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人們經常說，電子工程師們總是幸運的，能有一種觀看到內部過程的工具，例如示波器可以看到電路和系統的內部工作情況，其它行業沒有能展露這些東西的工具。盡管示波器已經為用戶提供了如此豐富的內容，制造商們仍在努力尋找使儀器更加超值的方法。毫無疑問，示波器設計師的原動力仍然是老三樣，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，而且發展速度也不亞于帶寬、采樣率和存儲深度。

過去幾年來，示波器分析與計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計具有強大計算能力示波器的挑戰之一。另一個重要方面是要保證最終用戶不會對新的先進功能望而生畏。如果一個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。示波器設計師經常把自己的作品比作汽車，而把可用性問題表述為“如何‘驅動’一臺儀器。”

雖然示波器在電子工程師工作中有重要的地位，但大多數工程師仍只是把這種儀器看成工具而已，它是完成任務的附屬品，而不是工作的目標。更方便使用既是對這種態度的響應，也是一種鼓勵；當你無需考慮技術問題就能完成一次測量時，可以認為這個過程是好的。此外，在這個有嚴格計劃和預算的領域里，可能很少有時間考慮那些對完成工作似乎不太重要的問題。小心！這種想法可能很危險（見附文1“校準示波器的高頻振幅精度：比你的想像更困難”）。現代示波器似乎使困難的測量變得容易，但測量結果并不像它們表現得那么簡單。如果不清楚這個事實，不去了解儀器及測量技術，就會導致錯誤或無意義的結果，這些缺乏效力的結果難以得到認可，從而要付出高昂代價做糾正工作。

徒勞的使命

要成為一個示波器專家，為你的應用選擇最好的設備，并盡可能發揮儀器的優勢，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，每個工程師都有自己對“最好”和“最先進”的定義。其次，工程師用來選擇示波器的數據單和售前文檔都越來越多，有些會超過 30 頁，還帶有腳注和小字說明。第三，現在很多中檔示波器和幾乎所有高檔示波器都是 建立在PC 基礎上的，通常意味著要以 Windows 標準版本為基礎。在這些儀器中，Windows 應用軟件決定了你使用示波器眾多功能的方法。

示波器的應用程序復雜性至少可與常見的辦公軟件應用程序相提并論，如微軟的 Word 和 Excel(www.microsoft.com)。大多數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共同問題，即他們并不是每天都使用儀器。所以，當他們準備開始使用時，希望快速得到關于儀器或被測設備問題的答案。換句話說，示波器功能的使用方法應是直觀的，盡量遵從用戶熟悉的習慣用法。

示波器制造商指出，在選擇和有效利用正確儀器方面，最有價值的助手是賣給你或正試圖賣給你示波器的現場工程師，至少對高檔儀器是這樣。他可以在你購買前，協助你一步步地與競爭設備作對比，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。另外，不要以為你從分銷商買了儀器就得不到廠家的支持。根據不同制造商和購買的示波器型號，廠商都可能會提供支持。記住，大多數示波器供應商的網站都提供很多有價值的應用說明，包含有效使用公司產品的信息。表 1和表 2 匯集了四家主要制造商實時采樣示波器的主要規格。

從探頭開始

討論現代示波器的一個合適起點是探頭。探頭是儀器與被測設備接觸的地方。過去，工程師們曾認為數兆赫茲就算是高頻了。現在，探測千兆赫茲（GHz）的信號已經是很普通的事，一些熟悉的串行總線用3Gbps以上的速率傳輸信號。示波器廠家建議你的示波器和探頭都應該有至少1.8倍于位速率的 -3 dB 帶寬。所以，如果你要在一個原始位速率為 3.125 Gbps 的總線上工作，你的示波器和探頭應至少具有 5.625 GHz 的組合帶寬。（一個原始位速率為 3.125 Gbps 的總線通常以 2.5 Gbps 承載信息；數據流中嵌入的 8 b/10 b時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探頭的帶寬衰減做出補償。

以下幾點很重要。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，信號擺幅很小，原因有幾點：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擺幅；差分電路的輻射噪聲亦較少，電源線路更不易受瞬態負載干擾。但較小的信號擺幅對無源探頭是不利的，它會減少容性負載，通常會造成輸入信號的衰減。其次，不可能用兩個示波器輸入端觀察一個差分信號。因為這種方法不僅會使示波器上的通道數減半，而且輸入端子也不足以與頻率很好地匹配，結果是屏幕上會顯示根本不存在的波形。

數千兆赫 帶寬的差分有源探頭都非常小巧，它們的復雜度在今后幾年還會上升。制造商并不認為有最好的方法來設計和描述這些設備的特性，但所有制造商都同意一個事實：如果你要獲取數千兆赫的信號，將探頭連接到被測設備上一定會增加被測信號的負載。

制造商并不認為這個負載一定會對你希望看到的波形造成大的影響。然而，除非探頭設計得非常仔細，否則負載效應不僅會很明顯，而且會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好的波形表現為違反眼圖遮蔽，或者可以使一個原本違反遮蔽的波形看起來正常。

眾所周知，探頭會給被測設備增加容性負載。但是，探頭的串接電感對于數千兆赫的響應有重要的影響。此外，探頭的并聯電容與串聯電感之間的共振也對被測設備負載和探頭頻率響應與瞬態響應有很大的影響。

探頭智能化

主要示波器制造商的現代探頭系統都有在示波器與探頭間雙向通信的功能。現代有源探頭的功能不僅是將探頭針上的波形經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）可以存儲動態探頭校準數據。這個數據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）等特性數據。LeCroy的產品管理總監Mike Lauterbach 博士認為，所有制造商的超寬帶示波器都使用了DSP技術，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，使之比未經修正的放大器響應更接近于需要的響應（一般是一個四階Bessel低通濾波器）。

但就Lauterbach所知，只有LeCroy的Wavelink探頭系列現在具有算法修正的探頭響應。當你在幾秒內將一支Wavelink探頭連接到一臺兼容的LeCroy示波器上時，修正功能會上載探頭的校準數據，為探頭的交流特性對示波器通道的垂直響應（出廠時測定，或者用LeCroy提供的夾具對探頭作的最后一次特性描述）做出補償。LeCroy使用了有校準功能的探頭，它的11GHz示波器可提供更窄的 -3dB帶寬，優于Agilent或Tektronix 的近似型號，在所有10GHz以上的實時示波器中，它具有最精確的高頻交流響應和瞬態響應。LeCroy還指出了它與至少一個競爭對手的區別，那就是目前它不是用DSP擴展示波器的帶寬。

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

首先，你必須仔細查看數據表的說明，以確定每個上升時間規格是否適用于信號輸入步長幅度從 10% ~ 90%（或 20% ~ 80%）的時間。有時制造商會列出兩個上升時間。有些總線物理層標準只用了 20% ~ 80% 的值，此時用 10% ~ 90% 的值只會造成混亂。除了“哪個上升時間”問題以外，老公式也不適用于新示波器和探頭，因為新設備的高頻滾降特性與模擬示波器不同，而這是舊規則成立的基礎。如要了解更多有關深存儲器的內容，以及在長長的波形記錄中尋找異常的方法，請見附文2“采樣存儲：深奧的主題”。

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實時捕捉到高于示波器頻率的正確波形（因為有限的實時采樣率）。很多示波器用戶錯誤地認為，捕捉這類波形需要用隨機等效時間采樣，但使用這種模式要小心，以避免難以覺察的錯誤（參考文獻 1）。

在使用余輝模式時，針對希望捕捉的波形，觸發器在時間上就波形而言必須是穩定的。你可以采用觸發波形特性或用其它觸發源。每一次觸發時，示波器都會獲取波形采樣，并將與觸發時間相關的點顯示在屏幕上。不過它并不在各點之間劃線。默認情況下，有些示波器會增加正弦 x/x 插入點，也有一些示波器什么也不加。示波器只是將點放在屏幕上，或更準確地說，是把點放在顯示處理 IC 的一個數組里，由它在屏幕上畫出點。但示波器并不將這些點連成線，也不試圖重新建立輸入信號的形狀，因為這種嘗試可能違反 Nyquist 準則。

于是示波器一次次地觸發。一般來說，它會觸發數百甚至數千次。每次觸發時，它都會獲取樣品，將點放在屏幕上，但它決不會試圖去“畫線”。示波器只是簡單地顯示與觸發時間相關的采樣內容。如果觸發器和輸入波形是穩定的，則一組點會緊密排列成一根與信號近似的線形，非常像一個波形。如果由于垂直噪聲或時序抖動問題，觸發時間或波形是不穩定的，則余輝顯示會將一組點顯示成云霧一般。如果信號形狀只是偶爾顯示得較大，間歇性離開正軌，那么大部分點形成正常信號形狀，而只有少量點組成不正常的形狀。

慢速刷新

示波器制造商對他們儀器屏幕的快速刷新速率以及控制設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”。這些要求對示波器的使用方法也同樣重要，但是，如果仔細考慮一下這些要求，很容易會想到它們也許并沒有這么夸張。幾乎所有數字示波器的屏幕刷新速率都只有每秒30次或60次，但很多時候每秒要顯示數千個波形。它們的實現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 個像素、百萬點深度的記錄，而無需你在長長的記錄中進行無止境地滾動搜索。但是，你也可以選擇變化到該模式。將100萬個采樣壓縮到 1000 個像素列（每個像素列代表 1000 個采樣）中的最簡單方法是在每 1000 個采樣組中尋找最小和最大的信號值，并點亮列中所有的像素，從對應最小值的欄直到對應最大值的欄。這種方法會產生一種“胖”的跡線，它們的發光在寬度上是恒定的。如要顯示更多信號細節，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點相應的信號電平，并且將每個像素的亮度或顏色關聯到相應點的“命中”數上。

示波器制造商也正在發現大屏幕的價值，這不是統治起居室的 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節。LeCroy數年前就用 WaveSurfer 系列產品開始順應這個趨勢，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。現在，LeCroy 又在大屏幕、小體積示波器中增加了性能更高的產品。WaveRunner Xi系列的三種產品起價為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，但仍比大多數示波器薄。DPO7000（圖3）是該系列的頂級產品，可以容納多至400M采樣深度的存儲器，所有這些都可以分配給一個通道，這也挑戰了LeCroy在存儲深度上的長期統治地位。

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（如用于生產測試）的工程師卻對新外殼尺寸不太感冒。對他們來說，最關鍵的是要選擇占用最小機架空間的系統部件。新的外殼高度大于多數傳統示波器。看來解決高度問題的方法要依靠 LXI（儀器的LAN擴展）了，這是系統部件儀器的一個新標準。你可以將矮型的 LXI 示波器想象成屏幕平放在儀器頂上，使用時要將屏幕沿滑軌拉向前方，再向下轉至垂直位置。

超越 20 GHz

如果要對數字示波器技術的現狀作一個調查，不討論最高帶寬示波器就不算完整，工程師們習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”這個詞一直是恰當的，那時只有兩家供應商，Agilent 和 Tektronix。

LeCroy 的儀器實際上改寫了工程師們設計超寬帶儀器的歷史（不同廠家的超寬帶可從 70 GHz ~ 100 GHz）。在產品推出時，LeCroy 只是簡單地把自己的儀器叫做采樣示波器，因為“順序”這個詞并不適用。但沒有“采樣”字樣是因為所有數字示波器都是采樣示波器。今年，LeCroy 用一個新詞“NRO”（近乎實時示波器）解決了術語問題，并在自己的產品中增加了一個 NRO 系列。

這個類型中的所有示波器（包括 LeCroy 的產品）都依賴于信號的重復出現。它不需要以一個恒定速率重現，但必須在觸發信號后跟一個基本是固定的延遲。傳統的連續采樣示波器對輸入波形的重復只捕捉一個采樣，每次新的觸發都會將采樣點逐次提前。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用之外。

在某些這類示波器中，模擬采樣器與示波器主機是分離的。采樣器是所謂的零階保持電路，它用易變的飛秒級（femtosecond）孔徑捕捉輸入信號，將捕獲的電壓保持數十微秒。因此，采樣器的輸出是一個數千兆赫信號的頻率相對較低的復本。從采樣器輸出以后，示波器要處理的模擬信號頻率相對較低。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，轉換速率不高于數百千赫茲。傳統順序采樣示波器的存儲深度很少超過 100 k 采樣。


帶寬達 100 GHz

采樣技術的發展催生了 LeCroy 產品，它用適宜的采樣插件，實現業界領先的 100 GHz 帶寬，ADC 與內存技術的發展使得實現一個與順序采樣儀器有相當區別的架構成為可能。LeCroy 的儀器不是對每個輸入波形重復只獲取一次采樣，而是要捕捉多次。公司稱采樣速率是最快速競爭產品的 50 倍。另外，還可以實現數億次采樣的存儲深度，內置的時鐘恢復功能能使示波器在很多情況下實現不用外部觸發就可運作。這些示波器還可以容納內置分析功能，它可能是你希望唯有實時采樣示波器具有的功能。所以，這些示波器可以承擔很多應用，而競爭對手儀器的數據采集速度太慢，無法捕捉到所需長度的記錄，它們需要外部設備來完成觸發，或者在做少量分析時界面過于復雜。

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

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