示波器：不是“拿来主义”

作者：EDN特约技术编辑 Dan Strassberg

欢迎访问e展厅 展厅 6 电子测量仪器展厅 万用表, 示波器, 电子测试仪器, 信号发生器, 信号分析仪, ... 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，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.microsoft.com)。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 Gbps 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6.67% 的余量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应更接近于需要的响应（一般是一个四阶Bessel低通滤波器）。 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）。 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 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置中的修改很感兴趣。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 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。LeCroy数年前就用 WaveSurfer 系列产品开始顺应这个趋势，至少是在一些占位面积小的示波器上，该系列支持10.4英寸对角线、SVGA、800×600像素屏幕，外壳深度为6英寸，不超过 Tektronix TDS3000B的占用空间，而后者的屏幕只有6.4英寸。WaveSurfer 的屏幕面积比 Tek 示波器屏幕要大 2.5倍。现在，LeCroy 又在大屏幕、小体积示波器中增加了性能更高的产品。WaveRunner Xi系列的三种产品起价为7500美元，外形尺寸与 WaveSurfers 相同，也带有10.4英寸的 SVGA 屏。 Tek不甘落后，它的新型 DPO7000系列在屏幕尺寸和分辨率上超过了LeCroy。DPO7000屏幕对角线为12.1英寸，它们的面积约是6.4英寸屏幕的3.6倍，能够提供XGA、1024×768像素分辨率。近12英寸的外形深度几乎是LeCroy小型示波器的两倍，但仍比大多数示波器薄。DPO7000（图3）是该系列的顶级产品，可以容纳多至400M采样深度的存储器，所有这些都可以分配给一个通道，这也挑战了LeCroy在存储深度上的长期统治地位。 尽管工程师们很欢迎大屏幕和小外形体积，但那些要将示波器集成为更大系统（如用于生产测试）的工程师却对新外壳尺寸不太感冒。对他们来说，最关键的是要选择占用最小机架空间的系统部件。新的外壳高度大于多数传统示波器。看来解决高度问题的方法要依靠 LXI（仪器的LAN扩展）了，这是系统部件仪器的一个新标准。你可以将矮型的 LXI 示波器想象成屏幕平放在仪器顶上，使用时要将屏幕沿滑轨拉向前方，再向下转至垂直位置。 超越 20 GHz 如果要对数字示波器技术的现状作一个调查，不讨论最高带宽示波器就不算完整，工程师们习惯把这类仪器叫做顺序采样示波器。在一年前 LeCroy 的 WaveExpert（图4）和 SDA100G 系列面世前，“顺序采样”这个词一直是恰当的，那时只有两家供应商，Agilent 和 Tektronix。 LeCroy 的仪器实际上改写了工程师们设计超宽带仪器的历史（不同厂家的超宽带可从 70 GHz ~ 100 GHz）。在产品推出时，LeCroy 只是简单地把自己的仪器叫做采样示波器，因为“顺序”这个词并不适用。但没有“采样”字样是因为所有数字示波器都是采样示波器。今年，LeCroy 用一个新词“NRO”（近乎实时示波器）解决了术语问题，并在自己的产品中增加了一个 NRO 系列。 这个类型中的所有示波器（包括 LeCroy 的产品）都依赖于信号的重复出现。它不需要以一个恒定速率重现，但必须在触发信号后跟一个基本是固定的延迟。传统的连续采样示波器对输入波形的重复只捕捉一个采样，每次新的触发都会将采样点逐次提前。因此，虽然这些示波器有极高的带宽，但采集波形却很慢。这种低速度使这类仪器被排除在很多常见的示波器应用之外。 在某些这类示波器中，模拟采样器与示波器主机是分离的。采样器是所谓的零阶保持电路，它用易变的飞秒级（femtosecond）孔径捕捉输入信号，将捕获的电压保持数十微秒。因此，采样器的输出是一个数千兆赫信号的频率相对较低的复本。从采样器输出以后，示波器要处理的模拟信号频率相对较低。这些示波器中的 ADC 通常是高分辨率（14 b 以上）的逐次逼近型器件，转换速率不高于数百千赫兹。传统顺序采样示波器的存储深度很少超过 100 k 采样。 带宽达 100 GHz 采样技术的发展催生了 LeCroy 产品，它用适宜的采样插件，实现业界领先的 100 GHz 带宽，ADC 与内存技术的发展使得实现一个与顺序采样仪器有相当区别的架构成为可能。LeCroy 的仪器不是对每个输入波形重复只获取一次采样，而是要捕捉多次。公司称采样速率是最快速竞争产品的 50 倍。另外，还可以实现数亿次采样的存储深度，内置的时钟恢复功能能使示波器在很多情况下实现不用外部触发就可运作。这些示波器还可以容纳内置分析功能，它可能是你希望唯有实时采样示波器具有的功能。所以，这些示波器可以承担很多应用，而竞争对手仪器的数据采集速度太慢，无法捕捉到所需长度的记录，它们需要外部设备来完成触发，或者在做少量分析时界面过于复杂。 与Agilent（图5）和Tek一样，LeCroy 也提供了光电转换器，可以允许其超宽带示波器用于光纤通信系统的测量。但与其竞争对手不同，LeCroy 现在并不提供这些示波器的差分输入插件。因此，要同时查看四个超过20GHz的差分信号，你就需要两台 LeCroy 主机，而竞争对手的只需一台就能完成。 参考文献 1. Pupalaikis, Peter J, Random Interleaved Sampling, November 2005, www.lecroy.com/tm/library/registerPDF.asp?wp=577. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/12/2006)