如何选择混合信号示波器

如何选择混合信号示波器

无论你是经常还是偶尔使用示波器，选择一款如你所需的合适示波器都是非常必要的。当市场上只有模拟示波器的时候，我们可选择的余地很小。但是在今天日益扩展的数字世界中，示波器的显示性能在很大程度上取决于数字处理算法。而且，示波器的功能也更加强大，例如能够进行自动测量和内部分析，这些都为用户节省了测试时间，降低了工作复杂度。
　　为何选择MSO

　　MSO（mixed signal oscilloscope，混合信号示波器）从某种意义上说可以真正取代传统的数字示波器，因为MSO除了能够显示柱状图、波形函数、FFT和眼图之外，同样还具有模拟分析功能，例如标准的时间与电压测量功能，可以测量上升/下降时间、频率和过冲幅度。MSO也具有基本的数字时序分析功能和深度存储能力。

　　MSO非常适合两种主要的测量应用：

　　包含较慢的模拟信号与较快的数字信号的真实混合信号环境；

　　需要观察总线上多个数字通道之间的时序关系，同时要保证多个信号完整性的纯数字测量环境。

　　现在的市场上有多种混合信号示波器，但是如果系统地进行评估（参见图1），那么你不难选择出最能够满足你测量要求的示波器。
 

　　图1 逐步的分析有助于搞清楚示波器的选择过程

　　带宽是所有示波器最重要的一个指标，因为带宽决定了你能够以所需的逼真度显示的最高频率。而且，带宽对示波器的价格影响很大。我们已经进入示波器数字化的时代，示波器的带宽不再仅仅是指模拟放大器本身的带宽。为了确保所选择的示波器为应用提供足够的带宽，你必须仔细考虑目前和今后将会观察的信号频率。

　　上升时间决定了示波器带宽需求的下限。假设最小的信号带宽=0.5/（信号上升时间）。为了对信号进行精确的观察和测量，示波器的带宽至少应该比上述频率值大三倍。也就是说：

　　信号带宽≥0.5/（信号上升时间）

　　示波器带宽≥3×信号带宽

　　需要多少通道

　　乍一看来，通道数量似乎是一个简单的问题。然而，对于如今的数字电路设计者来说，传统的2通道和4通道示波器常常无法为触发和观察所有感兴趣的信号提供足够的通道。

　　而MSO除了具备常规示波器的两个或四个模拟通道之外，还具有多个逻辑时序通道。例如，安捷伦推出的54832D混合信号示波器就是一种全功能示波器，除了具有四个模拟通道之外还有16个逻辑时序通道，能够提供多达20个通道的时序触发、采集和显示功能。

　　尽管很多通用示波器的用户通常使用边沿触发功能，但是某些应用需要进行条件触发，以便将用户希望观察的事件隔离开。例如，在某些数字应用中，对多个通道上出现的特定矢量进行触发是非常必要的。以前的办法是，将一个示波器与一台逻辑分析仪结合使用，将它们各自的输入/输出触发信号连接起来，实现两台仪器的交叉触发。

　　为了简化对串行总线的测量，某些示波器已经能够对标准串行协议，例如SPI、CAN、USB、I2C和LAN进行触发。这些高级的触发功能大大节省了日常调试工作所需的时间。

　　下面以常见的SDRAM应用为例，介绍在日常调试工作中如何使用MSO。要想把SDRAM的一个写周期隔离出来，必须对RAS、CAS、WE、CS和时钟共5个不同信号的组合进行触发。因此一台常规的四通道示波器是无法胜任的。如果采用MSO，将其逻辑时序通道设置为触发RAS高电平、CAS低电平、WE高电平和CS高电平，同时采用一个模拟示波器通道观察和触发时钟的上升沿，就可以完成这一工作。在逻辑分析仪与示波器相结合的方案中，逻辑分析仪和示波器只能交叉触发，而MSO则不同，它能够在所有的示波通道和逻辑通道之间进行全带宽触发。

　　选择多大的采样率

　　对于采用数字重构（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带宽下使用各个通道，那么所需的采样率至少是示波器带宽的4倍。如今大多数的示波器都采用了某种形式的数字重构功能，但是对于没有这一功能的示波器来说，这一倍数实际上达到了10倍。

　　大多数示波器也采用了某种形式的A/D转换器交叉，即将两个通道的转换器组合起来对一个通道进行采样，从而使2通道或者4通道示波器中一个通道的采样率增大了一倍。示波器公开的使用说明书上可能引用了这一最大采样率，而没有指出这一采样率只对一个通道有效。如果你想购买一台四通道示波器，那么你很有可能希望多个通道都具有全带宽功能。

　　另外一种判断采样率的方法就是看两个采样点之间希望达到的分辨率。我们可以把采样率简单地看成是所需分辨率的倒数。例如，如果你需要在两点之间达到1ns的分辨率，那么得到这一分辨率的采样率为1/(1 ns)，即每秒1G次采样。

　　选择多大的存储深度

　　先进的存储技术使用户能够对存储在存储器中的采集数据进行很多后处理工作，例如捕捉波形、放大波形观察细节、进行数学运算和测量等工作。

 　　最新的示波器技术能够为用户提供又快又深的存储器。然而在使用第一代深存储示波器时的情况则截然不同，用户必须针对特定的测量工作估计他所需的存储器容量。如果用户估计错误，那么用户必须进一步增大存储器，重新进行测量，这是非常费时的过程。判断所需存储深度的一个经验方法是：

　　* 存储深度 ≥采样率×屏幕刷新所需的最大时间

　　搞清楚示波器使用所存储信息的方式是很重要的。人们通常认为，示波器的最大采样率适用于包括低频/慢扫描速度在内的所有时基设置上，这样一来示波器所需的存储器容量将大的惊人，没有人会买的起。因为存储深度总是有限的，当把时基设置为较慢的扫描速度时，所有的示波器都必须降低采样率。换句话说，示波器的存储深度越深，能够在任意给定采样率下捕捉到的时间间隔越长。

　　由于响应速度较慢，示波器厂商常常限制用户只能在某种特殊模式下使用深度存储器，因此只有当深度存储非用不可时测试工程师才会用到它。尽管近些年来示波器厂商已经在深度存储架构方面有所进展，但是某些示波器在工作时仍然比较慢而且费时。在购买示波器之前，一定要考察示波器在最深的存储设置下的响应特性。

　　如何分析波形

　　自动测量和内置的分析功能能够节省测试时间，简化测试工作。数字化的示波器所具有的测量特性和分析功能常常是模拟示波器所不具备的。

　　数学函数包括加法、减法、乘法、除法、积分和微分。测量统计（求最大值，最小值和平均值）功能减少了测量的不确定性，有利于用户分析噪声和时序容限。很多数字示波器还具有FFT功能。

　　在某些用户感兴趣的波形分析功能方面，示波器厂商也在中高档示波器中为用户提供了更灵活的选择。某些厂商提供了软件包，使用户能够定制复杂的测量任务，直接从示波器的用户界面上进行数学运算和后期处理。这样就不再需要把示波器的数据传送到外部PC上进行处理，大大节省了波形分析的时间。

　　在试验台上进行检查

　　当你考虑了上述所有的问题之后，你可选择的示波器可能只剩下两到三种了。接下来就是要进行试验，进行逐个对比。在试验台上测试几个例子，观察波形，这样有助于你选择能够满足你所需要的最佳示波器。

　　某些示波器厂商通常会给可能的购买者送一台示波器进行试用。如果将备选的示波器借来几天，那么就有足够的时间对其进行彻底的评价。对每台示波器进行试用时要考察的两个重要因素就是易用性和显示响应速度。

　　当评价示波器的易用性时，要注意它是否为各种常用的调节功能，例如垂直敏感度、时基速度、扫描行程和触发电平等，设置专用的旋钮。观察你从一个操作到下一个操作需要触动多少个旋钮。看一看你是否能够凭直觉操作示波器而同时把你的注意力集中在待测电路上，这一点也非常重要。

　　当你不断改变示波器的步调时，注意显示响应的速度，这个指标对于使用示波器检测应用系统或者采集大量的数据非常关键。当你改变每段的电压或者时间标度，或者改变存储深度，或者信号位置时，注意观察示波器显示屏的响应速度。在各种测量功能下测试这一响应速度，观察其是否存在明显较慢的情况。其他需要考虑的问题还有示波器厂商提供的探头的性能，以及包括GPIB、RS-232、LAN和USB接口在内的互连问题。