本書(shū)深入剖析了現(xiàn)代示波器的架構(gòu)，并通過(guò)近百個(gè)經(jīng)典案例及精美插圖，展示了現(xiàn)代示波器在實(shí)戰(zhàn)中的應(yīng)用技巧。這里不是簡(jiǎn)單講如何操作使用，而是為了幫助您洞悉問(wèn)題本質(zhì)。

　　本書(shū)素材來(lái)源于作者十多年來(lái)的積累，根據(jù)一線(xiàn)工程師實(shí)際使用示波器的問(wèn)題，結(jié)合典型應(yīng)用場(chǎng)景，全面、系統(tǒng)地講述了現(xiàn)代示波器在各種復(fù)雜場(chǎng)合的測(cè)試和使用方法。

　　希望通過(guò)本書(shū)的介紹，使得廣大工程師朋友們能夠更好地理解和應(yīng)用現(xiàn)代數(shù)字示波器的高級(jí)功能，以發(fā)揮這種*常用的電子測(cè)量工具對(duì)于電路調(diào)試和分析的效用。

　　前言

　　寫(xiě)在前面——

　　人類(lèi)的文明從使用和制造工具開(kāi)始。

　　工具可能是原始人隨手抄起的木棒，也可能是現(xiàn)代孩童堆在墻角的樂(lè)高積木。作為電子工程師的眼睛，示波器是最普遍使用的電路調(diào)試工具�，F(xiàn)代數(shù)字示波器不只是用于簡(jiǎn)單的波形觀察，而是一套非常復(fù)雜的信號(hào)采集和分析系統(tǒng)。但遺憾的是，無(wú)論在國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，很多介紹示波器的圖書(shū)與實(shí)際工作結(jié)合不好且跟不上時(shí)代的技術(shù)更新，而大部分講操作的資料讀起來(lái)又空洞無(wú)味，很少能站在實(shí)際應(yīng)用的角度去解讀示波器。

　　有次和一位工程師朋友聊天，他聊到買(mǎi)了很多很好的儀器，但是很多功能沒(méi)完全發(fā)揮出來(lái)�！熬拖袷謾C(jī)，我們只用其中10%的功能�！薄笆謾C(jī)用兩年就過(guò)時(shí)了，你需要了解那么多嗎？而且儀器都有操作手冊(cè)��？”我反問(wèn)�！皟x器不一樣，雖然簡(jiǎn)單使用都會(huì)，但實(shí)際問(wèn)題千變?nèi)f化，真碰到事兒還是解決不了。操作手冊(cè)好幾百頁(yè)，也不知道哪些部分與當(dāng)前問(wèn)題相關(guān)，現(xiàn)在節(jié)奏這么快，哪來(lái)得及去一頁(yè)頁(yè)翻手冊(cè)�！�

　　其實(shí)我一直不愿寫(xiě)一本特別瑣碎的針對(duì)使用方法和技巧的書(shū)，總覺(jué)得格局不大，而且實(shí)際問(wèn)題千變?nèi)f化，也沒(méi)有一招鮮吃遍天的獨(dú)門(mén)秘籍。所以這本書(shū)不是類(lèi)似市面上一些從入門(mén)到精通的操作指南，也不會(huì)涉及很細(xì)節(jié)的操作步驟。我更想展示給大家的是現(xiàn)代測(cè)量工具能夠?qū)崿F(xiàn)的強(qiáng)大功能，以及碰到問(wèn)題時(shí)的分析思路。我那位朋友的話(huà)打動(dòng)我的一點(diǎn)在于：廣大工程師朋友確實(shí)需要一些這方面的幫助。從資歷和經(jīng)驗(yàn)上，我確實(shí)是和使用示波器的各行各業(yè)工程師接觸最多的。時(shí)日越久，越覺(jué)責(zé)無(wú)旁貸。

　　無(wú)論是用扳手?jǐn)Q緊一顆螺絲釘，還是熬夜調(diào)試電路的故障，抑或是產(chǎn)品交付前的一次次設(shè)計(jì)修改，無(wú)不浸透著工程師的汗水。這些文章的總結(jié)和整理，就當(dāng)是對(duì)廣大默默無(wú)聞、辛勤耕耘的工程師們?nèi)粘９ぷ鞯挠涗浐蛥R報(bào)吧。如果能對(duì)大家的日常工作有些許幫助，就是額外的驚喜了。

　　逐有此書(shū)。

　　李凱2017年3月

一、 現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器技術(shù)的發(fā)展

二、 示波器原理

1. 模擬示波器

2. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器

3. 混合信號(hào)示波器

4. 采樣示波器

5. 阻抗TDR測(cè)試

三、 數(shù)字示波器的主要指標(biāo)

1. 示波器的帶寬

2. 示波器的采樣率

3. 示波器的內(nèi)存深度

4. 示波器的死區(qū)時(shí)間

四、 示波器對(duì)測(cè)量的影響

1. 示波器的頻響方式

2. 示波器帶寬對(duì)測(cè)量的影響

3. 示波器的分辨率

4. 示波器的直流電壓測(cè)量精度

5. 示波器的時(shí)間測(cè)量精度

6. 示波器的等效位數(shù)

7. 示波器的高分辨率模式

8. 示波器的顯示模式

五、 示波器探頭原理

1. 探頭的寄生參數(shù)

2. 高阻無(wú)源探頭

3. 無(wú)源探頭常用附件

4. 低阻無(wú)源探頭

5. 有源探頭

6. 差分有源探頭

7. 有源探頭的使用注意事項(xiàng)

8. 寬溫度范圍測(cè)試探頭

9. 電流測(cè)量的探頭

10. 光探頭

六、 探頭對(duì)測(cè)量的影響

1. 探頭前端對(duì)測(cè)量的影響

2. 探頭衰減比對(duì)測(cè)量的影響

3. 探頭的校準(zhǔn)方法

4. 探頭的負(fù)載效應(yīng)

5. 定量測(cè)量探頭負(fù)載效應(yīng)的方法

七、 使用觸發(fā)條件捕獲信號(hào)

1. 示波器觸發(fā)電路原理

2. 示波器的觸發(fā)模式

3. 邊沿觸發(fā)

4. 碼型觸發(fā)

5. 脈沖寬度觸發(fā)

6. 毛刺觸發(fā)

7. 建立/保持時(shí)間觸發(fā)

8. 跳變時(shí)間觸發(fā)

9. 矮脈沖觸發(fā)

10. 超時(shí)觸發(fā)

11.連續(xù)邊沿觸發(fā)

12. 窗口觸發(fā)

13. 視頻觸發(fā)

14. 序列觸發(fā)

15. 協(xié)議觸發(fā)

16. 高速串行觸發(fā)

17. 高級(jí)波形搜索

八、 示波器的數(shù)學(xué)函數(shù)

1. 用加/減函數(shù)進(jìn)行差分和共模測(cè)試

2. 用Max/Min函數(shù)進(jìn)行峰值保持

3. 用乘法運(yùn)算進(jìn)行功率測(cè)試

4. 用XY函數(shù)顯示李薩如圖形或星座圖

5. 用濾波器函數(shù)濾除噪聲

6. 用FFT函數(shù)進(jìn)行信號(hào)頻譜分析

7. 用Gating函數(shù)進(jìn)行信號(hào)縮放

8. 用Trend函數(shù)測(cè)量信號(hào)變化趨勢(shì)

9. 使用MATLAB的自定義函數(shù)

九、 高速串行信號(hào)質(zhì)量分析

1. 顯示差分和共模信號(hào)波形

2. 通過(guò)時(shí)鐘恢復(fù)測(cè)試信號(hào)眼圖

3. 進(jìn)行模板測(cè)試

4. 失效bit定位

5. 抖動(dòng)分析

6. 抖動(dòng)分解

7. 通道去嵌入

8. 通道嵌入

9. 信號(hào)均衡

10. 均衡器的參數(shù)設(shè)置

11. 預(yù)加重的模擬

十、 電源完整性測(cè)試

1. 電源完整性測(cè)試的必要性

2. 電源完整性仿真分析

3. DC�睤C電源模塊和PDN阻抗測(cè)試

4. DC�睤C電源模塊反饋環(huán)路測(cè)試

5. 精確電源紋波與開(kāi)關(guān)噪聲測(cè)試

6. 開(kāi)關(guān)電源功率及效率分析

7. 電源系統(tǒng)抗干擾能力測(cè)試

十一、 電源測(cè)試常見(jiàn)案例

1. 交流電頻率測(cè)量中的李薩如圖形問(wèn)題

2. 電源紋波的測(cè)量結(jié)果過(guò)大的問(wèn)題

3. 接地不良造成的電源干擾

4. 大功率設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的誤觸發(fā)

5. 示波器接地對(duì)測(cè)量的影響

十二、 時(shí)鐘測(cè)試常見(jiàn)案例

1. 精確頻率測(cè)量的問(wèn)題

2. GPS授時(shí)時(shí)鐘異常狀態(tài)的捕獲

3. 光纖傳感器反射信號(hào)的頻率測(cè)量

4. 晶體振蕩器頻率測(cè)量中的停振問(wèn)題

5. PLL的鎖定時(shí)間測(cè)量

6. 時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量中RJ帶寬的問(wèn)題

7. 時(shí)鐘抖動(dòng)測(cè)量精度的問(wèn)題

8. 如何進(jìn)行微小頻差的測(cè)量

十三、 示波器能用于射頻信號(hào)測(cè)試嗎？

1. 為什么射頻信號(hào)測(cè)試要用示波器

2. 現(xiàn)代實(shí)時(shí)示波器技術(shù)的發(fā)展

3. 現(xiàn)代示波器的射頻性能指標(biāo)

4. 示波器射頻指標(biāo)總結(jié)

十四、 射頻測(cè)試常用測(cè)試案例

1. 射頻信號(hào)時(shí)頻域綜合分析

2. 雷達(dá)脈沖的包絡(luò)參數(shù)測(cè)量

3. 微波脈沖信號(hào)的功率測(cè)量精度

4. FFT分析的窗函數(shù)和柵欄效應(yīng)

5. 雷達(dá)參數(shù)綜合分析

6. 跳頻信號(hào)測(cè)試

7. 多通道測(cè)量

8. 衛(wèi)星調(diào)制器的時(shí)延測(cè)量

9. 移相器響應(yīng)時(shí)間測(cè)試方法

10. 雷達(dá)模擬機(jī)測(cè)量中的異常調(diào)幅問(wèn)題

11. 功放測(cè)試中瞬態(tài)過(guò)載問(wèn)題分析

12. 復(fù)雜電磁環(huán)境下的信號(hào)濾波

13. 毫米波防撞雷達(dá)特性分析

十五、 寬帶通信信號(hào)的解調(diào)分析

1. I/Q調(diào)制簡(jiǎn)介

2. I/Q調(diào)制過(guò)程

3. 矢量信號(hào)解調(diào)步驟

4. 突發(fā)信號(hào)的解調(diào)

5. 矢量解調(diào)常見(jiàn)問(wèn)題

6. 超寬帶信號(hào)的解調(diào)分析

十六、 高速數(shù)字信號(hào)測(cè)試中的射頻知識(shí)

1. 數(shù)字信號(hào)的帶寬

2. 傳輸線(xiàn)對(duì)數(shù)字信號(hào)的影響

3. 信號(hào)處理技術(shù)

4. 信號(hào)抖動(dòng)分析

5. 數(shù)字信號(hào)測(cè)試中的射頻知識(shí)總結(jié)

十七、 高速總線(xiàn)測(cè)試常見(jiàn)案例

1. 衛(wèi)星通信中偽隨機(jī)碼的碼型檢查

2. 3D打印機(jī)特定時(shí)鐘邊沿位置的數(shù)據(jù)捕獲

3. VR設(shè)備中遇到的MIPI 信號(hào)測(cè)試問(wèn)題

4. AR眼鏡USB拔出時(shí)的瞬態(tài)信號(hào)捕獲

5. 區(qū)分USB總線(xiàn)上好的眼圖和壞的眼圖

6. 4K運(yùn)動(dòng)相機(jī)的HDMI測(cè)試問(wèn)題

7. SFP+測(cè)試中由于信號(hào)邊沿過(guò)陡造成的DDPWS測(cè)試失敗

8. USB 3.1 TypeC接口測(cè)試中的信號(hào)碼型切換問(wèn)題

十八、 芯片測(cè)試常用案例

1. 高速Serdes芯片功能和性能測(cè)試

2. 高速ADC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及測(cè)試

3. 二極管反向恢復(fù)時(shí)間測(cè)試

4. 微封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試的挑戰(zhàn)

十九、 其他常見(jiàn)測(cè)試案例

1. 如何顯示雙脈沖中第2個(gè)脈沖的細(xì)節(jié)

2. 示波器的電壓和幅度測(cè)量精度

3. 不同寬度的脈沖信號(hào)形狀比較

4. 超寬帶雷達(dá)的脈沖測(cè)量

5. 通道損壞造成的幅度測(cè)量問(wèn)題

6. 對(duì)脈沖進(jìn)行微秒級(jí)的精確延時(shí)

7. 探頭地線(xiàn)造成的信號(hào)過(guò)沖

8. 探頭地線(xiàn)造成的短路

9. 阻抗匹配造成的錯(cuò)誤幅度結(jié)果

10. 外部和內(nèi)部50Ω端接的區(qū)別

11. 低占空比的光脈沖展寬問(wèn)題

12. 如何提高示波器的測(cè)量速度

13. 計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程讀取示波器的波形數(shù)據(jù)

二十、 大型數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢(shì)及挑戰(zhàn)

二十一、 PCIe 3.0測(cè)試方法及PCIe 4.0展望

1. PCIe 3.0 簡(jiǎn)介

2. PCIe 3.0 物理層的變化

3. 發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

4. 接收端容限測(cè)試

5. 協(xié)議分析

6. 協(xié)議一致性和可靠性測(cè)試

7. PCIe 4.0標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展及展望

二十二、 SATA信號(hào)和協(xié)議測(cè)試方法

1. SATA 總線(xiàn)簡(jiǎn)介

2. SATA 發(fā)送信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

3. SATA 接收容限測(cè)試

4. SATA�睧xpress（U.2/M.2）的測(cè)試

二十三、 SAS 12G總線(xiàn)測(cè)試方法

1. SAS總線(xiàn)概述

2. SAS的測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試碼型

3. SAS發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量測(cè)試

4. SAS接收機(jī)抖動(dòng)容限測(cè)試

5. SAS互連阻抗及回波損耗測(cè)試方案

二十四、 DDR3/4信號(hào)和協(xié)議測(cè)試

1. DDR 簡(jiǎn)介

2. DDR信號(hào)的仿真驗(yàn)證

3. DDR 信號(hào)的讀寫(xiě)分離

4. DDR 的信號(hào)探測(cè)技術(shù)

5. DDR 的信號(hào)質(zhì)量分析

6. DDR 的協(xié)議測(cè)試

二十五、 10G以太網(wǎng)簡(jiǎn)介及信號(hào)測(cè)試方法

1. 以太網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

2. 10GBASE�睺/MGBase�睺/NBase�睺的測(cè)試

3. XAUI和10GBASE�睠X4測(cè)試方法

4. SFP+/10GBase�睰R接口及測(cè)試方法

二十六、 10G CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)測(cè)試方法

1. 4G基站組網(wǎng)方式的變化

2. CPRI接口時(shí)延抖動(dòng)的測(cè)試

3. 測(cè)試組網(wǎng)

4. 時(shí)延測(cè)試步驟

5. 抖動(dòng)測(cè)試步驟

6. 測(cè)試結(jié)果分析

7. 測(cè)試方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

二十七、 100G背板性能的驗(yàn)證

1. 高速背板的演進(jìn)

2. 100G背板的測(cè)試項(xiàng)目

3. 背板的插入損耗、回波損耗、阻抗、串?dāng)_的測(cè)試

4. 背板傳輸眼圖和誤碼率測(cè)試

5. 發(fā)送端信號(hào)質(zhì)量的測(cè)試

6. 100G背板測(cè)試總結(jié)

二十八、 100G光模塊接口測(cè)試方法

1. CEI測(cè)試背景和需求

2. CEI��28G�睼SR測(cè)試點(diǎn)及測(cè)試夾具要求

3. CEI��28G�睼SR輸出端信號(hào)質(zhì)量測(cè)試原理

4. CEI��28G�睼SR輸出端信號(hào)質(zhì)量測(cè)試方法

5. CEI��28G�睼SR輸入端壓力容限測(cè)試原理

6. CEI��28G�睼SR接收端壓力容限測(cè)試方法

7. 100G光收發(fā)模塊的測(cè)試挑戰(zhàn)

8. 100G光模塊信號(hào)質(zhì)量及并行眼圖測(cè)試

9. 100G光模塊壓力眼及抖動(dòng)容限測(cè)試

二十九、 400G以太網(wǎng) PAM��4信號(hào)簡(jiǎn)介及測(cè)試方法

1. 什么是PAM��4信號(hào)？

2. PAM��4技術(shù)的挑戰(zhàn)

3. PAM��4信號(hào)的測(cè)試碼型

4. PAM��4發(fā)射機(jī)電氣參數(shù)測(cè)試

5. PAM��4的接收機(jī)容限及誤碼率測(cè)試

　　三、數(shù)字示波器的主要指標(biāo)

　　1.示波器的帶寬

　　帶寬是示波器最重要的一個(gè)指標(biāo)，它決定了這臺(tái)示波器測(cè)量高頻信號(hào)的能力。前面我們介紹過(guò)，示波器的帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定。對(duì)于一般的放大器來(lái)說(shuō)，其增益不可能在任何頻率下都保持一樣，示波器中使用的放大器也是如此。示波器中的放大器的工作頻點(diǎn)是從直流開(kāi)始的，其增益隨著輸入信號(hào)的頻率增高會(huì)逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)稱(chēng)為這個(gè)放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。圖3.1是示波器帶寬定義的示意圖。

　　圖3.1示波器帶寬的定義

　　對(duì)于一臺(tái)標(biāo)稱(chēng)帶寬為1GHz的示波器，假設(shè)輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50MHz、1V峰峰值的正弦波信號(hào)，在示波器上測(cè)量到的信號(hào)幅度為A；然后將輸入信號(hào)的幅度保持不變，頻率逐漸增加到1GHz，這時(shí)在示波器上測(cè)量到的信號(hào)幅度為B。如果20lg(B/A)的計(jì)算結(jié)果沒(méi)超過(guò)-3dB(例如為-2.8dB)，這臺(tái)示波器就是合格的，否則就是不合格的。對(duì)于示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法。

　　需要注意的是，-3dB是按信號(hào)功率計(jì)算的，相當(dāng)于信號(hào)的功率增益下降1/2。示波器實(shí)際測(cè)量的是電壓信號(hào)，功率與電壓的平方成正比，所以-3dB相當(dāng)于示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來(lái)的0.707倍。因此，對(duì)于一個(gè)50MHz、1V峰峰值的正弦波信號(hào)，用1GHz帶寬的示波器測(cè)量到的幅度應(yīng)該是1V左右，而如果被測(cè)信號(hào)的幅度不變但是頻率增加到1GHz，這時(shí)測(cè)量到的信號(hào)幅度可能只有0.7V左右了。

　　從前面的例子可以看出，示波器并不是對(duì)帶寬內(nèi)的所有頻率信號(hào)都保持相同的測(cè)量精度的，被測(cè)信號(hào)頻率越接近帶寬附近，測(cè)量結(jié)果的幅度誤差越大，如果這個(gè)幅度誤差超過(guò)了可以接收的范圍，就要考慮用更高帶寬的示波器進(jìn)行測(cè)量。另外示波器也不是絕對(duì)不可以對(duì)超過(guò)帶寬的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，如果被測(cè)信號(hào)的頻率只是稍微超過(guò)了示波器的帶寬，雖然信號(hào)的衰減會(huì)比較大，但大概的頻率、周期等時(shí)間信息還是比較準(zhǔn)確的(對(duì)正弦波信號(hào))。

　　至于具體某個(gè)頻點(diǎn)的衰減是多大，需要準(zhǔn)確知道示波器的頻響曲線(xiàn)。一般示波器廠(chǎng)商在公開(kāi)的場(chǎng)合只會(huì)提供帶寬指標(biāo)而沒(méi)有具體的頻響曲線(xiàn)，如果確實(shí)需要，可以通過(guò)用微波信號(hào)源配合功率計(jì)掃描得到這條曲線(xiàn)。

　　示波器的帶寬主要取決于前端的衰減器和放大器的帶寬，因此大的示波器廠(chǎng)商都有自己特有的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)高的帶寬。以Keysight公司為例，其33GHz的示波器前端芯片采用InP(磷化銦)的高頻材料，并使用了MCM(Multi�睠hipModule)的多芯片封裝技術(shù)，打開(kāi)其MCBGA(多芯片BGA)芯片的屏蔽殼后(見(jiàn)圖3.2)，可以看到其內(nèi)部主要由5片InP材料的芯片采用三維工藝封裝而成。其中包含2片33GHz帶寬InP材料做成的放大器，可以同時(shí)支持2個(gè)通道的信號(hào)輸入；2片InP材料做成的觸發(fā)芯片以及1片InP材料做成的80GSa/s的采樣保持電路；所有芯片采用快膜封裝技術(shù)封裝在一個(gè)密閉的屏蔽腔體內(nèi)。

　　圖3.2采用InP材料的示波器前端芯片

　　隨著信號(hào)頻率和數(shù)據(jù)速率的提高，對(duì)于示波器帶寬的需求越來(lái)越高。如果沒(méi)有能力設(shè)計(jì)高帶寬的放大器前端，或者現(xiàn)有的硬件技術(shù)無(wú)法提供足夠高的帶寬時(shí)，有時(shí)會(huì)采用一些其他的方式來(lái)提升帶寬，其中常用到的是DSP帶寬增強(qiáng)和頻帶交織技術(shù)。

　　DSP帶寬增強(qiáng)技術(shù)實(shí)際上是一種數(shù)字DSP處理技術(shù)。采用數(shù)字DSP處理技術(shù)的初衷并不是為了增強(qiáng)帶寬，而是為了進(jìn)行頻響校正。一般寬帶放大器在帶內(nèi)各個(gè)頻點(diǎn)的增益不一定是完全一致的，所以寬帶放大器通常會(huì)有一個(gè)帶內(nèi)平坦度指標(biāo)衡量增益的波動(dòng)情況。通過(guò)用數(shù)字技術(shù)補(bǔ)償頻響波動(dòng)可以在帶內(nèi)獲得比較平坦的頻響曲線(xiàn)，獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。進(jìn)一步地，為了充分利用帶寬以外頻點(diǎn)的能量，可以通過(guò)數(shù)字處理技術(shù)把帶寬以外一部分頻率成分的能量增強(qiáng)上去，這樣-3dB對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)就會(huì)右移，相當(dāng)于帶寬提高了。圖3.3顯示了帶寬增強(qiáng)對(duì)系統(tǒng)頻響特性的改變。帶寬增強(qiáng)技術(shù)在提高帶寬的同時(shí)也會(huì)提升系統(tǒng)的高頻噪聲，所以這種技術(shù)雖然提高了帶寬，但增加了噪聲。帶寬增加越多，噪聲的放大比例越大。因此，帶寬增強(qiáng)技術(shù)雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但不適用于大比例增加系統(tǒng)帶寬。反過(guò)來(lái)，用數(shù)字處理技術(shù)還可以根據(jù)需要壓縮帶寬。帶寬壓縮的同時(shí)一部分頻率成分的噪聲也被濾掉，所以在不需要高帶寬時(shí)可以降低系統(tǒng)噪聲。帶寬增強(qiáng)和壓縮技術(shù)在很多高端示波器上都有使用。

　　圖3.3DSP帶寬增強(qiáng)技術(shù)

　　除了DSP帶寬增強(qiáng)以外，頻帶交織技術(shù)也是另一種提升帶寬的方法。頻帶交織技術(shù)是在頻域上把信號(hào)分成兩個(gè)或多個(gè)頻段處理，例如把輸入信號(hào)分成低頻段和高頻段兩個(gè)頻段分別采樣和處理，再用DSP技術(shù)合成在一起。圖3.4是頻帶交織技術(shù)實(shí)現(xiàn)的原理。例如，假設(shè)放大器硬件帶寬只能做到16GHz，而希望實(shí)現(xiàn)25GHz的帶寬，這就要把16GHz以下的能量濾波后用一個(gè)放大器放大后采樣，16~25GHz的能量經(jīng)濾波、下變頻后再用另一個(gè)放大器放大后采樣。這種方法推廣開(kāi)來(lái)可以3個(gè)頻段或4個(gè)頻段復(fù)用實(shí)現(xiàn)更高的帶寬。但是有射頻知識(shí)的人都知道，硬件上是做不出來(lái)那么理想的濾波器，正好把需要的頻率都放進(jìn)來(lái)，同時(shí)把不需要的頻率分量都濾掉的，而且寬帶信號(hào)的下變頻的過(guò)程會(huì)產(chǎn)生非常多的信號(hào)混疊和雜散問(wèn)題。因此，使用這種方法后，如果硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)學(xué)修正方法不好，在頻段的交界點(diǎn)附近會(huì)有很大的問(wèn)題，最典型的表現(xiàn)就是在頻段交界點(diǎn)附近噪聲會(huì)明顯抬高，信號(hào)失真明顯變大。

　　圖3.4頻帶交織技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

　　2.示波器的采樣率

　　被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)示波器前端的放大、衰減等信號(hào)調(diào)理電路后，接下來(lái)就是進(jìn)行信號(hào)采樣和數(shù)字量化。信號(hào)采樣和數(shù)字化的工作是通過(guò)高速的A/D轉(zhuǎn)換器(ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器)完成的，示波器的采樣率就是指對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)采樣時(shí)鐘的頻率。

　　圖3.5數(shù)字采樣的概念

　　真正輸入示波器的信號(hào)在時(shí)間軸和電壓軸上都是連續(xù)變化的，但是這樣的信號(hào)無(wú)法用數(shù)字的方法進(jìn)行描述和處理，數(shù)字化的過(guò)程就是用高速ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化的過(guò)程。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，在時(shí)間和電壓上連續(xù)變化的波形就變?yōu)橐粋�(gè)個(gè)連續(xù)變化的數(shù)字化的樣點(diǎn)，如圖3.5所示。

　　在進(jìn)行采樣或者進(jìn)行數(shù)字量化的過(guò)程中，如果要盡可能真實(shí)地重建波形，最關(guān)鍵問(wèn)題是在時(shí)間軸上的采樣點(diǎn)是否足夠密以及在垂直方向的電壓的量化級(jí)數(shù)。水平方向采樣點(diǎn)的間隔取決于示波器的ADC的采樣率，而垂直方向的電壓量化級(jí)數(shù)則取決于ADC的位數(shù)。

　　對(duì)于實(shí)時(shí)示波器來(lái)說(shuō)，目前普遍采用的是實(shí)時(shí)采樣方式。所謂實(shí)時(shí)采樣，就是對(duì)被測(cè)的波形信號(hào)進(jìn)行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣，然后根據(jù)這些連續(xù)采樣的樣點(diǎn)重構(gòu)或恢復(fù)波形。在實(shí)時(shí)采樣過(guò)程中，很關(guān)鍵的一點(diǎn)是要保證示波器的采樣率要比被測(cè)信號(hào)的變化快很多。那么究竟要快多少呢？可以參考數(shù)字信號(hào)處理中的奈奎斯特(Nyquist)定律。Nyquist定律告訴我們，如果被測(cè)信號(hào)的帶寬是有限的，那么在對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化時(shí)，如果采樣率是被測(cè)信號(hào)帶寬的2倍以上，就可以完全重建或恢復(fù)出信號(hào)中承載的信息。

　　圖3.6是滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定律的情況：被測(cè)信號(hào)的帶寬為B，示波器的采樣率為Fs。當(dāng)用Fs的采樣率對(duì)帶寬為B的信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，從頻譜上看以Fs的整數(shù)倍為中心會(huì)出現(xiàn)重復(fù)的信號(hào)頻譜，有時(shí)稱(chēng)為鏡像頻譜。如果B2B時(shí)，信號(hào)的各個(gè)鏡像頻譜不會(huì)產(chǎn)生重疊，就可以在采樣后通過(guò)合適的重建濾波器把需要的信號(hào)恢復(fù)出來(lái)。

　　圖3.7是不滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定律的情況：如果B>Fs/2或者說(shuō)Fs<2B時(shí)，信號(hào)的各個(gè)鏡像頻譜可能會(huì)產(chǎn)生重疊，這時(shí)我們稱(chēng)信號(hào)產(chǎn)生了混疊，混疊后無(wú)論采用什么樣的濾波方式都不可能再把信號(hào)中承載的信息無(wú)失真地恢復(fù)出來(lái)了。

　　圖3.6滿(mǎn)足奈奎斯特條件時(shí)采樣到的信號(hào)的頻譜

　　圖3.7不滿(mǎn)足奈奎斯特條件采樣時(shí)的頻譜混疊

　　更嚴(yán)重的混疊情況發(fā)生在示波器的采樣率低于被測(cè)信號(hào)頻率的情況下。為了更清楚地展示這個(gè)問(wèn)題，下面通過(guò)一個(gè)例子，看看對(duì)同一個(gè)正弦波信號(hào)用不同采樣率采樣時(shí)會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象。

　　圖3.8和圖3.9是示波器分別用20GSa/s的采樣率和5GSa/s的采樣率對(duì)1.7GHz的正弦波進(jìn)行采樣并重建波形的情況，兩張圖都可以清晰看到原始信號(hào)的波形并可以相對(duì)準(zhǔn)確地測(cè)量到信號(hào)的頻率等參數(shù)。

　　圖3.8用20GSa/s的采樣率對(duì)1.7GHz的正弦波采樣得到的信號(hào)波形

　　圖3.9用5GSa/s的采樣率對(duì)1.7GHz的正弦波采樣得到的信號(hào)波形

　　接下來(lái)所有情況不變，我們把示波器的采樣率分別設(shè)置到2.5GSa/s和1GSa/s，此時(shí)1.7GHz的正弦波信號(hào)經(jīng)示波器采樣和重建以后，在示波器屏幕上仍然能看到一個(gè)正弦波信號(hào)，但是仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，這個(gè)正弦波信號(hào)的頻率的測(cè)量結(jié)果是分別是800MHz和300MHz如圖3.10和圖3.11所示。這時(shí)就是產(chǎn)生了信號(hào)的混疊：雖然在示波器上仍然能看到一個(gè)波形，而且波形看起來(lái)沒(méi)有太大問(wèn)題，但頻率是發(fā)生了搬移的，有時(shí)又稱(chēng)為假波。

　　圖3.10用2.5GSa/s的采樣率對(duì)1.7GHz的正弦波采樣得到的信號(hào)波形

　　圖3.11用1GSa/s的采樣率對(duì)1.7GHz的正弦波采樣得到的信號(hào)波形

　　假波的特點(diǎn)是在屏幕上的顯示是不穩(wěn)定的，而且隨著采樣率的變化波形的頻率會(huì)發(fā)生變化。如果被測(cè)信號(hào)是數(shù)字信號(hào)或者脈沖信號(hào)，其頻譜成分會(huì)更加復(fù)雜，這時(shí)不一定是信號(hào)頻率發(fā)生變化才表示產(chǎn)生了混疊，很多時(shí)候上升、下降沿形狀的不穩(wěn)定的跳動(dòng)也可能是由于信號(hào)混疊造成的。避免假波或混疊的根本方法是保證示波器的采樣率是被測(cè)信號(hào)帶寬的2倍以上。示波器前面的放大器、衰減器等信號(hào)調(diào)理電路都有一定的帶寬，這就是示波器標(biāo)稱(chēng)的硬件帶寬，因此超過(guò)示波器帶寬的信號(hào)頻率成分即使能進(jìn)入示波器內(nèi)部也已經(jīng)被衰減得比較厲害�，F(xiàn)在的數(shù)字示波器的最高采樣率一般都可以保證采樣率超過(guò)示波器帶寬的2倍以上(考慮到示波器的頻響方式的不同，實(shí)際示波器的最高采樣率可能會(huì)是其帶寬的2.5倍或4倍以上)，但是在實(shí)際使用中，由于內(nèi)存深度的限制，示波器有可能會(huì)在時(shí)基刻度打得比較長(zhǎng)時(shí)降低采樣率，這時(shí)就需要特別注意混疊或者假波的產(chǎn)生。如果實(shí)在需要采集比較長(zhǎng)的時(shí)間同時(shí)又需要比較高的采樣率，可以考慮擴(kuò)展示波器的內(nèi)存深度或者采用其他的采樣方式(例如分段存儲(chǔ))。

　　對(duì)于帶限的調(diào)制信號(hào)來(lái)說(shuō)(例如1.7GHz的載波，調(diào)制帶寬為10MHz)，如果示波器的采樣率雖然不滿(mǎn)足信號(hào)載波頻率的2倍以上的要求，但是滿(mǎn)足信號(hào)調(diào)制帶寬2倍以上的條件。此時(shí)有可能采樣到的信號(hào)雖然載波頻率發(fā)生了搬移，但是信號(hào)的調(diào)制信息還完整保留，這時(shí)仍然可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行正確的解調(diào)。這種采樣方式有時(shí)又稱(chēng)為欠采樣，在無(wú)線(xiàn)通信的信號(hào)采樣中有廣泛應(yīng)用。欠采樣實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似數(shù)字下變頻的效果，在欠采樣情況下，示波器可以用比較低的采樣率進(jìn)行采樣，因此節(jié)約了內(nèi)存深度，從而可以采集更長(zhǎng)的時(shí)間，欠采樣是我們?cè)谶M(jìn)行信號(hào)解調(diào)時(shí)比較常用的一種采樣方式。但是注意的是，欠采樣也要滿(mǎn)足采樣率是信號(hào)帶寬2倍以上的條件，同時(shí)要保證混疊以后的信號(hào)頻譜不要跨越相鄰的奈奎斯特區(qū)間，因此需要慎重使用。

　　為了避免信號(hào)的混疊，放大器后面A/D采樣的速率至少在帶寬的2倍以上甚至更高。隨著高帶寬示波器的帶寬達(dá)到了幾十GHz以上，目前市面上根本沒(méi)有能支持這么高采樣率的單芯片的ADC，因此目前市面上高帶寬示波器無(wú)一例外都需要使用ADC的交織技術(shù)，即使用多片ADC交錯(cuò)采集以實(shí)現(xiàn)更高的采樣率。

　　圖3.12是TI公司提供的一種對(duì)其高速ADC進(jìn)行交織的實(shí)現(xiàn)方式(來(lái)源：www.ti.com)。在進(jìn)行交織時(shí)，信號(hào)經(jīng)放大后分為2路，送給2片ADC芯片采樣，2片ADC的采樣時(shí)鐘有180°的相位差。這樣在一個(gè)采樣時(shí)鐘周期內(nèi)2片ADC共采了2個(gè)樣點(diǎn)，相當(dāng)于采樣率提高了1倍。經(jīng)2片ADC分別采樣后，后續(xù)軟件在做波形顯示時(shí)需要把2片ADC采到的樣點(diǎn)交替顯示，從而重構(gòu)波形。

　　圖3.12典型的ADC交織方式

　　要實(shí)現(xiàn)多片ADC的拼接，要求各片ADC芯片的偏置、增益的一致性要好，而且對(duì)信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)延要精確控制。偏置和增益的一致性相對(duì)比較好解決一些，例如可以通過(guò)校準(zhǔn)消除其偏置和增益誤差。但是信號(hào)和采樣時(shí)鐘的時(shí)延控制就比較難了，因?yàn)楦邘�寬示波器中使用的ADC的采樣時(shí)鐘的一個(gè)周期只有幾十ps，ps級(jí)的誤差或者抖動(dòng)都會(huì)造成非常大的影響。圖3.13顯示了當(dāng)2片ADC的時(shí)鐘相位差不是理想的180°時(shí)對(duì)波形重建造成的影響。

　　圖3.13不理想的ADC芯片拼接帶來(lái)波形失真

　　當(dāng)采用多片ADC在PCB板上直接進(jìn)行拼接時(shí)，由于PCB上走

　　圖3.14采樣保持后再進(jìn)行信號(hào)分配的ADC拼接方式

　　線(xiàn)時(shí)延受環(huán)境溫度、噪聲等影響比較大，很難實(shí)現(xiàn)精確的時(shí)延控制，所以在PCB板上直接進(jìn)行簡(jiǎn)單的ADC拼接很難做得非常好。而對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，由于其采樣率高達(dá)幾十GHz，因此幾個(gè)ps的走線(xiàn)延時(shí)都會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生非常大的影響。為了解決這個(gè)問(wèn)題，比較好的方法是先進(jìn)行采樣保持，再進(jìn)行信號(hào)的分配和采樣。如圖3.14所示，由于采樣保持電路集成在前端芯片內(nèi)部，在芯片內(nèi)可以做很好的屏蔽和時(shí)延控制，所以采樣點(diǎn)時(shí)刻的控制可以非常精確。而送給PCB板上各ADC芯片的信號(hào)由于已經(jīng)經(jīng)過(guò)采樣保持，所以信號(hào)會(huì)保持一段時(shí)間。這樣即使在PCB板上的信號(hào)路徑或ADC的采樣時(shí)鐘有些時(shí)延誤差或抖動(dòng)，只要其范圍不超過(guò)一個(gè)采樣時(shí)鐘周期，就不會(huì)對(duì)采集到信號(hào)的幅度以及最后的波形重建造成影響。

　　3.示波器的內(nèi)存深度

　　對(duì)于高速的數(shù)字實(shí)時(shí)示波器來(lái)說(shuō)，由于其采樣率很高，這個(gè)高速的數(shù)據(jù)以現(xiàn)有的數(shù)字處理技術(shù)是不可能實(shí)時(shí)處理的。所以數(shù)字示波器在工作時(shí)都是先把信號(hào)采集一段到其高速緩存中，然后再把緩存中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)顯示。這段緩存的深度，有時(shí)也稱(chēng)為示波器的內(nèi)存深度，決定了示波器在進(jìn)行一次連續(xù)采集時(shí)所能采集到的最長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度。通常用以下公式計(jì)算示波器能夠一次連續(xù)采集的波形長(zhǎng)度：時(shí)間長(zhǎng)度=內(nèi)存深度/采樣率。

　　需要注意的是，一般我們所說(shuō)的示波器的內(nèi)存深度是這臺(tái)示波器配置的最大內(nèi)存深度。由于內(nèi)存深度設(shè)置很深時(shí)示波器要處理的數(shù)據(jù)量很多，可能波形的更新速度會(huì)很慢。很多示波器廠(chǎng)商為了改善用戶(hù)使用的感受，默認(rèn)會(huì)根據(jù)示波器時(shí)基刻度的調(diào)整自動(dòng)調(diào)整所用的內(nèi)存深度。而當(dāng)內(nèi)存深度增加到最大仍然不足以保證采集更長(zhǎng)的時(shí)間時(shí)，示波器通常會(huì)自動(dòng)降低采樣率以獲得更長(zhǎng)的采樣時(shí)間。圖3.15是示波器中常用的調(diào)整時(shí)基刻度和波形水平位置的旋鈕。

　　圖3.15示波器調(diào)整水平時(shí)基的旋鈕

　　因此，在增加示波器的時(shí)基刻度時(shí)，很重要的一點(diǎn)是注意觀察示波器采樣率的變化。如果示波器的內(nèi)存深度不足，在增大時(shí)基刻度時(shí)很容易造成采樣率的下降。如果要分析的是低速的信號(hào)，采樣率下降不會(huì)造成問(wèn)題；但如果要分析的是高頻的信號(hào)、很窄的脈沖或者Burst的高速數(shù)據(jù)流，采樣率的下降就有可能造成信號(hào)的失真或者混疊。很多示波器也支持手動(dòng)設(shè)置示波器的采樣率和內(nèi)存深度，手動(dòng)設(shè)置后示波器的采樣率和內(nèi)存深度一般不會(huì)再隨著時(shí)基刻度的變化而變化，但是示波器能夠采集的最長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度也定死了。圖3.16是一個(gè)例子，示波器的采樣率是80GSa/s，內(nèi)存深度是800k樣點(diǎn)，總共采集的波形時(shí)間長(zhǎng)度=(800k/80G)=10μs。

　　圖3.16以80GSa/s的采樣率采集800k樣點(diǎn)的波形

　　如果出于保證測(cè)量精度的考慮，示波器的采樣率不能下降，但同時(shí)還想采集更長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度，只有擴(kuò)充示波器的內(nèi)存深度。由于示波器的內(nèi)存是高速的緩存，而且大內(nèi)存的管理對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的要求也很高，需要專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)處理芯片，因此示波器的內(nèi)存深度擴(kuò)展的價(jià)格一般都非常昂貴。目前市面上實(shí)時(shí)示波器中內(nèi)存深度最多可以達(dá)到每通道2G采樣點(diǎn)。

　　4.示波器的死區(qū)時(shí)間

　　前面介紹過(guò)，對(duì)于模擬示波器來(lái)說(shuō)，由于沒(méi)有數(shù)據(jù)處理的中間環(huán)節(jié)，信號(hào)通過(guò)掃描直接在屏幕上顯示，除了回掃的時(shí)間外，在信號(hào)捕獲和顯示上幾乎沒(méi)有間斷。而對(duì)于數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，由于采樣率很高，現(xiàn)有的技術(shù)又無(wú)法對(duì)這么大的數(shù)據(jù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，所以采集完一段波形后必須停下來(lái)等待數(shù)據(jù)處理和顯示。如圖3.17所示，在這段處理和顯示的時(shí)間段內(nèi)，示波器不響應(yīng)觸發(fā)也不進(jìn)行波形捕獲，因此這段時(shí)間稱(chēng)為示波器的死區(qū)時(shí)間(DeadTime)。

　　圖3.17死區(qū)時(shí)間的概念

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