選擇合適的示波器進(jìn)行高速電路調(diào)試和驗(yàn)證

示波器，作為全球使用最廣的通用儀器，伴隨電子設(shè)計(jì)工程師走過了60年的歷程。第一代的模擬實(shí)時(shí)示波器（ART）和第二代的數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO），都有其明顯的缺點(diǎn)?；贒PX數(shù)字熒光技術(shù)的第三代數(shù)字熒光示波器（DPO），結(jié)合了前兩代示波器的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了兩者的缺點(diǎn)。全新一代的數(shù)字熒光技術(shù)進(jìn)一步提升了數(shù)字熒光示波器的實(shí)時(shí)性，使DPO在性能和適用性方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了同等帶寬的ART和DSO，成為當(dāng)前業(yè)界性能最優(yōu)、效率最高、分析能力最強(qiáng)的選擇。為什么DPO具有這樣的能力呢？本文接下來的部分，將結(jié)合DPX技術(shù)的核心，為讀者完整介紹三代示波器在調(diào)試和驗(yàn)證工作中的優(yōu)劣勢(shì)，同時(shí)解答一些已談?wù)撨^多年的疑問。

第一章 示波器技術(shù)的發(fā)展和演變

泰克的 511模擬實(shí)時(shí)示波器，標(biāo)志著商用示波器時(shí)代的到來。511之前也有一些“示波器”產(chǎn)品，但是由于其沒有觸發(fā)系統(tǒng)和校準(zhǔn)的時(shí)基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進(jìn)行定量測(cè)試，所以只是一種定性觀測(cè)的工具。511首次在“示波器”這種測(cè)試設(shè)備中加入了邊沿觸發(fā)以顯示穩(wěn)定波形、使用校準(zhǔn)的時(shí)基和垂直放大器以提供定量測(cè)試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。

模擬實(shí)時(shí)示波器發(fā)展到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，下圖是一個(gè)基本的結(jié)構(gòu)框圖：

圖1: 模擬示波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

模擬實(shí)時(shí)示波器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有信號(hào)的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號(hào)調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號(hào)進(jìn)入放大器（或探頭）到最后在CRT上顯示，幾乎是實(shí)時(shí)（延遲時(shí)間幾乎可以忽略）的。

但 是，模擬示波器也有死區(qū)時(shí)間，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的信號(hào)是不能顯示在屏幕上的。這個(gè)死區(qū)時(shí)間來自于觸發(fā)系統(tǒng)的“觸發(fā)抑止（hold off）”和等待觸發(fā)的時(shí)間。所以，模擬示波器也不是能100％地捕獲信號(hào)。不同型號(hào)的模擬實(shí)時(shí)示波器，最大波形捕獲概率大約從30％～70％不等，掃描速度最快可達(dá)50萬次/秒。這是一個(gè)非常好的指標(biāo)。

再來看模擬示波器顯示的方式——CRT陰極射線管。電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)，再轟擊顯示屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光形成波形軌跡。當(dāng)電子束停止轟擊后，亮點(diǎn)不會(huì)立即消失而要保留一段余輝時(shí)間。余輝時(shí)間10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s 為中余輝，0．1s-1s為長(zhǎng)余輝，大于1s為極長(zhǎng)余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長(zhǎng)余輝。在余輝效應(yīng)的作用下，波形軌跡上每一點(diǎn)的亮度，和被轟擊的次數(shù)（頻度）成正比關(guān)系。因此，模擬實(shí)時(shí)示波器顯示的波形，不僅有時(shí)間和幅度的信息，還能以亮度等級(jí)表示信號(hào)出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測(cè)。

但是在另一方面，熒光物質(zhì)發(fā)光的這一特性也帶來了一個(gè)問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會(huì)很低，甚至根本無法觀測(cè)到。所以模擬示波器比較適合于重復(fù)信號(hào)（如連續(xù)正弦波）或者有重復(fù)特性的信號(hào)（如模擬視頻信號(hào)）。而對(duì)單次信號(hào)（如單個(gè)脈沖或偶發(fā)故障）的觀測(cè)能力非常有限。

總結(jié)起來，模擬實(shí)時(shí)示波器有以下幾點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)、波形捕獲概率高、直觀的三維（時(shí)間、幅度和信號(hào)出現(xiàn)概率）顯示方式。缺點(diǎn)主要在于：無法存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、分析能力有限、對(duì)低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡(jiǎn)單、預(yù)觸發(fā)延時(shí)不足和帶寬提升困難（從前端放大器到CRT必須同時(shí)提升）等。隨著數(shù)字化運(yùn)動(dòng)的興起和越來越多的單次信號(hào)測(cè)量需求，模擬示波器這些缺點(diǎn)使其漸漸不再能滿足測(cè)試需求，所以從上世紀(jì)80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉(zhuǎn)向數(shù)字示波器的研發(fā)和生產(chǎn)。

第一代數(shù)字示波器現(xiàn)在被稱為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO），使用串行的工作結(jié)構(gòu)。原理框圖如下：

圖2: 數(shù)字存儲(chǔ)示波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

數(shù)字存儲(chǔ)示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測(cè)的模擬波形最終可以以數(shù)據(jù)的格式存儲(chǔ)。當(dāng)然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量、頻譜分析、數(shù)學(xué)計(jì)算或者其它高級(jí)分析。所以數(shù)字示波器特別適于單次信號(hào)的采集和分析，這是一個(gè)很大的突破。

另外一方面，數(shù)字存儲(chǔ)示波器在ADC以后就是全數(shù)字化處理，所以帶寬的提升僅受限于可變?cè)鲆娴那爸梅糯笃鲙捄虯DC的速率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在，泰克 TDS6154C是業(yè)界真實(shí)模擬代寬最高的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，達(dá)到12.5GHz(3dB)。由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設(shè)計(jì)都采用每一個(gè)通道獨(dú)立的硬件放大器設(shè)計(jì)方法，這樣保證每一個(gè)通道的性能沒有限制。當(dāng)每一個(gè)通道放大器的設(shè)計(jì)帶寬不足時(shí)，有些示波器通過DBI技術(shù)利用示波器每一個(gè)通道6GHZ的低帶寬放大器在不同的頻段“拼接”在一起，在某一個(gè)通道上達(dá)到超過6GHZ的帶寬，例如3個(gè)通道的6GHZ頻段“拼接”后達(dá)到18GHZ帶寬。從DBI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的方法可以明顯看出它的優(yōu)點(diǎn)和相應(yīng)的缺陷，最明顯的優(yōu)勢(shì)是利用多通道的低帶寬合并為單通道超過10GHZ的高帶寬，在示波器設(shè)計(jì)中成本最高的放大器和ADC均采用低速設(shè)計(jì)，非常有利于控制成本。由于DBI技術(shù)本質(zhì)上首先經(jīng)過將信號(hào)頻率分配到不同的通道，通過相對(duì)低速的ADC進(jìn)行采樣，最后通過DSP技術(shù)將這些包含不同分量的頻率數(shù)字“拼接”，它會(huì)導(dǎo)致以下幾個(gè)限制。