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1、示波器的用途人们经常说，电子工程师们总是幸运的，能有一种观看到内部过程的工具，例如示波器可以看到电路和系统的内部工作情况，其它行业没 有能展露这些东西的工具。尽管示波器已经为用户提供了如此丰富的 内容，制造商们仍在努力寻找使仪器更加超值的方法。毫无疑问，示波器设计师的原动力仍然是老三样，那就是：“更快”（指带宽和采 样率）、“更深”（指采集存储的深度），以及“更便宜”。但让示波器更有用的方式还不止这些，而且发展速度也不亚于带宽、采样率 和存储深度。过去几年来，示波器分析与计算能力的提升没有显露出任何减缓 迹象。但是，增加分析能力只是设计具有强大计算能力示波器的挑 战之一。另一个重要方面是要保证
2、最终用户不会对新的先进功能望 而生畏。如果一个示波器的功能让用户使用起来非常困难，甚至宁肯 放弃不用，那么这类功能还是不增加为好。示波器设计师经常把自己 的作品比作汽车，而把可用性问题表述为“如何驱动一台仪器。”虽然示波器在电子工程师工作中有重要的地位，但大多数工程师 仍只是把这种仪器看成工具而已，它是完成任务的附属品，而不是工 作的目标。更方便使用既是对这种态度的响应，也是一种鼓励；当你 无需考虑技术问题就能完成一次测量时，可以认为这个过程是好的 此外，在这个有严格计划和预算的领域里，可能很少有时间考虑那些 对完成工作似乎不太重要的问题。小心！这种想法可能很危险(见附 文1 “校准示波器的高
3、频振幅精度：比你的想像更困难”)。现代示 波器似乎使困难的测量变得容易，但测量结果并不像它们表现得那么 简单。如果不清楚这个事实，不去了解仪器及测量技术，就会导致错 误或无意义的结果，这些缺乏效力的结果难以得到认可，从而要付出 高昂代价做纠正工作。徒劳的使命要成为一个示波器专家，为你的应用选择最好的设备，并尽可能 发挥仪器的优势，付出努力是必不可少的。有些人甚至称要找到最好 的示波器或最有效的使用方法是徒劳的。首先，在选择和使用示波器 时，每个工程师都有自己对，最好”和“最先进”的定义。其次，工 程师用来选择示波器的数据单和售前文档都越来越多，有些会超过 30 页，还带有脚注和小字说明。第三，
4、现在很多中档示波器和几乎 所有高档示波器都是建立在PC基础上的，通常意味着要以 Windows 标准版本为基础。在这些仪器中， Windows 应用软件决定了 你使用示波器众多功能的方法。示波器的应用程序复杂性至少可与常见的办公软件应用程序相 提并论，如微软的Word和Excel(www.mIC)。大多数办 公软件用户只用到软件功能的一小部分。示波器用户也是这样。此外，很多示波器用户有一个共同问题，即他们并不是每天都使用仪器。所 以，当他们准备开始使用时，希望快速得到关于仪器或被测设备问题 的答案。换句话说，示波器功能的使用方法应是直观的，尽量遵从用 户熟悉的习惯用法。示波器制造商指出，在选择
5、和有效利用正确仪器方面，最有价值 的助手是卖给你或正试图卖给你示波器的现场工程师，至少对高档仪 器是这样。他可以在你购买前，协助你一步步地与竞争设备作对比 提供建议和部件，帮助你有效地使用它。示波器分销商的代理也可以 提供类似的服务。另外，不要以为你从分销商买了仪器就得不到厂家 的支持。根据不同制造商和购买的示波器型号，厂商都可能会提供支 持。记住，大多数示波器供应商的网站都提供很多有价值的应用说明 包含有效使用公司产品的信息。表 1 和表 2 汇集了四家主要制造商 实时采样示波器的主要规格。从探头开始讨论现代示波器的一个合适起点是探头。探头是仪器与被测设备 接触的地方。过去，工程师们曾认为数
6、兆赫兹就算是高频了。现在 探测千兆赫兹（GHz）的信号已经是很普通的事，一些熟悉的串行总 线用3Gbps以上的速率传输信号。示波器厂家建议你的示波器和探头 都应该有至少1.8 倍于位速率的 -3 dB 带宽。所以，如果你要在一 个原始位速率为 3.125 Gbp s 的总线上工作，你的示波器和探头应至少具有 5.625 GHz 的组合带宽。（一个原始位速率为 3.125 Gbps 的 总线通常以2.5 Gbps承载信息；数据流中嵌入的8 b/10 b时钟将 信息速率限制在原始位速率的 80%。）示波器制造商公布的最接近 5. 625 GHz的带宽是6GHz。5. 625GHz以上667%的余量
7、可以有助于 对探头的带宽衰减做出补偿。以下几点很重要。首先，探测这种高速串行总线要使用差分有源 探头。在这种速度下，几乎所有总线都是差分的，信号摆幅很小，原 因有几点：与单端电路不同，差分接收器能够抑制共模“噪声”，因 而可以使用较小的信号摆幅；差分电路的辐射噪声亦较少，电源线路 更不易受瞬态负载干扰。但较小的信号摆幅对无源探头是不利的，它 会减少容性负载，通常会造成输入信号的衰减。其次，不可能用两个 示波器输入端观察一个差分信号。因为这种方法不仅会使示波器上的 通道数减半，而且输入端子也不足以与频率很好地匹配，结果是屏幕 上会显示根本不存在的波形。数千兆赫 带宽的差分有源探头都非常小巧，它们
8、的复杂度在今 后几年还会上升。制造商并不认为有最好的方法来设计和描述这些设 备的特性，但所有制造商都同意一个事实：如果你要获取数千兆赫的 信号，将探头连接到被测设备上一定会增加被测信号的负载。制造商并不认为这个负载一定会对你希望看到的波形造成大的影响。然而，除非探头设计得非常仔细，否则负载效应不仅会很明显， 而且会使糟糕的波形显示得很完美，或正好相反。例如，探头引入的误差可以使 一个好的波形表现为违反眼图遮蔽，或者可以使一个原本违反遮蔽 的波形看起来正常。众所周知，探头会给被测设备增加容性负载。但是，探头的串接 电感对于数千兆赫的响应有重要的影响。此外，探头的并联电容与串 联电感之间的共振也对
9、被测设备负载和探头频率响应与瞬态响应有 很大的影响。探头智能化主要示波器制造商的现代探头系统都有在示波器与探头间双向 通信的功能。现代有源探头的功能不仅是将探头针上的波形经放大或 缓冲后送给示波器，示波器也不仅完成向探头提供电源的功能。例如， LeCroy 的最新型探头（见图 1）可以存储动态探头校准数据。这个 数据中不仅包括探头的偏移电压和直流增益，还有高频增益和高频相 位（延迟）等特性数据。LeCroy的产品管理总监Mike Lauterbach博 士认为，所有制造商的超宽带示波器都使用了DSP技术，以修正垂直 放大器的高频增益和高频相位特性。这种修正改善了响应，使之比未 经修正的放大器响
10、应更接近于需要的响应（一般是一个四阶Bessel 低通滤波器）。Sip貝要吿诉它们寻找的內容，今天的示镀器可隈为你找出异常菠脸LeCrey把这种功能叫做 排除軸发武它制造商也提供妾緻功睫，但有不同的生称但就Lauterbach所知，只有LeCroy的WaveLink探头系列现在 具有算法修正的探头响应。当你在几秒内将一支WaveLink探头连接 到一台兼容的LeCroy示波器上时,修正功能会上载探头的校准数据, 为探头的交流特性对示波器通道的垂直响应（出厂时测定，或者用 LeCroy提供的夹具对探头作的最后一次特性描述做出补偿。LeCroy 使用了有校准功能的探头，它的11GHz示波器可提供更
11、窄的-3dB带 宽，优于Agilent或Tektronix的近似型号，在所有10GHz以上的 实时示波器中，它具有最精确的高频交流响应和瞬态响应。LeCroy 还指出了它与至少一个竞争对手的区别，那就是目前它不是用DSP 扩展示波器的带宽。也许你没有注意过，现代宽带示波器都没有对应于10%90% 上 升时间的频率响应，原有的公式是TR=0.35/BW,其中TR=10%90%上升时间，BW=-3dB带宽。而从下式无法确定示波器与探头的组合上升时间：首先，你必须仔细查看数据表的说明，以确定每个上升时间规格 是否适用于信号输入步长幅度从 10% 90%（或 20% 80%）的时间。 有时制造商会列出
12、两个上升时间。有些总线物理层标准只用了 20% 80%的值，此时用10% 90%的值只会造成混乱。除了，哪个上升 时间”问题以外，老公式也不适用于新示波器和探头，因为新设备的 高频滚降特性与模拟示波器不同，而这是旧规则成立的基础。如要了 解更多有关深存储器的内容，以及在长长的波形记录中寻找异常的方 法，请见附文2 “采样存储：深奥的主题”。余辉模式余辉保留模式并不完全像很多人想象的那样工作（图2）。为避 免混淆，下面作一个简单的说明，并且适用于所有品牌的示波器。注 意余辉模式通常能够实时捕捉到高于示波器频率的正确波形（因为有 限的实时采样率）。很多示波器用户错误地认为，捕捉这类波形需要 用随机
13、等效时间采样，但使用这种模式要小心，以避免难以觉察的错 误（参考文献 1）。75%10CWNO.Of PIXEL IOTO 65.535AMPLITUDETIME图右 撲拟金辉保留撲式将事件出现频率映像为昱示器上每个燎素的不同亮度或卷色 模仿一台模拟示波器的睛光体呃应 LeCrey供犒）卩SATURATE AT1LEVELSAMPLITUDE在使用余辉模式时，针对希望捕捉的波形，触发器在时间上就波 形而言必须是稳定的。你可以采用触发波形特性或用其它触发源。每 一次触发时，示波器都会获取波形采样，并将与触发时间相关的点显 示在屏幕上。不过它并不在各点之间划线。默认情况下，有些示波器 会增加正弦
14、x/x 插入点，也有一些示波器什么也不加。示波器只是 将点放在屏幕上，或更准确地说，是把点放在显示处理IC的一个数组里，由它在屏幕上画出点。但示波器并不将这些点连 成线，也不试图重新建立输入信号的形状，因为这种尝试可能违反Nyquist 准则。于是示波器一次次地触发。一般来说，它会触发数百甚至数千次。 每次触发时，它都会获取样品，将点放在屏幕上，但它决不会试图去 ，画线”。示波器只是简单地显示与触发时间相关的采样内容。如果 触发器和输入波形是稳定的，则一组点会紧密排列成一根与信号近似 的线形，非常像一个波形。如果由于垂直噪声或时序抖动问题，触发 时间或波形是不稳定的，则余辉显示会将一组点显示成
15、云雾一般。如 果信号形状只是偶尔显示得较大，间歇性离开正轨，那么大部分点形 成正常信号形状，而只有少量点组成不正常的形状。慢速刷新示波器制造商对他们仪器屏幕的快速刷新速率以及控制设臵中 的修改很感兴趣。有些公司把这些属性看成是“模拟示波器的感觉”。 这些要求对示波器的使用方法也同样重要，但是，如果仔细考虑一下 这些要求，很容易会想到它们也许并没有这么夸张。几乎所有数字示 波器的屏幕刷新速率都只有每秒30次或60次，但很多时候每秒要显 示数千个波形。它们的实现方法是在刷新间隔中将多次的变化在屏幕 映像上综合，然后在下次刷新时显示总的效果。示波器工作的这种方法原理上类似于示波器要水平显示1024
16、个像素、百万点深度的记录，而无需你在长长的记录中进行无止境地 滚动搜索。但是，你也可以选择变化到该模式。将 100万个采样压缩 到 1000 个像素列（每个像素列代表 1000 个采样）中的最简单方法 是在每 1000 个采样组中寻找最小和最大的信号值，并点亮列中所有 的像素，从对应最小值的栏直到对应最大值的栏。这种方法会产生一 种，胖”的迹线，它们的发光在宽度上是恒定的。如要显示更多信号 细节，示波器可以确定从最近一次屏幕开始，更新屏幕像素图中每个 点相应的信号电平，并且将每个像素的亮度或颜色关联到相应点的“命中”数上。示波器制造商也正在发现大屏幕的价值，这不是统治起居室的HDTV,也不是某些笔记本电脑上流行的宽屏，而只是比常规示波器的 屏幕稍大。示波器屏幕越大就越容易看清波形的细节。LeCr
