示波器的选择原则

示波器的选择原则

伴随电子科技的飞速发展，数字工程师应用比以往更高码速率的信号进行数据传输和设备通信，同时，射频工程师也在考虑手中信号的波形，以便更准确地了解和分析问题所在。大家都需要选用合适的示波器作为信号观察、测试、测量、分析的工具。

随着示波器技术的发展，示波器经过模拟时代、简单测量的数字存储示波器时代，已经发展成为现代的一种非常复杂的分析工具，具有波形参数测量、数据处理、眼图、抖动、误码率分析等功能，并支持用户的自定义二次开发，使示波器具有用户所需要的独特功能，对信号进行实时分析，如图1所示。示波器的选择也远比以往要复杂得多。

图1 实时信号分析

在示波器的选择上，大家都知道需要考虑带宽、采样率、存储深度等三大主要指标，还有触发功能、上升沿速度、测试一致性、扩展分析功能等因素。这些指标和功能之间是相互关联、甚至在一定程度上存在制约关系，如在采样率、存储深度和所观测的波形时间长度上就存在如下数学关系：存储深度＝采样率×波形时间长度。

随着示波器复杂程度的增加，在任何一个档次示波器的三大指标的比较选择上，都要考虑其要求的工作状态是什么。在采样率的选择上，需要注意示波器的工作通道数，所用的存储深度是多少，不同的示波器所标注的指标要求的工作状态不同，有的4通道示波器在单通道/双通道/全通道工作时，其采样率是4/2/1的倍数关系，而有的示波器在采样率和存储深度的使用上存在相互制约的关系，不能同时达到示波器物理配置的最大值。这样在使用时就要求用户注意手中示波器的工作状态及在此状态下的采样率，才能知道目前所采集观察的信号波形的可信度。因为数字示波器的任何分析功能都是基于它对信号的采样与复原，在采样率不同的情况下，对同一个信号，示波器所捕获和恢复出的波形会有所不同。根据采样定理，对于理想的正弦波，采样率最小是信号频率的2倍，那么反推示波器，在测试理想正弦波时，从数值上来说，其最大有效带宽是采样率的1/2，更何况现实中的信号没有理想正弦波，而一般是要考虑其3次、5次甚至更高次谐波的测试分析。由此大家可以很容易看到采样率对示波器测试信号的重要性。

在作数字信号测试分析时，目前主要是对高速串行数据及其时钟的分析，这就要求示波器采集大量连续数据，进行软件恢复时钟，进而进行眼图、模板故障定位、抖动分析等测试测量工作。但是有经验的工程师都知道，示波器的常规工作方式是采用允许最大存储深度的方式，也就是说，在调节仪器的时基旋钮以使示波器能够一次采集大量采样点数据时，示波器的采样率有可能会随着示波器时间窗口的增长而降低，此时虽然采集了足够长时间的信号，但是由于采样率的降低，信号的细节信息可能有所丢失，而此项操作的目的：眼图及抖动分析，恰恰是关注信号的细节部分。目前示波器有两种工作方式，一种是设定最大存储深度，也就是前面所说的常规方式，它是通过调节波形时间长度来带动采样率变化；另一种是固定采样率方式，调节波形时间长度，带动存储深度变化，如图2所示。后一种方式的好处在于采样率不因时间长度的变化而变化，也就不会在观测长时间信号时丢失信号细节。以上是数字工程师可能会遇到和考虑的问题。

图2 固定采样率功能

现在的示波器是一个功能强大、非常复杂的测量、分析工具，带宽也越来越高，实时示波器硬件带宽已经到11GHz、12GHz，而有的公司已经宣布将在2006年推出20GHz带宽的实时示波器，采样示波器带宽更是高达100GHz。面对如此复杂的仪器，在选则上只考虑三大主要技术指标是不够的。因为示波器的应用已经走到每个电子工程师的日常工作中，工程师需要它来完成多种多样的测量、分析功能，就必然要依据所要求的功能，结合待测信号的特点进行仪器的选择。射频工程师希望示波器能够实时分析射频模拟信号，会考虑波形参数或基波及调制信号的分析，要求仪器在带宽、采样率等硬件指标满足要求的同时具有支持个性化分析的功能，有很好的软件支持、分析能力和速度，例如与MATLAB等流行分析软件的协同工作能力。数字工程师则会考虑时钟、数据等实时参数测量、分析、眼图模板、抖动测试等功能，以及查找问题所在和分析原因，需要针对码速率或上升沿选择仪器带宽、采样率，进而确定存储深度等相关指标，并根据分析要求对仪器的功能进行选择。用户自定义分析功能见图3。

图3 用户自定义分析功能与示波器的集成

示波器的任何一个功能都是基于对信号的采样复原，都是以采样、存储为基础的，那么在示波器的选择上，采样率就是一个基本点。以应用目的为导向，在明确应用的同时，根据所测信号对仪器的要求进行示波器的选择是原则，而应用和信号对仪器的要求，就要花时间和精力在三者之间寻找切合点。