示波器的選擇原則

伴隨電子科技的飛速發(fā)展，數(shù)字工程師應(yīng)用比以往更高碼速率的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備通信，同時(shí)，射頻工程師也在考慮手中信號的波形，以便更準(zhǔn)確地了解和分析問題所在。大家都需要選用合適的示波器作為信號觀察、測試、測量、分析的工具。

隨著示波器技術(shù)的發(fā)展，示波器經(jīng)過模擬時(shí)代、簡單測量的數(shù)字存儲示波器時(shí)代，已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代的一種非常復(fù)雜的分析工具，具有波形參數(shù)測量、數(shù)據(jù)處理、眼圖、抖動(dòng)、誤碼率分析等功能，并支持用戶的自定義二次開發(fā)，使示波器具有用戶所需要的獨(dú)特功能，對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如圖1所示。示波器的選擇也遠(yuǎn)比以往要復(fù)雜得多。

圖1 實(shí)時(shí)信號分析

在示波器的選擇上，大家都知道需要考慮帶寬、采樣率、存儲深度等三大主要指標(biāo)，還有觸發(fā)功能、上升沿速度、測試一致性、擴(kuò)展分析功能等因素。這些指標(biāo)和功能之間是相互關(guān)聯(lián)、甚至在一定程度上存在制約關(guān)系，如在采樣率、存儲深度和所觀測的波形時(shí)間長度上就存在如下數(shù)學(xué)關(guān)系：存儲深度＝采樣率×波形時(shí)間長度。

隨著示波器復(fù)雜程度的增加，在任何一個(gè)檔次示波器的三大指標(biāo)的比較選擇上，都要考慮其要求的工作狀態(tài)是什么。在采樣率的選擇上，需要注意示波器的工作通道數(shù)，所用的存儲深度是多少，不同的示波器所標(biāo)注的指標(biāo)要求的工作狀態(tài)不同，有的4通道示波器在單通道/雙通道/全通道工作時(shí)，其采樣率是4/2/1的倍數(shù)關(guān)系，而有的示波器在采樣率和存儲深度的使用上存在相互制約的關(guān)系，不能同時(shí)達(dá)到示波器物理配置的最大值。這樣在使用時(shí)就要求用戶注意手中示波器的工作狀態(tài)及在此狀態(tài)下的采樣率，才能知道目前所采集觀察的信號波形的可信度。因?yàn)閿?shù)字示波器的任何分析功能都是基于它對信號的采樣與復(fù)原，在采樣率不同的情況下，對同一個(gè)信號，示波器所捕獲和恢復(fù)出的波形會有所不同。根據(jù)采樣定理，對于理想的正弦波，采樣率最小是信號頻率的2倍，那么反推示波器，在測試?yán)硐胝也〞r(shí)，從數(shù)值上來說，其最大有效帶寬是采樣率的1/2，更何況現(xiàn)實(shí)中的信號沒有理想正弦波，而一般是要考慮其3次、5次甚至更高次諧波的測試分析。由此大家可以很容易看到采樣率對示波器測試信號的重要性。

在作數(shù)字信號測試分析時(shí)，目前主要是對高速串行數(shù)據(jù)及其時(shí)鐘的分析，這就要求示波器采集大量連續(xù)數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件恢復(fù)時(shí)鐘，進(jìn)而進(jìn)行眼圖、模板故障定位、抖動(dòng)分析等測試測量工作。但是有經(jīng)驗(yàn)的工程師都知道，示波器的常規(guī)工作方式是采用允許最大存儲深度的方式，也就是說，在調(diào)節(jié)儀器的時(shí)基旋鈕以使示波器能夠一次采集大量采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，示波器的采樣率有可能會隨著示波器時(shí)間窗口的增長而降低，此時(shí)雖然采集了足夠長時(shí)間的信號，但是由于采樣率的降低，信號的細(xì)節(jié)信息可能有所丟失，而此項(xiàng)操作的目的：眼圖及抖動(dòng)分析，恰恰是關(guān)注信號的細(xì)節(jié)部分。目前示波器有兩種工作方式，一種是設(shè)定最大存儲深度，也就是前面所說的常規(guī)方式，它是通過調(diào)節(jié)波形時(shí)間長度來帶動(dòng)采樣率變化；另一種是固定采樣率方式，調(diào)節(jié)波形時(shí)間長度，帶動(dòng)存儲深度變化，如圖2所示。后一種方式的好處在于采樣率不因時(shí)間長度的變化而變化，也就不會在觀測長時(shí)間信號時(shí)丟失信號細(xì)節(jié)。以上是數(shù)字工程師可能會遇到和考慮的問題。

圖2 固定采樣率功能

現(xiàn)在的示波器是一個(gè)功能強(qiáng)大、非常復(fù)雜的測量、分析工具，帶寬也越來越高，實(shí)時(shí)示波器硬件帶寬已經(jīng)到11GHz、12GHz，而有的公司已經(jīng)宣布將在2006年推出20GHz帶寬的實(shí)時(shí)示波器，采樣示波器帶寬更是高達(dá)100GHz。面對如此復(fù)雜的儀器，在選則上只考慮三大主要技術(shù)指標(biāo)是不夠的。因?yàn)槭静ㄆ鞯膽?yīng)用已經(jīng)走到每個(gè)電子工程師的日常工作中，工程師需要它來完成多種多樣的測量、分析功能，就必然要依據(jù)所要求的功能，結(jié)合待測信號的特點(diǎn)進(jìn)行儀器的選擇。射頻工程師希望示波器能夠?qū)崟r(shí)分析射頻模擬信號，會考慮波形參數(shù)或基波及調(diào)制信號的分析，要求儀器在帶寬、采樣率等硬件指標(biāo)滿足要求的同時(shí)具有支持個(gè)性化分析的功能，有很好的軟件支持、分析能力和速度，例如與MATLAB等流行分析軟件的協(xié)同工作能力。數(shù)字工程師則會考慮時(shí)鐘、數(shù)據(jù)等實(shí)時(shí)參數(shù)測量、分析、眼圖模板、抖動(dòng)測試等功能，以及查找問題所在和分析原因，需要針對碼速率或上升沿選擇儀器帶寬、采樣率，進(jìn)而確定存儲深度等相關(guān)指標(biāo)，并根據(jù)分析要求對儀器的功能進(jìn)行選擇。用戶自定義分析功能見圖3。

圖3 用戶自定義分析功能與示波器的集成

示波器的任何一個(gè)功能都是基于對信號的采樣復(fù)原，都是以采樣、存儲為基礎(chǔ)的，那么在示波器的選擇上，采樣率就是一個(gè)基本點(diǎn)。以應(yīng)用目的為導(dǎo)向，在明確應(yīng)用的同時(shí)，根據(jù)所測信號對儀器的要求進(jìn)行示波器的選擇是原則，而應(yīng)用和信號對儀器的要求，就要花時(shí)間和精力在三者之間尋找切合點(diǎn)。