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選擇合適的示波器進(jìn)行高速電路調(diào)試和驗證
2013-08-12
第一章 示波器技術(shù)的發(fā)展和演變
泰克的511模擬實時示波器，標(biāo)志著商用示波器時代的到來。511之前也有一些“示波器”產(chǎn)品，但是由于其沒有觸發(fā)系統(tǒng)和校準(zhǔn)的時基、垂直刻度，不能提供穩(wěn)定的顯示波形，也不能進(jìn)行定量測試，所以只是一種定性觀測的工具。511首次在“示波器”這種測試設(shè)備中加入了邊沿觸發(fā)以顯示穩(wěn)定波形、使用校準(zhǔn)的時基和垂直放大器以提供定量測試能力，大大增加了適用性。這樣，商用示波器誕生了。
模擬實時示波器發(fā)展到現(xiàn)在，基本結(jié)構(gòu)并沒有多大變化，下圖是一個基本的結(jié)構(gòu)框圖：
圖1: 模擬示波器結(jié)構(gòu)簡圖
模擬實時示波器機(jī)構(gòu)簡單，沒有信號的數(shù)字化、處理等過程。ART的所有信號調(diào)理、放大和顯示都由模擬器件完成，所以從信號進(jìn)入放大器（或探頭）到最后在CRT上顯示，幾乎是實時（延遲時間幾乎可以忽略）的。
但是，模擬示波器也有死區(qū)時間，在死區(qū)時間內(nèi)出現(xiàn)的信號是不能顯示在屏幕上的。這個死區(qū)時間來自于觸發(fā)系統(tǒng)的“觸發(fā)抑止（hold off）”和等待觸發(fā)的時間。所以，模擬示波器也不是能100％地捕獲信號。不同型號的模擬實時示波器，最大波形捕獲概率大約從30％～70％不等，掃描速度最快可達(dá)50萬次/秒。這是一個非常好的指標(biāo)。
再來看模擬示波器顯示的方式——CRT陰極射線管。電子束經(jīng)過偏轉(zhuǎn)板的偏轉(zhuǎn)，再轟擊顯示屏上的熒光物質(zhì)發(fā)光形成波形軌跡。當(dāng)電子束停止轟擊后，亮點不會立即消失而要保留一段余輝時間。余輝時間10μs—1ms為短余輝，1ms—0．1s為中余輝，0．1s-1s為長余輝，大于1s為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。在余輝效應(yīng)的作用下，波形軌跡上每一點的亮度，和被轟擊的次數(shù)（頻度）成正比關(guān)系。因此，模擬實時示波器顯示的波形，不僅有時間和幅度的信息，還能以亮度等級表示信號出現(xiàn)概率的信息，非常有利于觀測。
但是在另一方面，熒光物質(zhì)發(fā)光的這一特性也帶來了一個問題：轟擊次數(shù)過少的軌跡的亮度會很低，甚至根本無法觀測到。所以模擬示波器比較適合于重復(fù)信號（如連續(xù)正弦波）或者有重復(fù)特性的信號（如模擬視頻信號）。而對單次信號（如單個脈沖或偶發(fā)故障）的觀測能力非常有限。
總結(jié)起來，模擬實時示波器有以下幾點主要優(yōu)點：實時性強(qiáng)、波形捕獲概率高、直觀的三維（時間、幅度和信號出現(xiàn)概率）顯示方式。缺點主要在于：無法存儲數(shù)據(jù)、分析能力有限、對低概率事件捕獲能力不足、觸發(fā)簡單、預(yù)觸發(fā)延時不足和帶寬提升困難（從前端放大器到CRT必須同時提升）等。隨著數(shù)字化運(yùn)動的興起和越來越多的單次信號測量需求，模擬示波器這些缺點使其漸漸不再能滿足測試需求，所以從上世紀(jì)80年代開始，主流的示波器廠家均漸漸轉(zhuǎn)向數(shù)字示波器的研發(fā)和生產(chǎn)。
第一代數(shù)字示波器現(xiàn)在被稱為數(shù)字存儲示波器（DSO），使用串行的工作結(jié)構(gòu)。原理框圖如下：
圖2: 數(shù)字存儲示波器結(jié)構(gòu)簡圖
數(shù)字存儲示波器使用了ADC采樣的方式，所以被測的模擬波形最終可以以數(shù)據(jù)的格式存儲。當(dāng)然，數(shù)字化的數(shù)據(jù)還可以方便地進(jìn)行自動測量、頻譜分析、數(shù)學(xué)計算或者其它高級分析。所以數(shù)字示波器特別適于單次信號的采集和分析，這是一個很大的突破。
另外一方面，數(shù)字存儲示波器在ADC以后就是全數(shù)字化處理，所以帶寬的提升僅受限于可變增益的前置放大器帶寬和ADC的速率。隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在，泰克TDS6154C是業(yè)界真實模擬代寬最高的數(shù)字存儲示波器，達(dá)到12.5GHz(3dB)。 由于超高高帶寬示波器系統(tǒng)設(shè)計中，寬帶放大器是其中的核心部分，目前的主流設(shè)計都采用每一個通道獨立的硬件放大器設(shè)計方法，這樣保證每一個通道的性能沒有限制。當(dāng)每一個通道放大器的設(shè)計帶寬不足時，有些示波器通過DBI技術(shù)利用示波器每一個通道6GHZ的低帶寬放大器在不同的頻段“拼接”在一起，在某一個通道上達(dá)到超過6GHZ的帶寬，例如3個通道的6GHZ頻段“拼接”后達(dá)到18GHZ帶寬。從DBI技術(shù)實現(xiàn)的方法可以明顯看出它的優(yōu)點和相應(yīng)的缺陷，最明顯的優(yōu)勢是利用多通道的低帶寬合并為單通道超過10GHZ的高帶寬，在示波器設(shè)計中成本最高的放大器和ADC均采用低速設(shè)計，非常有利于控制成本。 由于DBI技術(shù)本質(zhì)上首先經(jīng)過將信號頻率分配到不同的通道，通過相對低速的ADC進(jìn)行采樣，最后通過DSP技術(shù)將這些包含不同分量的頻率數(shù)字“拼接”，它會導(dǎo)致以下幾個限制。
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