如何選擇混合信號示波器

如何選擇混合信號示波器

無論你是經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。當市場上只有模擬示波器的時候，我們可選擇的余地很小。但是在今天日益擴展的數字世界中，示波器的顯示性能在很大程度上取決于數字處理算法。而且，示波器的功能也更加強大，例如能夠進行自動測量和內部分析，這些都為用戶節省了測試時間，降低了工作復雜度。
　　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的數字示波器，因為MSO除了能夠顯示柱狀圖、波形函數、FFT和眼圖之外，同樣還具有模擬分析功能，例如標準的時間與電壓測量功能，可以測量上升/下降時間、頻率和過沖幅度。MSO也具有基本的數字時序分析功能和深度存儲能力。

　　MSO非常適合兩種主要的測量應用：

　　包含較慢的模擬信號與較快的數字信號的真實混合信號環境；

　　需要觀察總線上多個數字通道之間的時序關系，同時要保證多個信號完整性的純數字測量環境。

　　現在的市場上有多種混合信號示波器，但是如果系統地進行評估（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指標，因為帶寬決定了你能夠以所需的逼真度顯示的最高頻率。而且，帶寬對示波器的價格影響很大。我們已經進入示波器數字化的時代，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用提供足夠的帶寬，你必須仔細考慮目前和今后將會觀察的信號頻率。

　　上升時間決定了示波器帶寬需求的下限。假設最小的信號帶寬=0.5/（信號上升時間）。為了對信號進行精確的觀察和測量，示波器的帶寬至少應該比上述頻率值大三倍。也就是說：

　　信號帶寬≥0.5/（信號上升時間）

　　示波器帶寬≥3×信號帶寬

　　需要多少通道

　　乍一看來，通道數量似乎是一個簡單的問題。然而，對于如今的數字電路設計者來說，傳統的2通道和4通道示波器常常無法為觸發和觀察所有感興趣的信號提供足夠的通道。

　　而MSO除了具備常規示波器的兩個或四個模擬通道之外，還具有多個邏輯時序通道。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，除了具有四個模擬通道之外還有16個邏輯時序通道，能夠提供多達20個通道的時序觸發、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功能，但是某些應用需要進行條件觸發，以便將用戶希望觀察的事件隔離開。例如，在某些數字應用中，對多個通道上出現的特定矢量進行觸發是非常必要的。以前的辦法是，將一個示波器與一臺邏輯分析儀結合使用，將它們各自的輸入/輸出觸發信號連接起來，實現兩臺儀器的交叉觸發。

　　為了簡化對串行總線的測量，某些示波器已經能夠對標準串行協議，例如SPI、CAN、USB、I2C和LAN進行觸發。這些高級的觸發功能大大節省了日常調試工作所需的時間。

　　下面以常見的SDRAM應用為例，介紹在日常調試工作中如何使用MSO。要想把SDRAM的一個寫周期隔離出來，必須對RAS、CAS、WE、CS和時鐘共5個不同信號的組合進行觸發。因此一臺常規的四通道示波器是無法勝任的。如果采用MSO，將其邏輯時序通道設置為觸發RAS高電平、CAS低電平、WE高電平和CS高電平，同時采用一個模擬示波器通道觀察和觸發時鐘的上升沿，就可以完成這一工作。在邏輯分析儀與示波器相結合的方案中，邏輯分析儀和示波器只能交叉觸發，而MSO則不同，它能夠在所有的示波通道和邏輯通道之間進行全帶寬觸發。

　　選擇多大的采樣率

　　對于采用數字重構（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。如今大多數的示波器都采用了某種形式的數字重構功能，但是對于沒有這一功能的示波器來說，這一倍數實際上達到了10倍。

　　大多數示波器也采用了某種形式的A/D轉換器交叉，即將兩個通道的轉換器組合起來對一個通道進行采樣，從而使2通道或者4通道示波器中一個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通道有效。如果你想購買一臺四通道示波器，那么你很有可能希望多個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采樣點之間希望達到的分辨率。我們可以把采樣率簡單地看成是所需分辨率的倒數。例如，如果你需要在兩點之間達到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。

　　選擇多大的存儲深度

　　先進的存儲技術使用戶能夠對存儲在存儲器中的采集數據進行很多后處理工作，例如捕捉波形、放大波形觀察細節、進行數學運算和測量等工作。

 　　最新的示波器技術能夠為用戶提供又快又深的存儲器。然而在使用第一代深存儲示波器時的情況則截然不同，用戶必須針對特定的測量工作估計他所需的存儲器容量。如果用戶估計錯誤，那么用戶必須進一步增大存儲器，重新進行測量，這是非常費時的過程。判斷所需存儲深度的一個經驗方法是：

　　* 存儲深度 ≥采樣率×屏幕刷新所需的最大時間

　　搞清楚示波器使用所存儲信息的方式是很重要的。人們通常認為，示波器的最大采樣率適用于包括低頻/慢掃描速度在內的所有時基設置上，這樣一來示波器所需的存儲器容量將大的驚人，沒有人會買的起。因為存儲深度總是有限的，當把時基設置為較慢的掃描速度時，所有的示波器都必須降低采樣率。換句話說，示波器的存儲深度越深，能夠在任意給定采樣率下捕捉到的時間間隔越長。

　　由于響應速度較慢，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器，因此只有當深度存儲非用不可時測試工程師才會用到它。盡管近些年來示波器廠商已經在深度存儲架構方面有所進展，但是某些示波器在工作時仍然比較慢而且費時。在購買示波器之前，一定要考察示波器在最深的存儲設置下的響應特性。

　　如何分析波形

　　自動測量和內置的分析功能能夠節省測試時間，簡化測試工作。數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。

　　數學函數包括加法、減法、乘法、除法、積分和微分。測量統計（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序容限。很多數字示波器還具有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，使用戶能夠定制復雜的測量任務，直接從示波器的用戶界面上進行數學運算和后期處理。這樣就不再需要把示波器的數據傳送到外部PC上進行處理，大大節省了波形分析的時間。

　　在試驗臺上進行檢查

　　當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。接下來就是要進行試驗，進行逐個對比。在試驗臺上測試幾個例子，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給可能的購買者送一臺示波器進行試用。如果將備選的示波器借來幾天，那么就有足夠的時間對其進行徹底的評價。對每臺示波器進行試用時要考察的兩個重要因素就是易用性和顯示響應速度。

　　當評價示波器的易用性時，要注意它是否為各種常用的調節功能，例如垂直敏感度、時基速度、掃描行程和觸發電平等，設置專用的旋鈕。觀察你從一個操作到下一個操作需要觸動多少個旋鈕?？匆豢茨闶欠衲軌驊{直覺操作示波器而同時把你的注意力集中在待測電路上，這一點也非常重要。

　　當你不斷改變示波器的步調時，注意顯示響應的速度，這個指標對于使用示波器檢測應用系統或者采集大量的數據非常關鍵。當你改變每段的電壓或者時間標度，或者改變存儲深度，或者信號位置時，注意觀察示波器顯示屏的響應速度。在各種測量功能下測試這一響應速度，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接口在內的互連問題。