實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器的區別是什么

在過(guò)去從事工程學(xué)工作時(shí)，我曾經(jīng)接手一個(gè)研究項目——把D型光纖浸在酸液池中數小時(shí)，表征它的光傳輸特性。我發(fā)現有一個(gè)全新的示波器，于是選擇它作為工具。連續兩周我都在開(kāi)發(fā)測試夾具和編寫(xiě)軟件，由于缺乏經(jīng)驗，我向一位資深工程師尋求幫助。工程師提出第一個(gè)問(wèn)題：“你為什么要使用采樣示波器來(lái)完成這項實(shí)驗?”這個(gè)問(wèn)題讓我感到意外。我開(kāi)始思索采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器有什么區別?兩者的應用范圍有哪些不同，哪些是可以覆蓋的?

實(shí)時(shí)示波器通常被稱(chēng)為DSO(數字存儲示波器)或MSO(混合信號示波器)。目前在售的大部分示波器都是實(shí)時(shí)示波器。實(shí)時(shí)示波器的帶寬范圍從幾MHz到幾十GHz，價(jià)位在幾百美元到幾十萬(wàn)美元不等。采樣示波器通常被稱(chēng)為DCA(數字通信分析儀)，帶寬范圍從幾十GHz起，主要用于分析高速串行總線(xiàn)、光設備和時(shí)鐘信號。隨著(zhù)帶寬的增加，采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器開(kāi)始在多個(gè)應用領(lǐng)域中重合。

實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器的數字化之路基本相同。輸入信號經(jīng)過(guò)示波器的前端信號調節電路，數字化之后保存到存儲器，最后在屏幕上顯示。然而，兩種示波器的基本技術(shù)則大相徑庭。

實(shí)時(shí)示波器

實(shí)時(shí)示波器包括觸發(fā)ASIC技術(shù)，允許用戶(hù)指定感興趣的事件，例如上升電壓閾值、建立和保持違規或碼型觸發(fā)。常規采集模式中，當示波器的觸發(fā)電路觀(guān)測到這個(gè)事件時(shí)，示波器將會(huì )捕獲并保存在觸發(fā)點(diǎn)附近的連續采樣點(diǎn)，并使用已捕獲數據更新顯示屏。實(shí)時(shí)示波器可工作在單次捕獲模式或連續捕獲模式。在單次模式下，示波器根據存儲器深度和采樣率設置，進(jìn)行單次采集并顯示一組連續樣本。在示波器捕獲了單條軌跡之后，用戶(hù)能夠平移和縮放到任意感興趣的事件。在連續運行模式下，示波器連續采集并顯示每一個(gè)與觸發(fā)技術(shù)指標匹配的條件?？勺冇噍x或無(wú)限余輝可使多個(gè)已捕獲信號覆蓋在初始信號上。連續模式允許用戶(hù)對被測器件進(jìn)行實(shí)時(shí)查看?？稍趩未尾杉蜻B續重復采集模式中進(jìn)行上升時(shí)間或脈寬測量、數學(xué)函數或FFT分析。大部分帶寬低于6GHz的實(shí)時(shí)示波器包括lMΩ和50MΩ輸入，可與多種探頭和電纜搭配使用。

實(shí)時(shí)示波器有三個(gè)重要的技術(shù)指標定義，即：帶寬、采樣率和存儲器深度。在選擇實(shí)時(shí)示波器時(shí)，還需要考慮其它更重要的技術(shù)指標。

具有深存儲器的示波器具備以下三個(gè)明顯優(yōu)勢：

1. 深存儲器能以特定采樣率捕獲更長(cháng)時(shí)間的信號。存儲器容量用于確定每次采集能夠保存多少個(gè)樣本，并確定捕獲時(shí)間窗口。單次采集所捕獲的樣本越多，越有可能觀(guān)察到罕見(jiàn)事件。

2. 深存儲器可使用戶(hù)在較慢時(shí)基上維持較高采樣率，以實(shí)現更高的精度。例如，使用10Mpts存儲器和l0GSa/s采樣率，水平軸可以設置為lus/格。如果用戶(hù)選擇10 us/格的時(shí)基設置，示波器將會(huì )把采樣率降低到之前的1/10運行，以便捕獲所需的時(shí)間窗口。具有100Mpts存儲器的示波器可使用戶(hù)保持較快的10GSa/s采樣率，同時(shí)捕獲10 us時(shí)間窗口。

3. 深存儲器支持更精確的統計測量和數學(xué)運算。通過(guò)觀(guān)察一系列上升沿的時(shí)間間隔誤差的邊沿，FFT和抖動(dòng)測量均能從深存儲器采集中獲益。

采樣示波器

采樣示波器專(zhuān)為捕獲、顯示與分析重復信號而設計。觸發(fā)能力同樣也是針對重復信號而設置。當滿(mǎn)足第一次觸發(fā)條件時(shí)，采樣示波器將會(huì )捕獲一組具有時(shí)間間隔的非鄰近樣本。示波器延遲這個(gè)觸發(fā)點(diǎn)并開(kāi)始下一組捕獲，并將已捕獲的點(diǎn)與第一組樣本共同放在顯示屏中。在無(wú)限余輝模式中重復這項操作，可以創(chuàng )建一個(gè)波形，不必進(jìn)行連續采集。觸發(fā)與延時(shí)是其中的技術(shù)要素，用于控制觸發(fā)之間的時(shí)間分辨率，以實(shí)現高測量精度。由于每次觸發(fā)僅會(huì )捕獲和處理幾個(gè)點(diǎn)，存儲器深度不屬于關(guān)鍵技術(shù)指標。采樣率也不是關(guān)鍵技術(shù)指標。但是，首個(gè)觸發(fā)條件和下一個(gè)觸發(fā)條件之間的時(shí)間間隔精度，這一點(diǎn)才是最重要的。

采樣示波器與實(shí)時(shí)示波器

如前所述，實(shí)時(shí)示波器的帶寬現已超過(guò)60GHz，而采樣示波器的帶寬已達90GHz以上。因而對于大部分數字應用，帶寬不再是選擇適當示波器的便捷之道。但話(huà)雖如此，價(jià)格仍然是主要差別。全配置的采樣示波器(50GHz)的價(jià)格低于15萬(wàn)美元，而實(shí)時(shí)示波器的價(jià)格接近40萬(wàn)美元。設計人員必須要確定，實(shí)時(shí)示波器的出色靈活性是否與高成本相匹配。

噪聲和信噪比

采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器有很多不同之處。采樣示波器具有14位ADC和極寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠查看從幾mV至全量程范圍內的信號，無(wú)需衰減。因此，采樣示波器在不同的V/格垂直軸設置中保持極低噪聲。實(shí)時(shí)示波器的動(dòng)態(tài)范圍被限定在8位，但其有效位數約為6位。受限于信噪比，實(shí)時(shí)示波器必須利用衰減器/放大器以正確地顯示幾mV到幾V的信號。這意味著(zhù)，實(shí)時(shí)示波器的噪聲要高于采樣示波器。采樣示波器的低噪聲使其成為測量的“最佳標準”。然而，實(shí)時(shí)示波器不斷改進(jìn)，業(yè)已開(kāi)始縮短兩者在信號完整性上的差距。

頻率響應

頻率響應也是用戶(hù)在選擇實(shí)時(shí)示波器還是采樣示波器時(shí)的考慮因素。一般來(lái)說(shuō)，采樣示波器不會(huì )使用數字信號處理(DSP)校正技術(shù)，其頻率響應會(huì )緩慢下降(硬件響應)，看上去更像是高斯型。實(shí)時(shí)示波器采用DsP校正自身的頻率響應。例如，Agilent DSOX93304Q在整個(gè)通帶內使用乎坦頻率響應，這意味著(zhù)它的增益變化在整個(gè)頻率范圍內不會(huì )超過(guò)ldB。實(shí)時(shí)示波器的頻率響應可以改變。一些示波器廠(chǎng)商提供多達5個(gè)具備不同特征的響應。在進(jìn)行同類(lèi)產(chǎn)品比較時(shí)，平坦響應與高斯響應可使兩個(gè)測量極其不同。例如，高斯滾降會(huì )對測量造成影響并添加碼間干擾。如果信號速度足夠快，超出示波器的帶寬，那么滾降速度較快的平坦響應會(huì )出現振鈴。不論哪種情況，用戶(hù)必須了解硬件對測量的影像。

時(shí)鐘恢復的區別

時(shí)鐘恢復是示波器測量的關(guān)鍵因素。它支持構建實(shí)時(shí)眼圖、模板測試和抖動(dòng)分離?；謴蜁r(shí)鐘是用于測量比較的參考時(shí)鐘。近來(lái)，采樣示波器完全依賴(lài)硬件進(jìn)行時(shí)鐘恢復。由此，無(wú)論是外部時(shí)鐘還是采樣示波器提供的內部10MHz時(shí)鐘，恢復系統都容易產(chǎn)生誤差。如今這種情形已不復存在。安捷倫采樣示波器現可提供基于軟件的時(shí)鐘恢復系統，非常適合進(jìn)行精確的時(shí)鐘恢復。實(shí)時(shí)示波器往往使用軟件時(shí)鐘恢復，也可以用外時(shí)鐘。軟件時(shí)鐘恢復的優(yōu)勢是不易產(chǎn)生硬件誤差，無(wú)需考慮數據速率。

除了硬件時(shí)鐘恢復和軟件時(shí)鐘恢復的區別之外，用戶(hù)必須關(guān)注所使用的時(shí)鐘恢復算法。采樣示波器使用抖動(dòng)傳遞函數(JTF)，實(shí)時(shí)示波器使用0JTF。與JTF相比，0JTF能夠減少更多的低頻抖動(dòng)。因此，實(shí)時(shí)示波器中的抖動(dòng)明顯低于采樣示波器。兩種示波器使用相同的傳遞函數，即可重置抖動(dòng)數目。采樣示波器的性能在最近得到了改善，可以更輕松地進(jìn)行抖動(dòng)比較。

何時(shí)使用采樣示波器或實(shí)時(shí)示波器

過(guò)去，采樣示波器具有最大帶寬和固有抖動(dòng)，性能遠遠優(yōu)于實(shí)時(shí)示波器。在過(guò)去十年里，實(shí)時(shí)示波器已經(jīng)極大地縮短了兩者的性能差距，向需要進(jìn)行收發(fā)信機測試的用戶(hù)提供靈活的選擇——使用實(shí)時(shí)示波器還是采樣示波器。采樣示波器仍然具備較低抖動(dòng)和極高動(dòng)態(tài)范圍，是在可控的環(huán)境內進(jìn)行表征的理想工具。假設您的信號可重復或使用實(shí)時(shí)眼圖進(jìn)行捕獲，采樣示波器將會(huì )真實(shí)地描述信號。

實(shí)時(shí)示波器擁有出色的靈活性，使它更具吸引力。如果用戶(hù)正在進(jìn)行調試，想要觸發(fā)難以查找的事件，實(shí)時(shí)示波器是一個(gè)不錯的選擇。實(shí)時(shí)示波器的用戶(hù)可從眾多一致性測試、協(xié)議觸發(fā)與解碼、分析應用軟件中選擇自己所需。實(shí)時(shí)示波器還能測量單次捕獲的抖動(dòng)，非常適合分析故障根源。大多數標準使用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行發(fā)射機測試。這意味著(zhù)，用戶(hù)需要借助實(shí)時(shí)示波器確保設備的“一致性”。

圖1采樣示波器與實(shí)時(shí)示波器一樣，提供眼圖、直方圖和抖動(dòng)測量。憑借高帶寬、模塊性和低價(jià)位，采樣示波器要比實(shí)時(shí)示波器更能適應制造環(huán)境

圖2 實(shí)時(shí)示波器現可提供高達63GHz的帶寬，先進(jìn)抖動(dòng)分析應用淡化了實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器在研發(fā)階段的區別

結論

實(shí)時(shí)示波器對于大部分示波器應用來(lái)講非常適用。實(shí)時(shí)示波器提供各種帶寬范圍，能夠捕獲單次事件和重復信號，已經(jīng)縮短了與采樣示波器在高頻測量方面的差距(例如抖動(dòng)和發(fā)射機表征)。如果您的應用包括要求低抖動(dòng)和高動(dòng)態(tài)范圍的重復波形，采樣示波器是一個(gè)不錯的選擇。采樣示波器還具有較低的初始成本和模塊化升級功能，非常適合電子和光生產(chǎn)測試應用。如果是在20GHz以上的頻率工作，不確定哪一種示波器合適，建議與同時(shí)生產(chǎn)采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器的廠(chǎng)商聯(lián)系。與僅生產(chǎn)實(shí)時(shí)示波器或采樣示波器的廠(chǎng)商相比，他們更能幫助您選擇最符合需求的示波器類(lèi)型。