示波器的選擇原則

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

隨著(zhù)示波器技術(shù)的發(fā)展，示波器經(jīng)過(guò)模擬時(shí)代、簡(jiǎn)單測量的數字存儲示波器時(shí)代，已經(jīng)發(fā)展成為現代的一種非常復雜的分析工具，具有波形參數測量、數據處理、眼圖、抖動(dòng)、誤碼率分析等功能，并支持用戶(hù)的自定義二次開(kāi)發(fā)，使示波器具有用戶(hù)所需要的獨特功能，對信號進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，如圖1所示。示波器的選擇也遠比以往要復雜得多。

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，還有觸發(fā)功能、上升沿速度、測試一致性、擴展分析功能等因素。這些指標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(guān)測的波形時(shí)間長(cháng)度上就存在如下數學(xué)關(guān)系：存儲深度＝采樣率×波形時(shí)間長(cháng)度。

隨著(zhù)示波器復雜程度的增加，在任何一個(gè)檔次示波器的三大指標的比較選擇上，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，所用的存儲深度是多少，不同的示波器所標注的指標要求的工作狀態(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)達到示波器物理配置的最大值。這樣在使用時(shí)就要求用戶(hù)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(guān)察的信號波形的可信度。因為數字示波器的任何分析功能都是基于它對信號的采樣與復原，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出的波形會(huì )有所不同。根據采樣定理，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，在測試理想正弦波時(shí)，從數值上來(lái)說(shuō)，其最大有效帶寬是采樣率的1/2，更何況現實(shí)中的信號沒(méi)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。

在作數字信號測試分析時(shí)，目前主要是對高速串行數據及其時(shí)鐘的分析，這就要求示波器采集大量連續數據，進(jìn)行軟件恢復時(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)驗的工程師都知道，示波器的常規工作方式是采用允許最大存儲深度的方式，也就是說(shuō)，在調節儀器的時(shí)基旋鈕以使示波器能夠一次采集大量采樣點(diǎn)數據時(shí)，示波器的采樣率有可能會(huì )隨著(zhù)示波器時(shí)間窗口的增長(cháng)而降低，此時(shí)雖然采集了足夠長(cháng)時(shí)間的信號，但是由于采樣率的降低，信號的細節信息可能有所丟失，而此項操作的目的：眼圖及抖動(dòng)分析，恰恰是關(guān)注信號的細節部分。目前示波器有兩種工作方式，一種是設定最大存儲深度，也就是前面所說(shuō)的常規方式，它是通過(guò)調節波形時(shí)間長(cháng)度來(lái)帶動(dòng)采樣率變化；另一種是固定采樣率方式，調節波形時(shí)間長(cháng)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(cháng)度的變化而變化，也就不會(huì )在觀(guān)測長(cháng)時(shí)間信號時(shí)丟失信號細節。以上是數字工程師可能會(huì )遇到和考慮的問(wèn)題。

圖2 固定采樣率功能

現在的示波器是一個(gè)功能強大、非常復雜的測量、分析工具，帶寬也越來(lái)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100GHz。面對如此復雜的儀器，在選則上只考慮三大主要技術(shù)指標是不夠的。因為示波器的應用已經(jīng)走到每個(gè)電子工程師的日常工作中，工程師需要它來(lái)完成多種多樣的測量、分析功能，就必然要依據所要求的功能，結合待測信號的特點(diǎn)進(jìn)行儀器的選擇。射頻工程師希望示波器能夠實(shí)時(shí)分析射頻模擬信號，會(huì )考慮波形參數或基波及調制信號的分析，要求儀器在帶寬、采樣率等硬件指標滿(mǎn)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。數字工程師則會(huì )考慮時(shí)鐘、數據等實(shí)時(shí)參數測量、分析、眼圖模板、抖動(dòng)測試等功能，以及查找問(wèn)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，并根據分析要求對儀器的功能進(jìn)行選擇。用戶(hù)自定義分析功能見(jiàn)圖3。

圖3 用戶(hù)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原，都是以采樣、存儲為基礎的，那么在示波器的選擇上，采樣率就是一個(gè)基本點(diǎn)。以應用目的為導向，在明確應用的同時(shí)，根據所測信號對儀器的要求進(jìn)行示波器的選擇是原則，而應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)。