日常工作中你真的会用示波器吗？

安泰测试

　　人们经常说，电子工程师们总是幸运的，能有一种观看到内部过程的工具，例如示波器可以看到电路和系统的内部工作情况，其它行业没有能展露这些东西的工具。尽管示波器已经为用户提供了如此丰富的内容，制造商们仍在努力寻找使仪器更加超值的方法。毫无疑问，示波器设计师的原动力仍然是老三样，那就是：“更快”（指带宽和采样率）、“更深”（指采集存储的深度），以及“更便宜”。但让示波器更有用的方式还不止这些，而且发展速度也不亚于带宽、采样率和存储深度。

　　过去几年来，示波器分析与计算能力的提升没有显露出任何减缓迹象。但是，增加分析能力只是设计具有强大计算能力示波器的挑战之一。另一个重要方面是要保证最终用户不会对新的先进功能望而生畏。如果一个示波器的功能让用户使用起来非常困难，甚至宁肯放弃不用，那么这类功能还是不增加为好。示波器设计师经常把自己的作品比作汽车，而把可用性问题表述为“如何‘驱动’一台仪器。”
　　虽然示波器在电子工程师工作中有重要的地位，但大多数工程师仍只是把这种仪器看成工具而已，它是完成任务的附属品，而不是工作的目标。更方便使用既是对这种态度的响应，也是一种鼓励；当你无需考虑技术问题就能完成一次测量时，可以认为这个过程是好的。此外，在这个有严格计划和预算的领域里，可能很少有时间考虑那些对完成工作似乎不太重要的问题。小心！这种想法可能很危险（见附文1“校准示波器的高频振幅精度：比你的想像更困难”）。现代示波器似乎使困难的测量变得容易，但测量结果并不像它们表现得那么简单。如果不清楚这个事实，不去了解仪器及测量技术，就会导致错误或无意义的结果，这些缺乏效力的结果难以得到认可，从而要付出高昂代价做纠正工作。
　　徒劳的使命
　　要成为一个示波器专家，为你的应用选择最好的设备，并尽可能发挥仪器的优势，付出努力是必不可少的。有些人甚至称要找到最好的示波器或最有效的使用方法是徒劳的。首先，在选择和使用示波器时，每个工程师都有自己对“最好”和“最先进”的定义。其次，工程师用来选择示波器的数据单和售前文档都越来越多，有些会超过30页，还带有脚注和小字说明。第三，现在很多中档示波器和几乎所有高档示波器都是建立在PC基础上的，通常意味着要以Windows标准版本为基础。在这些仪器中，Windows应用软件决定了你使用示波器众多功能的方法。
　　示波器的应用程序复杂性至少可与常见的办公软件应用程序相提并论，如微软的Word和Excel(www.microsoft。。ｃｏｍ)。大多数办公软件用户只用到软件功能的一小部分。示波器用户也是这样。此外，很多示波器用户有一个共同问题，即他们并不是每天都使用仪器。所以，当他们准备开始使用时，希望快速得到关于仪器或被测设备问题的答案。换句话说，示波器功能的使用方法应是直观的，尽量遵从用户熟悉的习惯用法。
　　示波器制造商指出，在选择和有效利用正确仪器方面，最有价值的助手是卖给你或正试图卖给你示波器的现场工程师，至少对高档仪器是这样。他可以在你购买前，协助你一步步地与竞争设备作对比，提供建议和部件，帮助你有效地使用它。示波器分销商的代理也可以提供类似的服务。另外，不要以为你从分销商买了仪器就得不到厂家的支持。根据不同制造商和购买的示波器型号，厂商都可能会提供支持。记住，大多数示波器供应商的网站都提供很多有价值的应用说明，包含有效使用公司产品的信息。表1和表2汇集了四家主要制造商实时采样示波器的主要规格。
　　从探头开始
　　讨论现代示波器的一个合适起点是探头。探头是仪器与被测设备接触的地方。过去，工程师们曾认为数兆赫兹就算是高频了。现在，探测千兆赫兹（GHz）的信号已经是很普通的事，一些熟悉的串行总线用3Gbps以上的速率传输信号。示波器厂家建议你的示波器和探头都应该有至少1.8倍于位速率的-3dB带宽。所以，如果你要在一个原始位速率为3.125Gbps的总线上工作，你的示波器和探头应至少具有5.625GHz的组合带宽。（一个原始位速率为3.125Gbps的总线通常以2.5Gbps承载信息；数据流中嵌入的8b/10b时钟将信息速率限制在原始位速率的80%。）示波器制造商公布的最接近5.625GHz的带宽是6GHz。5.625GHz以上6.67%的余量可以有助于对探头的带宽衰减做出补偿。
　　以下几点很重要。首先，探测这种高速串行总线要使用差分有源探头。在这种速度下，几乎所有总线都是差分的，信号摆幅很小，原因有几点：与单端电路不同，差分接收器能够抑制共模“噪声”，因而可以使用较小的信号摆幅；差分电路的辐射噪声亦较少，电源线路更不易受瞬态负载干扰。但较小的信号摆幅对无源探头是不利的，它会减少容性负载，通常会造成输入信号的衰减。其次，不可能用两个示波器输入端观察一个差分信号。因为这种方法不仅会使示波器上的通道数减半，而且输入端子也不足以与频率很好地匹配，结果是屏幕上会显示根本不存在的波形。
　　数千兆赫带宽的差分有源探头都非常小巧，它们的复杂度在今后几年还会上升。制造商并不认为有最好的方法来设计和描述这些设备的特性，但所有制造商都同意一个事实：如果你要获取数千兆赫的信号，将探头连接到被测设备上一定会增加被测信号的负载。
　　制造商并不认为这个负载一定会对你希望看到的波形造成大的影响。然而，除非探头设计得非常仔细，否则负载效应不仅会很明显，而且会使糟糕的波形显示得很完美，或正好相反。例如，探头引入的误差可以使一个好的波形表现为违反眼图遮蔽，或者可以使一个原本违反遮蔽的波形看起来正常。
　　众所周知，探头会给被测设备增加容性负载。但是，探头的串接电感对于数千兆赫的响应有重要的影响。此外，探头的并联电容与串联电感之间的共振也对被测设备负载和探头频率响应与瞬态响应有很大的影响。
　　探头智能化
　　主要示波器制造商的现代探头系统都有在示波器与探头间双向通信的功能。现代有源探头的功能不仅是将探头针上的波形经放大或缓冲后送给示波器，示波器也不仅完成向探头提供电源的功能。例如，LeCroy的最新型探头（见图1）可以存储动态探头校准数据。这个数据中不仅包括探头的偏移电压和直流增益，还有高频增益和高频相位（延迟）等特性数据。LeCroy的产品管理总监MikeLauterbach博士认为，所有制造商的超宽带示波器都使用了DSP技术，以修正垂直放大器的高频增益和高频相位特性。这种修正改善了响应，使之比未经修正的放大器响应更接近于需要的响应（一般是一个四阶Bessel低通滤波器）。
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