實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器的區(qū)別是什么

在過去從事工程學(xué)工作時(shí)，我曾經(jīng)接手一個(gè)研究項(xiàng)目——把D型光纖浸在酸液池中數(shù)小時(shí)，表征它的光傳輸特性。我發(fā)現(xiàn)有一個(gè)全新的示波器，于是選擇它作為工具。連續(xù)兩周我都在開發(fā)測(cè)試夾具和編寫軟件，由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，我向一位資深工程師尋求幫助。工程師提出第一個(gè)問題：“你為什么要使用采樣示波器來完成這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)?”這個(gè)問題讓我感到意外。我開始思索采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器有什么區(qū)別?兩者的應(yīng)用范圍有哪些不同，哪些是可以覆蓋的?

實(shí)時(shí)示波器通常被稱為DSO(數(shù)字存儲(chǔ)示波器)或MSO(混合信號(hào)示波器)。目前在售的大部分示波器都是實(shí)時(shí)示波器。實(shí)時(shí)示波器的帶寬范圍從幾MHz到幾十GHz，價(jià)位在幾百美元到幾十萬美元不等。采樣示波器通常被稱為DCA(數(shù)字通信分析儀)，帶寬范圍從幾十GHz起，主要用于分析高速串行總線、光設(shè)備和時(shí)鐘信號(hào)。隨著帶寬的增加，采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器開始在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域中重合。

實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器的數(shù)字化之路基本相同。輸入信號(hào)經(jīng)過示波器的前端信號(hào)調(diào)節(jié)電路，數(shù)字化之后保存到存儲(chǔ)器，最后在屏幕上顯示。然而，兩種示波器的基本技術(shù)則大相徑庭。

實(shí)時(shí)示波器

實(shí)時(shí)示波器包括觸發(fā)ASIC技術(shù)，允許用戶指定感興趣的事件，例如上升電壓閾值、建立和保持違規(guī)或碼型觸發(fā)。常規(guī)采集模式中，當(dāng)示波器的觸發(fā)電路觀測(cè)到這個(gè)事件時(shí)，示波器將會(huì)捕獲并保存在觸發(fā)點(diǎn)附近的連續(xù)采樣點(diǎn)，并使用已捕獲數(shù)據(jù)更新顯示屏。實(shí)時(shí)示波器可工作在單次捕獲模式或連續(xù)捕獲模式。在單次模式下，示波器根據(jù)存儲(chǔ)器深度和采樣率設(shè)置，進(jìn)行單次采集并顯示一組連續(xù)樣本。在示波器捕獲了單條軌跡之后，用戶能夠平移和縮放到任意感興趣的事件。在連續(xù)運(yùn)行模式下，示波器連續(xù)采集并顯示每一個(gè)與觸發(fā)技術(shù)指標(biāo)匹配的條件。可變余輝或無限余輝可使多個(gè)已捕獲信號(hào)覆蓋在初始信號(hào)上。連續(xù)模式允許用戶對(duì)被測(cè)器件進(jìn)行實(shí)時(shí)查看?？稍趩未尾杉蜻B續(xù)重復(fù)采集模式中進(jìn)行上升時(shí)間或脈寬測(cè)量、數(shù)學(xué)函數(shù)或FFT分析。大部分帶寬低于6GHz的實(shí)時(shí)示波器包括lMΩ和50MΩ輸入，可與多種探頭和電纜搭配使用。

實(shí)時(shí)示波器有三個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)定義，即：帶寬、采樣率和存儲(chǔ)器深度。在選擇實(shí)時(shí)示波器時(shí)，還需要考慮其它更重要的技術(shù)指標(biāo)。

具有深存儲(chǔ)器的示波器具備以下三個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：

1. 深存儲(chǔ)器能以特定采樣率捕獲更長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)。存儲(chǔ)器容量用于確定每次采集能夠保存多少個(gè)樣本，并確定捕獲時(shí)間窗口。單次采集所捕獲的樣本越多，越有可能觀察到罕見事件。

2. 深存儲(chǔ)器可使用戶在較慢時(shí)基上維持較高采樣率，以實(shí)現(xiàn)更高的精度。例如，使用10Mpts存儲(chǔ)器和l0GSa/s采樣率，水平軸可以設(shè)置為lus/格。如果用戶選擇10 us/格的時(shí)基設(shè)置，示波器將會(huì)把采樣率降低到之前的1/10運(yùn)行，以便捕獲所需的時(shí)間窗口。具有100Mpts存儲(chǔ)器的示波器可使用戶保持較快的10GSa/s采樣率，同時(shí)捕獲10 us時(shí)間窗口。

3. 深存儲(chǔ)器支持更精確的統(tǒng)計(jì)測(cè)量和數(shù)學(xué)運(yùn)算。通過觀察一系列上升沿的時(shí)間間隔誤差的邊沿，F(xiàn)FT和抖動(dòng)測(cè)量均能從深存儲(chǔ)器采集中獲益。

采樣示波器

采樣示波器專為捕獲、顯示與分析重復(fù)信號(hào)而設(shè)計(jì)。觸發(fā)能力同樣也是針對(duì)重復(fù)信號(hào)而設(shè)置。當(dāng)滿足第一次觸發(fā)條件時(shí)，采樣示波器將會(huì)捕獲一組具有時(shí)間間隔的非鄰近樣本。示波器延遲這個(gè)觸發(fā)點(diǎn)并開始下一組捕獲，并將已捕獲的點(diǎn)與第一組樣本共同放在顯示屏中。在無限余輝模式中重復(fù)這項(xiàng)操作，可以創(chuàng)建一個(gè)波形，不必進(jìn)行連續(xù)采集。觸發(fā)與延時(shí)是其中的技術(shù)要素，用于控制觸發(fā)之間的時(shí)間分辨率，以實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度。由于每次觸發(fā)僅會(huì)捕獲和處理幾個(gè)點(diǎn)，存儲(chǔ)器深度不屬于關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。采樣率也不是關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。但是，首個(gè)觸發(fā)條件和下一個(gè)觸發(fā)條件之間的時(shí)間間隔精度，這一點(diǎn)才是最重要的。

采樣示波器與實(shí)時(shí)示波器

如前所述，實(shí)時(shí)示波器的帶寬現(xiàn)已超過60GHz，而采樣示波器的帶寬已達(dá)90GHz以上。因而對(duì)于大部分?jǐn)?shù)字應(yīng)用，帶寬不再是選擇適當(dāng)示波器的便捷之道。但話雖如此，價(jià)格仍然是主要差別。全配置的采樣示波器(50GHz)的價(jià)格低于15萬美元，而實(shí)時(shí)示波器的價(jià)格接近40萬美元。設(shè)計(jì)人員必須要確定，實(shí)時(shí)示波器的出色靈活性是否與高成本相匹配。

噪聲和信噪比

采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器有很多不同之處。采樣示波器具有14位ADC和極寬的動(dòng)態(tài)范圍，能夠查看從幾mV至全量程范圍內(nèi)的信號(hào)，無需衰減。因此，采樣示波器在不同的V/格垂直軸設(shè)置中保持極低噪聲。實(shí)時(shí)示波器的動(dòng)態(tài)范圍被限定在8位，但其有效位數(shù)約為6位。受限于信噪比，實(shí)時(shí)示波器必須利用衰減器/放大器以正確地顯示幾mV到幾V的信號(hào)。這意味著，實(shí)時(shí)示波器的噪聲要高于采樣示波器。采樣示波器的低噪聲使其成為測(cè)量的“最佳標(biāo)準(zhǔn)”。然而，實(shí)時(shí)示波器不斷改進(jìn)，業(yè)已開始縮短兩者在信號(hào)完整性上的差距。

頻率響應(yīng)

頻率響應(yīng)也是用戶在選擇實(shí)時(shí)示波器還是采樣示波器時(shí)的考慮因素。一般來說，采樣示波器不會(huì)使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)校正技術(shù)，其頻率響應(yīng)會(huì)緩慢下降(硬件響應(yīng))，看上去更像是高斯型。實(shí)時(shí)示波器采用DsP校正自身的頻率響應(yīng)。例如，Agilent DSOX93304Q在整個(gè)通帶內(nèi)使用乎坦頻率響應(yīng)，這意味著它的增益變化在整個(gè)頻率范圍內(nèi)不會(huì)超過ldB。實(shí)時(shí)示波器的頻率響應(yīng)可以改變。一些示波器廠商提供多達(dá)5個(gè)具備不同特征的響應(yīng)。在進(jìn)行同類產(chǎn)品比較時(shí)，平坦響應(yīng)與高斯響應(yīng)可使兩個(gè)測(cè)量極其不同。例如，高斯?jié)L降會(huì)對(duì)測(cè)量造成影響并添加碼間干擾。如果信號(hào)速度足夠快，超出示波器的帶寬，那么滾降速度較快的平坦響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)振鈴。不論哪種情況，用戶必須了解硬件對(duì)測(cè)量的影像。

時(shí)鐘恢復(fù)的區(qū)別

時(shí)鐘恢復(fù)是示波器測(cè)量的關(guān)鍵因素。它支持構(gòu)建實(shí)時(shí)眼圖、模板測(cè)試和抖動(dòng)分離?；謴?fù)時(shí)鐘是用于測(cè)量比較的參考時(shí)鐘。近來，采樣示波器完全依賴硬件進(jìn)行時(shí)鐘恢復(fù)。由此，無論是外部時(shí)鐘還是采樣示波器提供的內(nèi)部10MHz時(shí)鐘，恢復(fù)系統(tǒng)都容易產(chǎn)生誤差。如今這種情形已不復(fù)存在。安捷倫采樣示波器現(xiàn)可提供基于軟件的時(shí)鐘恢復(fù)系統(tǒng)，非常適合進(jìn)行精確的時(shí)鐘恢復(fù)。實(shí)時(shí)示波器往往使用軟件時(shí)鐘恢復(fù)，也可以用外時(shí)鐘。軟件時(shí)鐘恢復(fù)的優(yōu)勢(shì)是不易產(chǎn)生硬件誤差，無需考慮數(shù)據(jù)速率。

除了硬件時(shí)鐘恢復(fù)和軟件時(shí)鐘恢復(fù)的區(qū)別之外，用戶必須關(guān)注所使用的時(shí)鐘恢復(fù)算法。采樣示波器使用抖動(dòng)傳遞函數(shù)(JTF)，實(shí)時(shí)示波器使用0JTF。與JTF相比，0JTF能夠減少更多的低頻抖動(dòng)。因此，實(shí)時(shí)示波器中的抖動(dòng)明顯低于采樣示波器。兩種示波器使用相同的傳遞函數(shù)，即可重置抖動(dòng)數(shù)目。采樣示波器的性能在最近得到了改善，可以更輕松地進(jìn)行抖動(dòng)比較。

何時(shí)使用采樣示波器或?qū)崟r(shí)示波器

過去，采樣示波器具有最大帶寬和固有抖動(dòng)，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)時(shí)示波器。在過去十年里，實(shí)時(shí)示波器已經(jīng)極大地縮短了兩者的性能差距，向需要進(jìn)行收發(fā)信機(jī)測(cè)試的用戶提供靈活的選擇——使用實(shí)時(shí)示波器還是采樣示波器。采樣示波器仍然具備較低抖動(dòng)和極高動(dòng)態(tài)范圍，是在可控的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行表征的理想工具。假設(shè)您的信號(hào)可重復(fù)或使用實(shí)時(shí)眼圖進(jìn)行捕獲，采樣示波器將會(huì)真實(shí)地描述信號(hào)。

實(shí)時(shí)示波器擁有出色的靈活性，使它更具吸引力。如果用戶正在進(jìn)行調(diào)試，想要觸發(fā)難以查找的事件，實(shí)時(shí)示波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。實(shí)時(shí)示波器的用戶可從眾多一致性測(cè)試、協(xié)議觸發(fā)與解碼、分析應(yīng)用軟件中選擇自己所需。實(shí)時(shí)示波器還能測(cè)量單次捕獲的抖動(dòng)，非常適合分析故障根源。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用實(shí)時(shí)示波器進(jìn)行發(fā)射機(jī)測(cè)試。這意味著，用戶需要借助實(shí)時(shí)示波器確保設(shè)備的“一致性”。

圖1采樣示波器與實(shí)時(shí)示波器一樣，提供眼圖、直方圖和抖動(dòng)測(cè)量。憑借高帶寬、模塊性和低價(jià)位，采樣示波器要比實(shí)時(shí)示波器更能適應(yīng)制造環(huán)境

圖2 實(shí)時(shí)示波器現(xiàn)可提供高達(dá)63GHz的帶寬，先進(jìn)抖動(dòng)分析應(yīng)用淡化了實(shí)時(shí)示波器和采樣示波器在研發(fā)階段的區(qū)別

結(jié)論

實(shí)時(shí)示波器對(duì)于大部分示波器應(yīng)用來講非常適用。實(shí)時(shí)示波器提供各種帶寬范圍，能夠捕獲單次事件和重復(fù)信號(hào)，已經(jīng)縮短了與采樣示波器在高頻測(cè)量方面的差距(例如抖動(dòng)和發(fā)射機(jī)表征)。如果您的應(yīng)用包括要求低抖動(dòng)和高動(dòng)態(tài)范圍的重復(fù)波形，采樣示波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。采樣示波器還具有較低的初始成本和模塊化升級(jí)功能，非常適合電子和光生產(chǎn)測(cè)試應(yīng)用。如果是在20GHz以上的頻率工作，不確定哪一種示波器合適，建議與同時(shí)生產(chǎn)采樣示波器和實(shí)時(shí)示波器的廠商聯(lián)系。與僅生產(chǎn)實(shí)時(shí)示波器或采樣示波器的廠商相比，他們更能幫助您選擇最符合需求的示波器類型。