示波器的選擇原則

伴隨電子科技的飛速發展，數字工程師應用比以往更高碼速率的信號進行數據傳輸和設備通信，同時，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。

隨著示波器技術的發展，示波器經過模擬時代、簡單測量的數字存儲示波器時代，已經發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、誤碼率分析等功能，并支持用戶的自定義二次開發，使示波器具有用戶所需要的獨特功能，對信號進行實時分析，如圖1所示。示波器的選擇也遠比以往要復雜得多。

圖1 實時信號分析

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聯、甚至在一定程度上存在制約關系，如在采樣率、存儲深度和所觀測的波形時間長度上就存在如下數學關系：存儲深度＝采樣率×波形時間長度。

隨著示波器復雜程度的增加，在任何一個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不同，有的4通道示波器在單通道/雙通道/全通道工作時，其采樣率是4/2/1的倍數關系，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系，不能同時達到示波器物理配置的最大值。這樣在使用時就要求用戶注意手中示波器的工作狀態及在此狀態下的采樣率，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，對同一個信號，示波器所捕獲和恢復出的波形會有所不同。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，從數值上來說，其最大有效帶寬是采樣率的1/2，更何況現實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。

在作數字信號測試分析時，目前主要是對高速串行數據及其時鐘的分析，這就要求示波器采集大量連續數據，進行軟件恢復時鐘，進而進行眼圖、模板故障定位、抖動分析等測試測量工作。但是有經驗的工程師都知道，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，在調節儀器的時基旋鈕以使示波器能夠一次采集大量采樣點數據時，示波器的采樣率有可能會隨著示波器時間窗口的增長而降低，此時雖然采集了足夠長時間的信號，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：眼圖及抖動分析，恰恰是關注信號的細節部分。目前示波器有兩種工作方式，一種是設定最大存儲深度，也就是前面所說的常規方式，它是通過調節波形時間長度來帶動采樣率變化；另一種是固定采樣率方式，調節波形時間長度，帶動存儲深度變化，如圖2所示。后一種方式的好處在于采樣率不因時間長度的變化而變化，也就不會在觀測長時間信號時丟失信號細節。以上是數字工程師可能會遇到和考慮的問題。

圖2 固定采樣率功能

現在的示波器是一個功能強大、非常復雜的測量、分析工具，帶寬也越來越高，實時示波器硬件帶寬已經到11GHz、12GHz，而有的公司已經宣布將在2006年推出20GHz帶寬的實時示波器，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指標是不夠的。因為示波器的應用已經走到每個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，就必然要依據所要求的功能，結合待測信號的特點進行儀器的選擇。射頻工程師希望示波器能夠實時分析射頻模擬信號，會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足要求的同時具有支持個性化分析的功能，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同工作能力。數字工程師則會考慮時鐘、數據等實時參數測量、分析、眼圖模板、抖動測試等功能，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，進而確定存儲深度等相關指標，并根據分析要求對儀器的功能進行選擇。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，采樣率就是一個基本點。以應用目的為導向，在明確應用的同時，根據所測信號對儀器的要求進行示波器的選擇是原則，而應用和信號對儀器的要求，就要花時間和精力在三者之間尋找切合點。