如何選擇混合信號(hào)示波器

無(wú)論你是經(jīng)常還是偶爾使用示波器，選擇一款如你所需的合適示波器都是非常必要的。當(dāng)市場(chǎng)上只有模擬示波器的時(shí)候，我們可選擇的余地很小。但是在今天日益擴(kuò)展的數(shù)字世界中，示波器的顯示性能在很大程度上取決于數(shù)字處理算法。而且，示波器的功能也更加強(qiáng)大，例如能夠進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和內(nèi)部分析，這些都為用戶節(jié)省了測(cè)試時(shí)間，降低了工作復(fù)雜度。
　　為何選擇MSO

　　MSO（mixed signal oscilloscope，混合信號(hào)示波器）從某種意義上說(shuō)可以真正取代傳統(tǒng)的數(shù)字示波器，因?yàn)镸SO除了能夠顯示柱狀圖、波形函數(shù)、FFT和眼圖之外，同樣還具有模擬分析功能，例如標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間與電壓測(cè)量功能，可以測(cè)量上升/下降時(shí)間、頻率和過(guò)沖幅度。MSO也具有基本的數(shù)字時(shí)序分析功能和深度存儲(chǔ)能力。

　　MSO非常適合兩種主要的測(cè)量應(yīng)用：

　　包含較慢的模擬信號(hào)與較快的數(shù)字信號(hào)的真實(shí)混合信號(hào)環(huán)境；

　　需要觀察總線上多個(gè)數(shù)字通道之間的時(shí)序關(guān)系，同時(shí)要保證多個(gè)信號(hào)完整性的純數(shù)字測(cè)量環(huán)境。

　　現(xiàn)在的市場(chǎng)上有多種混合信號(hào)示波器，但是如果系統(tǒng)地進(jìn)行評(píng)估（參見(jiàn)圖1），那么你不難選擇出最能夠滿足你測(cè)量要求的示波器。
 

　　圖1 逐步的分析有助于搞清楚示波器的選擇過(guò)程

　　帶寬是所有示波器最重要的一個(gè)指標(biāo)，因?yàn)閹挍Q定了你能夠以所需的逼真度顯示的最高頻率。而且，帶寬對(duì)示波器的價(jià)格影響很大。我們已經(jīng)進(jìn)入示波器數(shù)字化的時(shí)代，示波器的帶寬不再僅僅是指模擬放大器本身的帶寬。為了確保所選擇的示波器為應(yīng)用提供足夠的帶寬，你必須仔細(xì)考慮目前和今后將會(huì)觀察的信號(hào)頻率。

　　上升時(shí)間決定了示波器帶寬需求的下限。假設(shè)最小的信號(hào)帶寬=0.5/（信號(hào)上升時(shí)間）。為了對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確的觀察和測(cè)量，示波器的帶寬至少應(yīng)該比上述頻率值大三倍。也就是說(shuō)：

　　信號(hào)帶寬≥0.5/（信號(hào)上升時(shí)間）

　　示波器帶寬≥3×信號(hào)帶寬

　　需要多少通道

　　乍一看來(lái)，通道數(shù)量似乎是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題。然而，對(duì)于如今的數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的2通道和4通道示波器常常無(wú)法為觸發(fā)和觀察所有感興趣的信號(hào)提供足夠的通道。

　　而MSO除了具備常規(guī)示波器的兩個(gè)或四個(gè)模擬通道之外，還具有多個(gè)邏輯時(shí)序通道。例如，安捷倫推出的54832D混合信號(hào)示波器就是一種全功能示波器，除了具有四個(gè)模擬通道之外還有16個(gè)邏輯時(shí)序通道，能夠提供多達(dá)20個(gè)通道的時(shí)序觸發(fā)、采集和顯示功能。

　　盡管很多通用示波器的用戶通常使用邊沿觸發(fā)功能，但是某些應(yīng)用需要進(jìn)行條件觸發(fā)，以便將用戶希望觀察的事件隔離開(kāi)。例如，在某些數(shù)字應(yīng)用中，對(duì)多個(gè)通道上出現(xiàn)的特定矢量進(jìn)行觸發(fā)是非常必要的。以前的辦法是，將一個(gè)示波器與一臺(tái)邏輯分析儀結(jié)合使用，將它們各自的輸入/輸出觸發(fā)信號(hào)連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀器的交叉觸發(fā)。

　　為了簡(jiǎn)化對(duì)串行總線的測(cè)量，某些示波器已經(jīng)能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)串行協(xié)議，例如SPI、CAN、USB、I2C和LAN進(jìn)行觸發(fā)。這些高級(jí)的觸發(fā)功能大大節(jié)省了日常調(diào)試工作所需的時(shí)間。

　　下面以常見(jiàn)的SDRAM應(yīng)用為例，介紹在日常調(diào)試工作中如何使用MSO。要想把SDRAM的一個(gè)寫(xiě)周期隔離出來(lái)，必須對(duì)RAS、CAS、WE、CS和時(shí)鐘共5個(gè)不同信號(hào)的組合進(jìn)行觸發(fā)。因此一臺(tái)常規(guī)的四通道示波器是無(wú)法勝任的。如果采用MSO，將其邏輯時(shí)序通道設(shè)置為觸發(fā)RAS高電平、CAS低電平、WE高電平和CS高電平，同時(shí)采用一個(gè)模擬示波器通道觀察和觸發(fā)時(shí)鐘的上升沿，就可以完成這一工作。在邏輯分析儀與示波器相結(jié)合的方案中，邏輯分析儀和示波器只能交叉觸發(fā)，而MSO則不同，它能夠在所有的示波通道和邏輯通道之間進(jìn)行全帶寬觸發(fā)。

　　選擇多大的采樣率

　　對(duì)于采用數(shù)字重構(gòu)（例如sin(x)/x插值）形式的示波器而言，如果你想要在全示波器帶寬下使用各個(gè)通道，那么所需的采樣率至少是示波器帶寬的4倍。如今大多數(shù)的示波器都采用了某種形式的數(shù)字重構(gòu)功能，但是對(duì)于沒(méi)有這一功能的示波器來(lái)說(shuō)，這一倍數(shù)實(shí)際上達(dá)到了10倍。

　　大多數(shù)示波器也采用了某種形式的A/D轉(zhuǎn)換器交叉，即將兩個(gè)通道的轉(zhuǎn)換器組合起來(lái)對(duì)一個(gè)通道進(jìn)行采樣，從而使2通道或者4通道示波器中一個(gè)通道的采樣率增大了一倍。示波器公開(kāi)的使用說(shuō)明書(shū)上可能引用了這一最大采樣率，而沒(méi)有指出這一采樣率只對(duì)一個(gè)通道有效。如果你想購(gòu)買一臺(tái)四通道示波器，那么你很有可能希望多個(gè)通道都具有全帶寬功能。

　　另外一種判斷采樣率的方法就是看兩個(gè)采樣點(diǎn)之間希望達(dá)到的分辨率。我們可以把采樣率簡(jiǎn)單地看成是所需分辨率的倒數(shù)。例如，如果你需要在兩點(diǎn)之間達(dá)到1ns的分辨率，那么得到這一分辨率的采樣率為1/(1 ns)，即每秒1G次采樣。

　　選擇多大的存儲(chǔ)深度

　　先進(jìn)的存儲(chǔ)技術(shù)使用戶能夠?qū)Υ鎯?chǔ)在存儲(chǔ)器中的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行很多后處理工作，例如捕捉波形、放大波形觀察細(xì)節(jié)、進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和測(cè)量等工作。

 　　最新的示波器技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼峁┯挚煊稚畹拇鎯?chǔ)器。然而在使用第一代深存儲(chǔ)示波器時(shí)的情況則截然不同，用戶必須針對(duì)特定的測(cè)量工作估計(jì)他所需的存儲(chǔ)器容量。如果用戶估計(jì)錯(cuò)誤，那么用戶必須進(jìn)一步增大存儲(chǔ)器，重新進(jìn)行測(cè)量，這是非常費(fèi)時(shí)的過(guò)程。判斷所需存儲(chǔ)深度的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)方法是：

　　* 存儲(chǔ)深度 ≥采樣率×屏幕刷新所需的最大時(shí)間

　　搞清楚示波器使用所存儲(chǔ)信息的方式是很重要的。人們通常認(rèn)為，示波器的最大采樣率適用于包括低頻/慢掃描速度在內(nèi)的所有時(shí)基設(shè)置上，這樣一來(lái)示波器所需的存儲(chǔ)器容量將大的驚人，沒(méi)有人會(huì)買的起。因?yàn)榇鎯?chǔ)深度總是有限的，當(dāng)把時(shí)基設(shè)置為較慢的掃描速度時(shí)，所有的示波器都必須降低采樣率。換句話說(shuō)，示波器的存儲(chǔ)深度越深，能夠在任意給定采樣率下捕捉到的時(shí)間間隔越長(zhǎng)。

　　由于響應(yīng)速度較慢，示波器廠商常常限制用戶只能在某種特殊模式下使用深度存儲(chǔ)器，因此只有當(dāng)深度存儲(chǔ)非用不可時(shí)測(cè)試工程師才會(huì)用到它。盡管近些年來(lái)示波器廠商已經(jīng)在深度存儲(chǔ)架構(gòu)方面有所進(jìn)展，但是某些示波器在工作時(shí)仍然比較慢而且費(fèi)時(shí)。在購(gòu)買示波器之前，一定要考察示波器在最深的存儲(chǔ)設(shè)置下的響應(yīng)特性。

　　如何分析波形

　　自動(dòng)測(cè)量和內(nèi)置的分析功能能夠節(jié)省測(cè)試時(shí)間，簡(jiǎn)化測(cè)試工作。數(shù)字化的示波器所具有的測(cè)量特性和分析功能常常是模擬示波器所不具備的。

　　數(shù)學(xué)函數(shù)包括加法、減法、乘法、除法、積分和微分。測(cè)量統(tǒng)計(jì)（求最大值，最小值和平均值）功能減少了測(cè)量的不確定性，有利于用戶分析噪聲和時(shí)序容限。很多數(shù)字示波器還具有FFT功能。

　　在某些用戶感興趣的波形分析功能方面，示波器廠商也在中高檔示波器中為用戶提供了更靈活的選擇。某些廠商提供了軟件包，使用戶能夠定制復(fù)雜的測(cè)量任務(wù)，直接從示波器的用戶界面上進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和后期處理。這樣就不再需要把示波器的數(shù)據(jù)傳送到外部PC上進(jìn)行處理，大大節(jié)省了波形分析的時(shí)間。

　　在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行檢查

　　當(dāng)你考慮了上述所有的問(wèn)題之后，你可選擇的示波器可能只剩下兩到三種了。接下來(lái)就是要進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行逐個(gè)對(duì)比。在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試幾個(gè)例子，觀察波形，這樣有助于你選擇能夠滿足你所需要的最佳示波器。

　　某些示波器廠商通常會(huì)給可能的購(gòu)買者送一臺(tái)示波器進(jìn)行試用。如果將備選的示波器借來(lái)幾天，那么就有足夠的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行徹底的評(píng)價(jià)。對(duì)每臺(tái)示波器進(jìn)行試用時(shí)要考察的兩個(gè)重要因素就是易用性和顯示響應(yīng)速度。

　　當(dāng)評(píng)價(jià)示波器的易用性時(shí)，要注意它是否為各種常用的調(diào)節(jié)功能，例如垂直敏感度、時(shí)基速度、掃描行程和觸發(fā)電平等，設(shè)置專用的旋鈕。觀察你從一個(gè)操作到下一個(gè)操作需要觸動(dòng)多少個(gè)旋鈕。看一看你是否能夠憑直覺(jué)操作示波器而同時(shí)把你的注意力集中在待測(cè)電路上，這一點(diǎn)也非常重要。

　　當(dāng)你不斷改變示波器的步調(diào)時(shí)，注意顯示響應(yīng)的速度，這個(gè)指標(biāo)對(duì)于使用示波器檢測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)或者采集大量的數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵。當(dāng)你改變每段的電壓或者時(shí)間標(biāo)度，或者改變存儲(chǔ)深度，或者信號(hào)位置時(shí)，注意觀察示波器顯示屏的響應(yīng)速度。在各種測(cè)量功能下測(cè)試這一響應(yīng)速度，觀察其是否存在明顯較慢的情況。其他需要考慮的問(wèn)題還有示波器廠商提供的探頭的性能，以及包括GPIB、RS-232、LAN和USB接口在內(nèi)的互連問(wèn)題。