选择合适的示波器进行高速电路调试和验证
2013-08-12
第一章 示波器技术的发展和演变
泰克的511模拟实时示波器，标志着商用示波器时代的到来。511之前也有一些“示波器”产品，但是由于其没有触发系统和校准的时基、垂直刻度，不能提供稳定的显示波形，也不能进行定量测试，所以只是一种定性观测的工具。511首次在“示波器”这种测试设备中加入了边沿触发以显示稳定波形、使用校准的时基和垂直放大器以提供定量测试能力，大大增加了适用性。这样，商用示波器诞生了。
模拟实时示波器发展到现在，基本结构并没有多大变化，下图是一个基本的结构框图：
图1: 模拟示波器结构简图
模拟实时示波器机构简单，没有信号的数字化、处理等过程。ART的所有信号调理、放大和显示都由模拟器件完成，所以从信号进入放大器（或探头）到最后在CRT上显示，几乎是实时（延迟时间几乎可以忽略）的。
但是，模拟示波器也有死区时间，在死区时间内出现的信号是不能显示在屏幕上的。这个死区时间来自于触发系统的“触发抑止（hold off）”和等待触发的时间。所以，模拟示波器也不是能100％地捕获信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率大约从30％～70％不等，扫描速度最快可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。
再来看模拟示波器显示的方式——CRT阴极射线管。电子束经过偏转板的偏转，再轰击显示屏上的荧光物质发光形成波形轨迹。当电子束停止轰击后，亮点不会立即消失而要保留一段余辉时间。余辉时间10μs—1ms为短余辉，1ms—0．1s为中余辉，0．1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上每一点的亮度，和被轰击的次数（频度）成正比关系。因此，模拟实时示波器显示的波形，不仅有时间和幅度的信息，还能以亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观测。
但是在另一方面，荧光物质发光的这一特性也带来了一个问题：轰击次数过少的轨迹的亮度会很低，甚至根本无法观测到。所以模拟示波器比较适合于重复信号（如连续正弦波）或者有重复特性的信号（如模拟视频信号）。而对单次信号（如单个脉冲或偶发故障）的观测能力非常有限。
总结起来，模拟实时示波器有以下几点主要优点：实时性强、波形捕获概率高、直观的三维（时间、幅度和信号出现概率）显示方式。缺点主要在于：无法存储数据、分析能力有限、对低概率事件捕获能力不足、触发简单、预触发延时不足和带宽提升困难（从前端放大器到CRT必须同时提升）等。随着数字化运动的兴起和越来越多的单次信号测量需求，模拟示波器这些缺点使其渐渐不再能满足测试需求，所以从上世纪80年代开始，主流的示波器厂家均渐渐转向数字示波器的研发和生产。
第一代数字示波器现在被称为数字存储示波器（DSO），使用串行的工作结构。原理框图如下：
图2: 数字存储示波器结构简图
数字存储示波器使用了ADC采样的方式，所以被测的模拟波形最终可以以数据的格式存储。当然，数字化的数据还可以方便地进行自动测量、频谱分析、数学计算或者其它高级分析。所以数字示波器特别适于单次信号的采集和分析，这是一个很大的突破。
另外一方面，数字存储示波器在ADC以后就是全数字化处理，所以带宽的提升仅受限于可变增益的前置放大器带宽和ADC的速率。随着技术的进步，现在，泰克TDS6154C是业界真实模拟代宽最高的数字存储示波器，达到12.5GHz(3dB)。 由于超高高带宽示波器系统设计中，宽带放大器是其中的核心部分，目前的主流设计都采用每一个通道独立的硬件放大器设计方法，这样保证每一个通道的性能没有限制。当每一个通道放大器的设计带宽不足时，有些示波器通过DBI技术利用示波器每一个通道6GHZ的低带宽放大器在不同的频段“拼接”在一起，在某一个通道上达到超过6GHZ的带宽，例如3个通道的6GHZ频段“拼接”后达到18GHZ带宽。从DBI技术实现的方法可以明显看出它的优点和相应的缺陷，最明显的优势是利用多通道的低带宽合并为单通道超过10GHZ的高带宽，在示波器设计中成本最高的放大器和ADC均采用低速设计，非常有利于控制成本。 由于DBI技术本质上首先经过将信号频率分配到不同的通道，通过相对低速的ADC进行采样，最后通过DSP技术将这些包含不同分量的频率数字“拼接”，它会导致以下几个限制。
