現(xiàn)代數(shù)字示波器可以在測(cè)量和分析方面大顯身手。但要得心應(yīng)手地使用這些先進(jìn)功能，你需要先做好準(zhǔn)備工作。

要 點(diǎn)

工程師們需要有源差分探頭，尤其在處理高速串行總線時(shí)。示波器廠家在如何更好地設(shè)計(jì)這種探頭方面有分歧。雖然探測(cè)寬帶電路總會(huì)影響被測(cè)信號(hào)，但經(jīng)良好設(shè)計(jì)的探頭會(huì)將負(fù)載效應(yīng)降至。

為了響應(yīng)用戶希望看到更多波形細(xì)節(jié)的需求，有些新的示波器屏幕對(duì)角線尺寸達(dá)到 12.1 英寸。
在測(cè)量的帶寬時(shí)，新型 NRO（近乎實(shí)時(shí)示波器）可以減少順序采樣儀器的缺點(diǎn)，提供快速的波形采集和深度存儲(chǔ)。

人們經(jīng)常說，電子工程師們總是幸運(yùn)的，能有一種觀看到內(nèi)部過程的工具，例如示波器可以看到電路和系統(tǒng)的內(nèi)部工作情況，其它行業(yè)沒有能展露這些東西的工具。盡管示波器已經(jīng)為用戶提供了如此豐富的內(nèi)容，制造商們?nèi)栽谂ふ沂箖x器更加超值的方法。毫無疑問，示波器設(shè)計(jì)師的原動(dòng)力仍然是老三樣，那就是：“更快”（指帶寬和采樣率）、“更深”（指采集存儲(chǔ)的深度），以及“更便宜”。但讓示波器更有用的方式還不止這些，而且發(fā)展速度也不亞于帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度。

過去幾年來，示波器分析與計(jì)算能力的提升沒有顯露出任何減緩跡象。但是，增加分析能力只是設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大計(jì)算能力示波器的挑戰(zhàn)之一。另一個(gè)重要方面是要保證終用戶不會(huì)對(duì)新的先進(jìn)功能望而生畏。如果一個(gè)示波器的功能讓用戶使用起來非常困難，甚至寧肯放棄不用，那么這類功能還是不增加為好。示波器設(shè)計(jì)師經(jīng)常把自己的作品比作汽車，而把可用性問題表述為“如何‘驅(qū)動(dòng)’一臺(tái)儀器?！?/P>

雖然示波器在電子工程師工作中有重要的地位，但大多數(shù)工程師仍只是把這種儀器看成工具而已，它是完成任務(wù)的附屬品，而不是工作的目標(biāo)。更方便使用既是對(duì)這種態(tài)度的響應(yīng)，也是一種鼓勵(lì)；當(dāng)你無需考慮技術(shù)問題就能完成測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)過程是好的。此外，在這個(gè)有嚴(yán)格計(jì)劃和預(yù)算的領(lǐng)域里，可能很少有時(shí)間考慮那些對(duì)完成工作似乎不太重要的問題。小心！這種想法可能很危險(xiǎn)（見附文1“校準(zhǔn)示波器的高頻振幅：比你的想像更困難”）?，F(xiàn)代示波器似乎使困難的測(cè)量變得容易，但測(cè)量結(jié)果并不像它們表現(xiàn)得那么簡單。如果不清楚這個(gè)事實(shí)，不去了解儀器及測(cè)量技術(shù)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤或無意義的結(jié)果，這些缺乏效力的結(jié)果難以得到認(rèn)可，從而要付出高昂代價(jià)做糾正工作。

徒勞的使命

要成為一個(gè)示波器，為你的應(yīng)用選擇的設(shè)備，并盡可能發(fā)揮儀器的優(yōu)勢(shì)，付出努力是必不可少的。有些人甚至稱要找到的示波器或有效的使用方法是徒勞的。首先，在選擇和使用示波器時(shí)，每個(gè)工程師都有自己對(duì)“”和“”的定義。其次，工程師用來選擇示波器的數(shù)據(jù)單和售前文檔都越來越多，有些會(huì)超過 30 頁，還帶有腳注和小字說明。第三，現(xiàn)在很多中檔示波器和幾乎所有示波器都是 建立在PC 基礎(chǔ)上的，通常意味著要以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)版本為基礎(chǔ)。在這些儀器中，Windows 應(yīng)用軟件決定了你使用示波器眾多功能的方法。

示波器的應(yīng)用程序復(fù)雜性至少可與常見的辦公軟件應(yīng)用程序相提并論，如微軟的 Word 和 Excel。大多數(shù)辦公軟件用戶只用到軟件功能的一小部分。示波器用戶也是這樣。此外，很多示波器用戶有一個(gè)共同問題，即他們并不是每天都使用儀器。所以，當(dāng)他們準(zhǔn)備開始使用時(shí)，希望快速得到關(guān)于儀器或被測(cè)設(shè)備問題的答案。換句話說，示波器功能的使用方法應(yīng)是直觀的，盡量遵從用戶熟悉的習(xí)慣用法。

示波器制造商指出，在選擇和有效利用正確儀器方面，有價(jià)值的助手是賣給你或正試圖賣給你示波器的現(xiàn)場(chǎng)工程師，至少對(duì)儀器是這樣。他可以在你購買前，協(xié)助你一步步地與競爭設(shè)備作對(duì)比，提供建議和部件，幫助你有效地使用它。示波器分銷商的代理也可以提供類似的服務(wù)。另外，不要以為你從分銷商買了儀器就得不到廠家的支持。根據(jù)不同制造商和購買的示波器型號(hào)，廠商都可能會(huì)提供支持。記住，大多數(shù)示波器供應(yīng)商的網(wǎng)站都提供很多有價(jià)值的應(yīng)用說明，包含有效使用公司產(chǎn)品的信息。表 1和表 2 匯集了四家主要制造商實(shí)時(shí)采樣示波器的主要規(guī)格。

從探頭開始

討論現(xiàn)代示波器的一個(gè)合適起點(diǎn)是探頭。探頭是儀器與被測(cè)設(shè)備接觸的地方。過去，工程師們?cè)J(rèn)為數(shù)兆赫茲就算是高頻了。現(xiàn)在，探測(cè)千兆赫茲（GHz）的信號(hào)已經(jīng)是很普通的事，一些熟悉的串行總線用3Gbps以上的速率傳輸信號(hào)。示波器廠家建議你的示波器和探頭都應(yīng)該有至少1.8倍于位速率的 -3 dB 帶寬。所以，如果你要在一個(gè)原始位速率為 3.125 Gbps 的總線上工作，你的示波器和探頭應(yīng)至少具有 5.625 GHz 的組合帶寬。（一個(gè)原始位速率為 3.125 Gbps 的總線通常以 2.5 Gbps 承載信息；數(shù)據(jù)流中嵌入的 8 b/10 b時(shí)鐘將信息速率限制在原始位速率的 80%。）示波器制造商公布的接近 5.625 GHz 的帶寬是6GHz。5.625GHz以上6.67% 的余量可以有助于對(duì)探頭的帶寬衰減做出補(bǔ)償。

以下幾點(diǎn)很重要。首先，探測(cè)這種高速串行總線要使用差分有源探頭。在這種速度下，幾乎所有總線都是差分的，信號(hào)擺幅很小，原因有幾點(diǎn)：與單端電路不同，差分接收器能夠抑制共?！霸肼暋?，因而可以使用較小的信號(hào)擺幅；差分電路的輻射噪聲亦較少，電源線路更不易受瞬態(tài)負(fù)載干擾。但較小的信號(hào)擺幅對(duì)無源探頭是不利的，它會(huì)減少容性負(fù)載，通常會(huì)造成輸入信號(hào)的衰減。其次，不可能用兩個(gè)示波器輸入端觀察一個(gè)差分信號(hào)。因?yàn)檫@種方法不僅會(huì)使示波器上的通道數(shù)減半，而且輸入端子也不足以與頻率很好地匹配，結(jié)果是屏幕上會(huì)顯示根本不存在的波形。

數(shù)千兆赫 帶寬的差分有源探頭都非常小巧，它們的復(fù)雜度在今后幾年還會(huì)上升。制造商并不認(rèn)為有的方法來設(shè)計(jì)和描述這些設(shè)備的特性，但所有制造商都同意一個(gè)事實(shí)：如果你要獲取數(shù)千兆赫的信號(hào)，將探頭連接到被測(cè)設(shè)備上一定會(huì)增加被測(cè)信號(hào)的負(fù)載。

制造商并不認(rèn)為這個(gè)負(fù)載一定會(huì)對(duì)你希望看到的波形造成大的影響。然而，除非探頭設(shè)計(jì)得非常仔細(xì)，否則負(fù)載效應(yīng)不僅會(huì)很明顯，而且會(huì)使糟糕的波形顯示得很完美，或正好相反。例如，探頭引入的誤差可以使一個(gè)好的波形表現(xiàn)為違反眼圖遮蔽，或者可以使一個(gè)原本違反遮蔽的波形看起來正常。

眾所周知，探頭會(huì)給被測(cè)設(shè)備增加容性負(fù)載。但是，探頭的串接電感對(duì)于數(shù)千兆赫的響應(yīng)有重要的影響。此外，探頭的并聯(lián)電容與串聯(lián)電感之間的共振也對(duì)被測(cè)設(shè)備負(fù)載和探頭頻率響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)有很大的影響。

探頭智能化

主要示波器制造商的現(xiàn)代探頭系統(tǒng)都有在示波器與探頭間雙向通信的功能?，F(xiàn)代有源探頭的功能不僅是將探頭針上的波形經(jīng)放大或緩沖后送給示波器，示波器也不僅完成向探頭提供電源的功能。例如，LeCroy 的型探頭（見圖1）可以存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)中不僅包括探頭的偏移電壓和直流增益，還有高頻增益和高頻相位（延遲）等特性數(shù)據(jù)。LeCroy的產(chǎn)品管理總監(jiān)Mike Lauterbach 博士認(rèn)為，所有制造商的超寬帶示波器都使用了DSP技術(shù)，以修正垂直放大器的高頻增益和高頻相位特性。這種修正改善了響應(yīng)，使之比未經(jīng)修正的放大器響應(yīng)更接近于需要的響應(yīng)（一般是一個(gè)四階Bessel低通濾波器）。

但就Lauterbach所知，只有LeCroy的WaveLink探頭系列現(xiàn)在具有算法修正的探頭響應(yīng)。當(dāng)你在該肽誚恢aveLink探頭連接到一臺(tái)兼容的LeCroy示波器上時(shí)，修正功能會(huì)上載探頭的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，為探頭的交流特性對(duì)示波器通道的垂直響應(yīng)（出廠時(shí)測(cè)定，或者用LeCroy提供的夾具對(duì)探頭作的特性描述）做出補(bǔ)償。LeCroy使用了有校準(zhǔn)功能的探頭，它的11GHz示波器可提供更窄的 -3dB帶寬，優(yōu)于Agilent或Tektronix 的近似型號(hào)，在所有10GHz以上的實(shí)時(shí)示波器中，它具有的高頻交流響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。LeCroy還指出了它與至少一個(gè)競爭對(duì)手的區(qū)別，那就是目前它不是用DSP擴(kuò)展示波器的帶寬。

也許你沒有注意過，現(xiàn)代寬帶示波器都沒有對(duì)應(yīng)于10% ~ 90% 上升時(shí)間的頻率響應(yīng)，原有的公式是 TR=0.35/BW，其中TR=10% ~ 90% 上升時(shí)間，BW=-3dB帶寬。而從下式無法確定示波器與探頭的組合上升時(shí)間：

首先，你必須仔細(xì)查看數(shù)據(jù)表的說明，以確定每個(gè)上升時(shí)間規(guī)格是否適用于信號(hào)輸入步長幅度從 10% ~ 90%（或 20% ~ 80%）的時(shí)間。有時(shí)制造商會(huì)列出兩個(gè)上升時(shí)間。有些總線物理層標(biāo)準(zhǔn)只用了 20% ~ 80% 的值，此時(shí)用 10% ~ 90% 的值只會(huì)造成混亂。除了“哪個(gè)上升時(shí)間”問題以外，老公式也不適用于新示波器和探頭，因?yàn)樾略O(shè)備的高頻滾降特性與模擬示波器不同，而這是舊規(guī)則成立的基礎(chǔ)。如要了解更多有關(guān)深存儲(chǔ)器的內(nèi)容，以及在長長的波形記錄中尋找異常的方法，請(qǐng)見附文2“采樣存儲(chǔ)：深?yuàn)W的主題”。

余輝模式

余輝保留模式并不完全像很多人想象的那樣工作（圖2）。為避免混淆，下面作一個(gè)簡單的說明，并且適用于所有品牌的示波器。注意余輝模式通常能夠?qū)崟r(shí)捕捉到高于示波器頻率的正確波形（因?yàn)橛邢薜膶?shí)時(shí)采樣率）。很多示波器用戶錯(cuò)誤地認(rèn)為，捕捉這類波形需要用隨機(jī)等效時(shí)間采樣，但使用這種模式要小心，以避免難以覺察的錯(cuò)誤。

在使用余輝模式時(shí)，針對(duì)希望捕捉的波形，觸發(fā)器在時(shí)間上就波形而言必須是穩(wěn)定的。你可以采用觸發(fā)波形特性或用其它觸發(fā)源。每觸發(fā)時(shí)，示波器都會(huì)獲取波形采樣，并將與觸發(fā)時(shí)間相關(guān)的點(diǎn)顯示在屏幕上。不過它并不在各點(diǎn)之間劃線。默認(rèn)情況下，有些示波器會(huì)增加正弦 x/x 插入點(diǎn)，也有一些示波器什么也不加。示波器只是將點(diǎn)放在屏幕上，或更準(zhǔn)確地說，是把點(diǎn)放在顯示處理 IC 的一個(gè)數(shù)組里，由它在屏幕上畫出點(diǎn)。但示波器并不將這些點(diǎn)連成線，也不試圖重新建立輸入信號(hào)的形狀，因?yàn)檫@種嘗試可能違反 Nyquist 準(zhǔn)則。

于是示波器次地觸發(fā)。一般來說，它會(huì)觸發(fā)數(shù)百甚至數(shù)千次。每次觸發(fā)時(shí)，它都會(huì)獲取樣品，將點(diǎn)放在屏幕上，但它決不會(huì)試圖去“畫線”。示波器只是簡單地顯示與觸發(fā)時(shí)間相關(guān)的采樣內(nèi)容。如果觸發(fā)器和輸入波形是穩(wěn)定的，則一組點(diǎn)會(huì)緊密排列成一根與信號(hào)近似的線形，非常像一個(gè)波形。如果由于垂直噪聲或時(shí)序抖動(dòng)問題，觸發(fā)時(shí)間或波形是不穩(wěn)定的，則余輝顯示會(huì)將一組點(diǎn)顯示成云霧一般。如果信號(hào)形狀只是偶爾顯示得較大，間歇性離開正軌，那么大部分點(diǎn)形成正常信號(hào)形狀，而只有少量點(diǎn)組成不正常的形狀。

慢速刷新

示波器制造商對(duì)他們儀器屏幕的快速刷新速率以及控制設(shè)置中的修改很感興趣。有些公司把這些屬性看成是“模擬示波器的感覺”。這些要求對(duì)示波器的使用方法也同樣重要，但是，如果仔細(xì)考慮一下這些要求，很容易會(huì)想到它們也許并沒有這么夸張。幾乎所有數(shù)字示波器的屏幕刷新速率都只有每秒30次或60次，但很多時(shí)候每秒要顯示數(shù)千個(gè)波形。它們的實(shí)現(xiàn)方法是在刷新間隔中將多次的變化在屏幕映像上綜合，然后在下次刷新時(shí)顯示總的效果。

示波器工作的這種方法原理上類似于示波器要水平顯示 1024 個(gè)像素、百萬點(diǎn)深度的記錄，而無需你在長長的記錄中進(jìn)行無止境地滾動(dòng)搜索。但是，你也可以選擇變化到該模式。將100萬個(gè)采樣壓縮到 1000 個(gè)像素列（每個(gè)像素列代表 1000 個(gè)采樣）中的簡單方法是在每 1000 個(gè)采樣組中尋找和的信號(hào)值，并點(diǎn)亮列中所有的像素，從對(duì)應(yīng)值的欄直到對(duì)應(yīng)值的欄。這種方法會(huì)產(chǎn)生一種“胖”的跡線，它們的發(fā)光在寬度上是恒定的。如要顯示更多信號(hào)細(xì)節(jié)，示波器可以確定從近屏幕開始，更新屏幕像素圖中每個(gè)點(diǎn)相應(yīng)的信號(hào)電平，并且將每個(gè)像素的亮度或顏色關(guān)聯(lián)到相應(yīng)點(diǎn)的“命中”數(shù)上。

示波器制造商也正在發(fā)現(xiàn)大屏幕的價(jià)值，這不是統(tǒng)治起居室的 HDTV，也不是某些筆記本電腦上流行的寬屏，而只是比常規(guī)示波器的屏幕稍大。示波器屏幕越大就越容易看清波形的細(xì)節(jié)。LeCroy數(shù)年前就用 WaveSurfer 系列產(chǎn)品開始順應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)，至少是在一些占位面積小的示波器上，該系列支持10.4英寸對(duì)角線、SVGA、800×600像素屏幕，外殼深度為6英寸，不超過 Tektronix TDS3000B的占用空間，而后者的屏幕只有6.4英寸。WaveSurfer 的屏幕面積比 Tek 示波器屏幕要大 2.5倍?，F(xiàn)在，LeCroy 又在大屏幕、小體積示波器中增加了性能更高的產(chǎn)品。WaveRunner Xi系列的三種產(chǎn)品起價(jià)為7500美元，外形尺寸與 WaveSurfers 相同，也帶有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過了LeCroy。DPO7000屏幕對(duì)角線為12.1英寸，它們的面積約是6.4英寸屏幕的3.6倍，能夠提供XGA、1024×768像素分辨率。近12英寸的外形深度幾乎是LeCroy小型示波器的兩倍，但仍比大多數(shù)示波器薄。DPO7000（圖3）是該系列的產(chǎn)品，可以容納多至400M采樣深度的存儲(chǔ)器，所有這些都可以分配給一個(gè)通道，這也挑戰(zhàn)了LeCroy在存儲(chǔ)深度上的長期統(tǒng)治地位。

盡管工程師們很歡迎大屏幕和小外形體積，但那些要將示波器集成為更大系統(tǒng)（如用于生產(chǎn)測(cè)試）的工程師卻對(duì)新外殼尺寸不太感冒。對(duì)他們來說，關(guān)鍵的是要選擇占用機(jī)架空間的系統(tǒng)部件。新的外殼高度大于多數(shù)傳統(tǒng)示波器。看來解決高度問題的方法要依靠 LXI（儀器的LAN擴(kuò)展）了，這是系統(tǒng)部件儀器的一個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)。你可以將矮型的 LXI 示波器想象成屏幕平放在儀器頂上，使用時(shí)要將屏幕沿滑軌拉向前方，再向下轉(zhuǎn)至垂直位置。

超越 20 GHz

如果要對(duì)數(shù)字示波器技術(shù)的現(xiàn)狀作一個(gè)調(diào)查，不討論帶寬示波器就不算完整，工程師們習(xí)慣把這類儀器叫做順序采樣示波器。在一年前 LeCroy 的 WaveExpert（圖4）和 SDA100G 系列面世前，“順序采樣”這個(gè)詞一直是恰當(dāng)?shù)模菚r(shí)只有兩家供應(yīng)商，Agilent 和 Tektronix。

LeCroy 的儀器實(shí)際上改寫了工程師們?cè)O(shè)計(jì)超寬帶儀器的歷史（不同廠家的超寬帶可從 70 GHz ~ 100 GHz）。在產(chǎn)品推出時(shí)，LeCroy 只是簡單地把自己的儀器叫做采樣示波器，因?yàn)椤绊樞颉边@個(gè)詞并不適用。但沒有“采樣”字樣是因?yàn)樗袛?shù)字示波器都是采樣示波器。今年，LeCroy 用一個(gè)新詞“NRO”（近乎實(shí)時(shí)示波器）解決了術(shù)語問題，并在自己的產(chǎn)品中增加了一個(gè) NRO 系列。

這個(gè)類型中的所有示波器（包括 LeCroy 的產(chǎn)品）都依賴于信號(hào)的重復(fù)出現(xiàn)。它不需要以一個(gè)恒定速率重現(xiàn)，但必須在觸發(fā)信號(hào)后跟一個(gè)基本是固定的延遲。傳統(tǒng)的連續(xù)采樣示波器對(duì)輸入波形的重復(fù)只捕捉一個(gè)采樣，每次新的觸發(fā)都會(huì)將采樣點(diǎn)逐次提前。因此，雖然這些示波器有極高的帶寬，但采集波形卻很慢。這種低速度使這類儀器被排除在很多常見的示波器應(yīng)用之外。

在某些這類示波器中，模擬采樣器與示波器主機(jī)是分離的。采樣器是所謂的零階保持電路，它用易變的飛秒級(jí)（femtosecond）孔徑捕捉輸入信號(hào)，將捕獲的電壓保持?jǐn)?shù)十微秒。因此，采樣器的輸出是一個(gè)數(shù)千兆赫信號(hào)的頻率相對(duì)較低的復(fù)本。從采樣器輸出以后，示波器要處理的模擬信號(hào)頻率相對(duì)較低。這些示波器中的 ADC 通常是高分辨率（14 b 以上）的逐次逼近型器件，轉(zhuǎn)換速率不高于數(shù)百千赫茲。傳統(tǒng)順序采樣示波器的存儲(chǔ)深度很少超過 100 k 采樣。

帶寬達(dá) 100 GHz

采樣技術(shù)的發(fā)展催生了 LeCroy 產(chǎn)品，它用適宜的采樣插件，實(shí)現(xiàn)業(yè)界的 100 GHz 帶寬，ADC 與內(nèi)存技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)現(xiàn)一個(gè)與順序采樣儀器有相當(dāng)區(qū)別的架構(gòu)成為可能。LeCroy 的儀器不是對(duì)每個(gè)輸入波形重復(fù)只獲取采樣，而是要捕捉多次。公司稱采樣速率是快速競爭產(chǎn)品的 50 倍。另外，還可以實(shí)現(xiàn)數(shù)億次采樣的存儲(chǔ)深度，內(nèi)置的時(shí)鐘恢復(fù)功能能使示波器在很多情況下實(shí)現(xiàn)不用外部觸發(fā)就可運(yùn)作。這些示波器還可以容納內(nèi)置分析功能，它可能是你希望唯有實(shí)時(shí)采樣示波器具有的功能。所以，這些示波器可以承擔(dān)很多應(yīng)用，而競爭對(duì)手儀器的數(shù)據(jù)采集速度太慢，無法捕捉到所需長度的記錄，它們需要外部設(shè)備來完成觸發(fā)，或者在做少量分析時(shí)界面過于復(fù)雜。

與Agilent和Tek一樣，LeCroy 也提供了光電轉(zhuǎn)換器，可以允許其超寬帶示波器用于光纖通信系統(tǒng)的測(cè)量。但與其競爭對(duì)手不同，LeCroy 現(xiàn)在并不提供這些示波器的差分輸入插件。因此，要同時(shí)查看四個(gè)超過20GHz的差分信號(hào)，你就需要兩臺(tái) LeCroy 主機(jī)，而競爭對(duì)手的只需一臺(tái)就能完成。

個(gè)問題是你需要調(diào)準(zhǔn)電纜輸出端的發(fā)生器輸出。即使用了的電纜（它們的價(jià)格不低于 1000 美元），在數(shù)千兆赫范圍也會(huì)有振幅損耗。用信號(hào)發(fā)生器測(cè)量振幅的方法是在連接示波器電纜的端點(diǎn)使用一個(gè)高質(zhì)量、經(jīng)校準(zhǔn)的功率分配器。

功率分配器的一個(gè)輸出直接連接到一個(gè) RF 功率表的功率頭，該功率表已經(jīng)對(duì)正在測(cè)量的頻率范圍和功率電平作過校準(zhǔn)。如果你測(cè)試的是所有區(qū)段范圍電壓，這種測(cè)量通常需要一個(gè)以上的功率頭。功率表讀數(shù)會(huì)自動(dòng)顯示每個(gè)頻率步長的輸出電平。在一個(gè)自動(dòng)校準(zhǔn)系統(tǒng)中，可以在計(jì)算機(jī)控制下完成這個(gè)步驟。手工操作也能夠完成這個(gè)過程，但費(fèi)時(shí)相當(dāng)多。

反射

第二個(gè)問題無疑會(huì)在很多情況下出現(xiàn)，這就是處理來自示波器輸入端的反射。實(shí)際上，用戶測(cè)量的就是疊加了反射的信號(hào)。示波器輸入不是完美的 50Ω 端結(jié)。不同的衰減器采用繼電器或電子開關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。由于路徑不同，因此在不同頻率下它們就會(huì)產(chǎn)生反射。

示波器供應(yīng)商致力于減少這些反射，但它們實(shí)現(xiàn)的性能基本相同：在通帶上傳輸?shù)?VSWR（電壓駐波比）可以從完美的 1:1 直到 1.35:1。當(dāng)終端將能量反射回線路上時(shí)，反射會(huì)在與電纜長度相關(guān)的某些頻率上形成駐波。由于它們是在不同頻率上呈現(xiàn)反射，不同型號(hào)的示波器對(duì)相同的發(fā)生器和電纜組合測(cè)量出的振幅是不同的。

用戶降低這一效應(yīng)的辦法是在示波器的輸入端安裝一個(gè)高質(zhì)量的 6 dB 衰減器，并在衰減器上連接功率分配器輸出。衰減器可以將返回?fù)p耗改善 6 dB，從而降低了電纜反射的影響。

如您所見，在各種頻率上測(cè)定示波器振幅的方法是非常復(fù)雜的。所有示波器制造商都在設(shè)計(jì)中竭盡全力，對(duì)設(shè)計(jì)師用于儀器校準(zhǔn)的復(fù)雜系統(tǒng)做出驗(yàn)證。如果只用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器和電纜就試圖手工完成這種測(cè)量工作，是不可能得到期望的結(jié)果的。

示波器領(lǐng)域中的一大問題是對(duì)更多采集內(nèi)存不斷增長的需求。在主要制造商中，只有 Tektronix 能以相對(duì)較小的存儲(chǔ)器（2500 ～10000 采樣/通道）而仍保持在臺(tái)式示波器領(lǐng)域的增長。TDS3000B 系列是輕量、飯盒大小的儀器，有極具吸引力的價(jià)格。這些示波器的 FISO（快入/慢出）架構(gòu)可以快速存儲(chǔ)對(duì)CCD（電荷耦合器件）式 IC的模擬實(shí)時(shí)采樣，有時(shí)也把它稱作模擬移位寄存器。從這些 IC 的采樣移到適當(dāng)速度的ADC。Tek 在建立更多 FISO 示波器方面超過了所有競爭對(duì)手采用的其它架構(gòu)。FISO 有較好性價(jià)比，但前提是容忍它的局限性。預(yù)計(jì)在今后幾年里，Tek 會(huì)以相當(dāng)?shù)呐坷^續(xù)銷售這些或類似示波器。但是與示波器銷售總量相比，F(xiàn)ISO示波器將越來越少出現(xiàn)在設(shè)計(jì)工程師的實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上。實(shí)際上，這類示波器將更多出現(xiàn)在維護(hù)與修理工作中，這也是它們現(xiàn)在應(yīng)用普遍的領(lǐng)域。

除了 Tek 的 FISO 產(chǎn)品系列，深度存儲(chǔ)也很熱門，并且預(yù)計(jì)不會(huì)很快冷下來。原因是，隨著示波器帶寬的增長，儀器的采集速率也必須成比例增長，并且當(dāng)采樣速率增加時(shí)，一個(gè)已知持續(xù)時(shí)間記錄所包含的采樣也會(huì)成比例地增加。例如，要捕捉一個(gè)15 GHz 信號(hào)，必須至少達(dá)到 40G S/s采樣速度。一個(gè)20 ms的記錄（持續(xù)時(shí)間等于50 Hz時(shí)的一個(gè)周期）就會(huì)至少包含 800M個(gè)采樣。要在四個(gè)通道上實(shí)現(xiàn)這個(gè)記錄長度，需要一臺(tái)總采樣存儲(chǔ)為3.2G個(gè)采樣的示波器。應(yīng)記住這個(gè)存儲(chǔ)器必須能更快存儲(chǔ)，因此比PC上的存儲(chǔ)器更貴。在40G S/s時(shí)，示波器必須每25ps存儲(chǔ)一個(gè)新的采樣！目前沒有一家公司能銷售這種示波器。如果今天確實(shí)有一款這種示波器，它的售價(jià)很容易達(dá)到 25 萬美元。但這并不是說今后幾年不可能推出這種產(chǎn)品。而且當(dāng)它出現(xiàn)時(shí)，售價(jià)估計(jì)會(huì)低于25萬美元。

2006年1月4日，Tektronix推出了它的DPO7000系列，該系列是四個(gè)通道、500MHz、1GHz和 2.5GHz帶寬的產(chǎn)品，美國的基本價(jià)為 1.4萬美元~2.49萬美元。選擇這種帶寬表明 Tek 將初的注意力集中在錢的一個(gè)市場(chǎng)段。較低性能的示波器銷售量很大，但價(jià)格較低。高性能示波器單價(jià)會(huì)超過 10 萬美元，但出貨量卻不高。當(dāng)所有通道都使用時(shí)，該系列性能的產(chǎn)品（25 GHz 帶寬的 DPO7254）可以捕捉 10 G 采樣/秒/通道。以 1.5 萬美元的高價(jià)，可以買到的示波器帶有 100 M 采樣/通道的存儲(chǔ)器。此外，如果你只使用一個(gè)通道，也可以將所有 400 M B分配給工作的通道。但是，與過去幾年已成業(yè)界事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相反，即未用通道的存儲(chǔ)器分配給工作的通道并不能將這些通道的 ADC 分配給工作通道作交錯(cuò)使用。因此，DPO7254 可以以 10G S/s捕捉一個(gè) 2.5 GHz 帶寬信號(hào)的 40 ms 記錄。（見附文3“你需要高采樣率，但 8位不夠?！保?/P>

短暫的異常

能夠捕捉到這么龐大的記錄是一件好壞參半的事。通常情況下，長記錄中有價(jià)值的部分并不多，例如被測(cè)設(shè)備會(huì)表現(xiàn)異常。這些波形才是你希望看到的。但如果記錄有數(shù)千萬或數(shù)億點(diǎn)的深度，而只有少數(shù)異常波形，用目測(cè)方法丟失重要內(nèi)容的概率幾乎是 100%。也許有一天（幸運(yùn)的話會(huì)很快），你的示波器也許有能力對(duì)你應(yīng)看或能夠可靠省略的部分作一個(gè)粗略的篩選。但今天，你得告訴示波器要找什么，而不是要省略什么。然而，如果你考慮一下這個(gè)問題，告訴示波器省略什么（或讓儀器自己決定省略什么）似乎對(duì)用戶更有利。

某種程度上，現(xiàn)代示波器的遮蔽測(cè)試功能可以有助你的研究。有這種功能的示波器可以讓你定義一個(gè)通過/不通過的遮蔽。捕捉的是對(duì)測(cè)量有用的波形。接下來可以顯示出波形，并設(shè)定限制：波形快速上升和下降部分的時(shí)間變化范圍，以及水平（或接近水平）部分的電壓變化范圍，實(shí)際上是建立了正常波形的一個(gè)增厚版。示波器甚至可以用指定遮蔽頻帶默認(rèn)寬帶值的辦法，進(jìn)一步簡化這個(gè)工作。當(dāng)示波器運(yùn)行在遮蔽測(cè)試模式時(shí)，可以從多種取舍動(dòng)作中選擇，讓儀器用該動(dòng)作檢測(cè)一個(gè)落在遮蔽外的波形。例如，示波器可以停止捕捉額外的波形，它可以響起一個(gè)警報(bào)，或者可以給你發(fā)一個(gè)E-mail 信息。

Agilent 和 LeCroy 把示波器使用時(shí)進(jìn)行的遮蔽測(cè)試稱為分段內(nèi)存模式，而 Tek 叫做 FastFrame 模式，它們可能更有用。這些模式可以將一個(gè)大的采集存儲(chǔ)器分成較小的幾部分，使示波器能夠快速捕捉多個(gè)滿足觸發(fā)器條件的波形實(shí)例。例如，如果示波器的采樣存儲(chǔ)器可保存 220 (1M)個(gè)采樣，可以將其分成 64 段 214 (16k)個(gè)采樣。這種模式下，有些示波器每秒可以捕捉到數(shù)量的波形。如果你可以設(shè)置示波器讓它捕捉一個(gè)波形，用遮蔽進(jìn)行測(cè)試，并且如果它在遮蔽內(nèi)（即它符合你為一個(gè)正常波形建立的條件），則下一個(gè)采集的波形會(huì)覆蓋剛采集到的正常波形，這種方法可能很有用。此時(shí)，當(dāng)示波器存儲(chǔ)區(qū)被充滿時(shí)，或當(dāng)你手動(dòng)停止測(cè)試時(shí)，你可以有一個(gè)異常波形庫，每個(gè)波形都標(biāo)記著它在采集序列中的位置。

當(dāng)你確定了示波器要花多長時(shí)間將一個(gè)波形用于遮蔽測(cè)試，以及花多少時(shí)間為下一個(gè)觸發(fā)器重新準(zhǔn)備時(shí)，你不僅能夠知道各個(gè)不被通過波形的樣子，而且還大致了解了波形出問題的區(qū)段，如果有多次不通過模式，你還會(huì)了解到每次發(fā)生時(shí)的相關(guān)可能性。這種“只捕捉不通過波形”模式對(duì)不常出現(xiàn)問題的研究有很大的幫助。

大約在10年前，Tektronix 開發(fā)了一個(gè)完成類似任務(wù)的不同的方法。Tek 現(xiàn)在把這種模式叫做 FastAcq，采用的技術(shù)是 DPX（數(shù)字磷光體），因?yàn)樗梢宰寯?shù)字示波器模仿模擬長余輝保留熒光存儲(chǔ)示波器的特性。其它制造商也開發(fā)了模仿模擬存儲(chǔ)示波器的數(shù)字示波器模式。雖然這些長延時(shí)模式的顯示效果類似 FastAcq，但這些示波器以各自的方法使顯示有明顯的不同。

FastAcq 限于相對(duì)較短的記錄（方法是 1000 個(gè)采樣）。當(dāng)記錄按時(shí)間順序采樣時(shí)，它會(huì)放過正常捕捉的波形，并立即建立一個(gè)三 維像素圖，其中彩色等級(jí)通常用于表現(xiàn)垂直于屏幕的尺寸。FastAcq 用這種方法，可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 25 萬個(gè)波形/秒的捕捉速度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其它廠家的長余輝保留模式。但是，長余輝保留模式可以處理更長的波形記錄。此外，有些示波器會(huì)留住原始的時(shí)間順序記錄，能夠?qū)Σ蹲降臄?shù)據(jù)作順序分析。如果 FastAcq 顯示出一個(gè)準(zhǔn)備研究的異?，F(xiàn)象，則必須用一種示波器標(biāo)準(zhǔn)模式來捕捉另一個(gè)異常實(shí)例。如果異常現(xiàn)象不經(jīng)常出現(xiàn)，這種方法要花一定時(shí)間。

很多應(yīng)用都需要比主流示波器更高分辨率的數(shù)字化操作，如通信、醫(yī)療儀器、超聲NDT（無損檢測(cè)）、音頻和視頻等，但并不需要現(xiàn)代數(shù)字示波器的多觸發(fā)功能。采用如PXI封裝方式的高分辨率數(shù)字化儀器模塊非常適合于這類應(yīng)用，尤其需要多個(gè)通道的應(yīng)用時(shí)（這種情況很多）。IC廠商制造的ADC分辨率已達(dá)24b。

儀器模塊制造商經(jīng)常要在分辨率和采樣速度之間做出權(quán)衡，因此，只有創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和方法才能滿足對(duì)更高采樣速率下高分辨率數(shù)字化的不斷需求。這些技術(shù)有兩種，一種是時(shí)間交錯(cuò)采樣，另一個(gè)是多位 ADC 的線性化。

時(shí)間交錯(cuò)采樣也叫乒乓采樣，用兩個(gè)以上 ADC 交錯(cuò)實(shí)現(xiàn)更高的有效采樣速率。n個(gè)ADC的時(shí)間交錯(cuò)，每個(gè)以fS 速率采樣，得到的有效采樣速率為n×fS。很多現(xiàn)代示波器用這種技術(shù)獲得很好的效果，而對(duì)影響。這是因?yàn)樗鼈儾捎昧诉m度的ADC分辨率，通常是8 b。

在更高分辨率應(yīng)用中，存在一個(gè)困難：如不小心，交錯(cuò)會(huì)產(chǎn)生有害的頻率內(nèi)容。例如，兩個(gè)12b、100M S/s ADC 的乒乓采樣可以實(shí)現(xiàn)12b分辨率的200M S/s的實(shí)際采樣速率。但是，交錯(cuò)的ADC在增益、偏移和相位上不可避免有失配的地方（圖A）。在頻率域中，增益和相位的失配會(huì)在 FFT 上產(chǎn)生圖像毛刺（在 fS/2 的譜線減去基頻），而偏移失配則會(huì)造成偏移毛刺（在 fS/2 的譜線）。更多數(shù)量 ADC 的交錯(cuò)會(huì)導(dǎo)致更多毛刺。

減少毛刺

8 b 系統(tǒng)（如示波器）的設(shè)計(jì)師已經(jīng)知道如何控制這些問題，但在更高分辨率的系統(tǒng)中，降低乒乓毛刺還需要更復(fù)雜的測(cè)量。例如，你可以使用公共基準(zhǔn)電壓、匹配的物理布局以及等長度走線等，實(shí)現(xiàn)經(jīng)典的模擬匹配技術(shù)。但在 12 b 以上分辨率時(shí)，很多這類技術(shù)需要附加電路，它們自身就是誤差的來源（參考文獻(xiàn) A）。

降低乒乓效應(yīng)的另一種技術(shù)是數(shù)字后處理，它可以在主 PC 的軟件中或數(shù)字化器內(nèi)部一片功能強(qiáng)大的 FPGA 中完成。在任何情況下，降低（如果不能完全消除）乒乓造成的圖像毛刺和偏移毛刺是非常重要的。否則，就無法實(shí)現(xiàn)乒乓采樣的目的，只能實(shí)現(xiàn)更高的采樣速度，而不是更高的分辨率。有一個(gè)對(duì)示波器和數(shù)字化器用戶的警告，那就是要特別注意動(dòng)態(tài)規(guī)格中的采樣速度，它們一般在數(shù)據(jù)表腳注的小字里可以找到。

另一個(gè)以更高采樣速度實(shí)現(xiàn)高分辨率的創(chuàng)新技術(shù)是多位ADC 線性化。單個(gè)位ADC 可為低頻應(yīng)用提供高分辨率和大動(dòng)態(tài)范圍。但是，由于有限的采樣速度，單個(gè)位ADC 不適用于高于數(shù)百千赫茲的動(dòng)態(tài)信號(hào)應(yīng)用。多位ADC 可以在高頻率下提供大動(dòng)態(tài)范圍，但要對(duì) ADC 作線性化，以去除固有的非線性成份。

ADC中的非線性成份如何在頻率域中顯示為諧波。National Instruments的Flex II ADC(參考文獻(xiàn)  B)用一片功能強(qiáng)大的 FPGA 和獲的線性化技術(shù)，將這些非線性成份去除，從而在較高采樣速率下提供驚人的動(dòng)態(tài)范圍。

增加的動(dòng)態(tài)范圍使工程師們能夠分析出那些傳統(tǒng)儀器的噪聲本底會(huì)丟失的信號(hào)。

PXI-5922柔性分辨率數(shù)字化器組合有Flex II ADC，可提供高達(dá)15M S/s的高分辨率?？梢詫⑦@單個(gè)數(shù)字化器用于500 K S/s 下的 24 b采樣，或在 15 M S/s下16 b 采樣。