如何選擇混合信號示波器

無論你是經(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)測量和內(nèi)部分析，這些都為用戶節(jié)省了測試時(shí)間，降低了工作復(fù)雜度。
　　為何選擇MSO

　　MSO（mixed signal oscilloscope，混合信號示波器）從某種意義上說可以真正取代傳統(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)間與電壓測量功能，可以測量上升/下降時(shí)間、頻率和過沖幅度。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量應(yīng)用：

　　包含較慢的模擬信號與較快的數(shù)字信號的真實(shí)混合信號環(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)信號完整性的純數(shù)字測量環(huán)境。

　　現(xiàn)在的市場上有多種混合信號示波器，但是如果系統(tǒng)地進(jìn)行評估（參見圖1），那么你不難選擇出最能夠滿足你測量要求的示波器。
 

　　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)最小的信號帶寬=0.5/（信號上升時(shí)間）。為了對信號進(jìn)行精確的觀察和測量，示波器的帶寬至少應(yīng)該比上述頻率值大三倍。也就是說：

　　信號帶寬≥0.5/（信號上升時(shí)間）

　　示波器帶寬≥3×信號帶寬

　　需要多少通道

　　乍一看來，通道數(shù)量似乎是一個(gè)簡單的問題。然而，對于如今的數(shù)字電路設(shè)計(jì)者來說，傳統(tǒng)的2通道和4通道示波器常常無法為觸發(fā)和觀察所有感興趣的信號提供足夠的通道。

　　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。例如，在某些數(shù)字應(yīng)用中，對多個(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)信號連接起來，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)儀器的交叉觸發(fā)。

　　為了簡化對串行總線的測量，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)寫周期隔離出來，必須對RAS、CAS、WE、CS和時(shí)鐘共5個(gè)不同信號的組合進(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，但是對于沒有這一功能的示波器來說，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)換器組合起來對一個(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。示波器公開的使用說明書上可能引用了這一最大采樣率，而沒有指出這一采樣率只對一個(gè)通道有效。如果你想購買一臺(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，用戶必須針對特定的測量工作估計(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)行測量，這是非常費(fèi)時(shí)的過程。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，這樣一來示波器所需的存儲(chǔ)器容量將大的驚人，沒有人會(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，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。

　　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)測試工程師才會(huì)用到它。盡管近些年來示波器廠商已經(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)測量和內(nèi)置的分析功能能夠節(jié)省測試時(shí)間，簡化測試工作。數(shù)字化的示波器所具有的測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。測量統(tǒng)計(jì)（求最大值，最小值和平均值）功能減少了測量的不確定性，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題之后，你可選擇的示波器可能只剩下兩到三種了。接下來就是要進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行逐個(gè)對比。在試驗(yàn)臺(tái)上測試幾個(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幾天，那么就有足夠的時(shí)間對其進(jìn)行徹底的評價(jià)。對每臺(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操作示波器而同時(shí)把你的注意力集中在待測電路上，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)對于使用示波器檢測應(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，或者信號位置時(shí)，注意觀察示波器顯示屏的響應(yīng)速度。在各種測量功能下測試這一響應(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)的互連問題。