次采樣的存儲(chǔ)深度，內(nèi)置的時(shí)鐘恢復(fù)功能能使示波器在很多情況下實(shí)現(xiàn)不用外部觸發(fā)就可運(yùn)作。這些示波器還可以容納內(nèi)置分析功能，它可能是你希望唯有實(shí)時(shí)采樣示波器具有的功能。所以，這些示波器可以承擔(dān)很多應(yīng)用，而競爭對(duì)手儀器的數(shù)據(jù)采集速度太慢，無法捕捉到所需長度的記錄，它們需要外部設(shè)備來完成觸發(fā)，或者在做少量分析時(shí)界面過于復(fù)雜。

與Agilent（圖5）和Tek一樣，LeCroy 也提供了光電轉(zhuǎn)換器，可以允許其超寬帶示波器用于光纖通信系統(tǒng)的測量。但與其競爭對(duì)手不同，LeCroy 現(xiàn)在并不提供這些示波器的差分輸入插件。因此，要同時(shí)查看四個(gè)超過20GHz的差分信號(hào)，你就需要兩臺(tái) LeCroy 主機(jī)，而競爭對(duì)手的只需一臺(tái)就能完成。

參考文獻(xiàn)
1. Pupalaikis, Peter J, Random Interleaved Sampling, November 2005, www.lecroy.com/tm/library/registerPDF.asp?wp=577.