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怎樣選擇一款適合的示波器

伴隨電子科技的飛速發展,數字工程師應用比以往更高碼速率的信號進行數據傳輸和設備通信,同時,射頻工程師也在考慮手中信號的波形,以便更準確地了解和分析問題所在。大家都需要選用合適的示波器作為信號觀察、測試、測量、分析的工具。

隨著示波器技術的發展,示波器經過模擬時代、簡單測量的數字存儲示波器時代,已經發展 成為現代的一種非常復雜的分析工具,具有波形參數測量、數據處理、眼圖、抖動、誤碼率 分析等功能,并支持用戶的自定義二次開發,使示波器具有用戶所需要的獨特功能,對信號 進行實時分析,如圖1所示。示波器的選擇也遠比以往要復雜得多

  

  在示波器的選擇上,大家都知道需要考慮帶寬、采樣率、存儲深度等三大主要指標,還有觸 發功能、上升沿速度、測試一致性、擴展分析功能等因素。這些指標和功能之間是相互關聯、 甚至在一定程度上存在制約關系,如在采樣率、存儲深度和所觀測的波形時間長度上就存在 如下數學關系:存儲深度=采樣率×波形時間長度。

  隨著示波器復雜程度的增加,在任何一個檔次示波器的三大指標的比較選擇上,都要考慮其 要求的工作狀態是什么。在采樣率的選擇上,需要注意示波器的工作通道數,所用的存儲深 度是多少,不同的示波器所標注的指標要求的工作狀態不同,有的4通道示波器在單通道/ 雙通道/全通道工作時,其采樣率是4/2/1的倍數關系,而有的示波器在采樣率和存儲深度的 使用上存在相互制約的關系,不能同時達到示波器物理配置的最大值。這樣在使用時就要求 用戶注意手中示波器的工作狀態及在此狀態下的采樣率,才能知道目前所采集觀察的信號波 形的可信度。因為數字示波器的任何分析功能都是基于它對信號的采樣與復原,在采樣率不 同的情況下,對同一個信號,示波器所捕獲和恢復出的波形會有所不同。根據采樣定理,對 于理想的正弦波,采樣率最小是信號頻率的2倍,那么反推示波器,在測試理想正弦波時, 從數值上來說,其最大有效帶寬是采樣率的1/2,更何況現實中的信號沒有理想正弦波,而 一般是要考慮其3次、5次甚至更高次諧波的測試分析。由此大家可以很容易看到采樣率對示 波器測試信號的重要性。

  在作數字信號測試分析時,目前主要是對高速串行數據及其時鐘的分析,這就要求示波器采 集大量連續數據,進行軟件恢復時鐘,進而進行眼圖、模板故障定位、抖動分析等測試測量 工作。但是有經驗的工程師都知道,示波器的常規工作方式是采用允許最大存儲深度的方式, 也就是說,在調節儀器的時基旋鈕以使示波器能夠一次采集大量采樣點數據時,示波器的采 樣率有可能會隨著示波器時間窗口的增長而降低,此時雖然采集了足夠長時間的信號,但是 由于采樣率的降低,信號的細節信息可能有所丟失,而此項操作的目的:眼圖及抖動分析, 恰恰是關注信號的細節部分。目前示波器有兩種工作方式,一種是設定最大存儲深度,也就 是前面所說的常規方式,它是通過調節波形時間長度來帶動采樣率變化;另一種是固定采樣 率方式,調節波形時間長度,帶動存儲深度變化,如圖2所示。后一種方式的好處在于采樣 率不因時間長度的變化而變化,也就不會在觀測長時間信號時丟失信號細節。以上是數字工 程師可能會遇到和考慮的問題。

 

  現在的示波器是一個功能強大、非常復雜的測量、分析工具,帶寬也越來越高,實時示波器 硬件帶寬已經到11GHz、12GHz,而有的公司已經宣布將在2006年推出20GHz 帶寬的實時示 波器,采樣示波器帶寬更是高達100GHz。面對如此復雜的儀器,在選則上只考慮三大主要 技術指標是不夠的。因為示波器的應用已經走到每個電子工程師的日常工作中,工程師需要 它來完成多種多樣的測量、分析功能,就必然要依據所要求的功能,結合待測信號的特點進 行儀器的選擇。射頻工程師希望示波器能夠實時分析射頻模擬信號,會考慮波形參數或基波 及調制信號的分析,要求儀器在帶寬、采樣率等硬件指標滿足要求的同時具有支持個性化分 析的功能,有很好的軟件支持、分析能力和速度,例如與 MATLAB 等流行分析軟件的協同 工作能力。數字工程師則會考慮時鐘、數據等實時參數測量、分析、眼圖模板、抖動測試等 功能,以及查找問題所在和分析原因,需要針對碼速率或上升沿選擇儀器帶寬、采樣率,進 而確定存儲深度等相關指標,并根據分析要求對儀器的功能進行選擇。用戶自定義分析功能 見圖3。

  

  示波器的任何一個功能都是基于對信號的采樣復原,都是以采樣、存儲為基礎的,那么在示 波器的選擇上,采樣率就是一個基本點。以應用目的為導向,在明確應用的同時,根據所測 信號對儀器的要求進行示波器的選擇是原則,而應用和信號對儀器的要求,就要花時間和精 力在三者之間尋找切合點。

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