新世紀(jì)談示波器的應(yīng)用發(fā)展重點(diǎn)

1、新世紀(jì)談示波器的應(yīng)用發(fā)展吳俊賢(本文發(fā)表于電子技術(shù)雜志2000年1月).、八、-刖言:自1946年霍華衛(wèi)林(HowardVollum)先生以其發(fā)明的觸發(fā)電路從而創(chuàng)造了第一部商用示波器至今亦過了半個(gè)世紀(jì)示波器對(duì)工程師的重要性，如同眼睛對(duì)人的重要性一樣，人透過眼睛觀察這個(gè)五花八門世界，而電看不到摸得到，工程師透過示波器將電子科技推向無邊的未來，趁新世紀(jì)之初來談?wù)勈静ㄆ鞯膽?yīng)用發(fā)展相信再恰當(dāng)不過順便為模擬示波器與數(shù)字示波器長久以來孰優(yōu)孰劣之爭(zhēng)做個(gè)探討同時(shí)為數(shù)字示波器的取樣率及內(nèi)存到底有何應(yīng)用上的考量一并細(xì)說從頭首先讓我們先來談?wù)勈静ㄆ鞯氖滓?guī)格頻寬。示波器頻寬的定義(Definition of Ban

2、dwidth)所謂示波器的頻寬是指示波器垂直放大器 的頻率響應(yīng)，如圖一所示，為示波器理想上的頻 率響應(yīng)特性曲線，任何示波器的頻寬皆為垂直 放大器3dB點(diǎn)的頻率，此為選購示波器的第一 關(guān)卡，舉例而言：一部100MHz的示波器，當(dāng)輸 入100MHz,1V的正弦波時(shí)，示波器觀察到的次諧波可得圖二中間的波形，已類似一個(gè)方波舉例來說：當(dāng)您以100MHz的示波器觀察100MHz的Clock信號(hào)，因三次諧波為 300MZ 在示波器的頻率響應(yīng)曲線中可知，該信號(hào)已幾 乎被衰減掉，連100MHz的基本波亦衰減為0.707倍,故在您示波器上會(huì)顯示岀一個(gè)信號(hào) 振幅較小的正弦波，但您的信號(hào)可是一個(gè)不折 不扣的方波呀！由

3、此可知示波器的頻寬有多么將是100MHz,0.707V 的正弦波，振幅誤差高達(dá) 重要,如選擇不當(dāng)會(huì)造成信號(hào)的衰減和波形失30% ,如欲使振幅誤差小于 3%，請(qǐng)謹(jǐn)記5倍頻 真,在此再次強(qiáng)調(diào)可以上述的五倍頻寬法則來寬法則，既是示波器的頻寬要比待測(cè)信號(hào)頻率作選擇(圖一)頻率響應(yīng)特性曲線(圖二)示波器頻寬不足的影響在了解頻寬的定義后，我們來探討模擬示波示波器頻寬不足導(dǎo)致波形失真以圖二為例，假設(shè)圖上方波為100MHz信號(hào) 以傅立葉級(jí)數(shù)的觀念來看，方波可由一基本波 (也就是頻率相同的正弦波)加上無限多次的奇 次諧波所組成，我們先不談無限多次，先來看三 次諧波，也就是頻率為300MHz,基本波加上三器,模擬

4、示波器擁有極佳的“波形更新率，每秒超過二十萬次的波形更新速度,僅在掃瞄的馳返遮沒時(shí)間及閉鎖(Holdoff)時(shí)間不擷取信號(hào)所以稱為模擬實(shí)時(shí)示波器(Analog Real TimeOscilloscope),除此之外，在顯示上模擬示波器 除顯示時(shí)間與振幅的關(guān)系外，尚可顯示信號(hào)能 量的變化，工程師使用模擬示波器可清楚的辨別信號(hào)主體與噪聲間的分別，所以在觀察復(fù)雜 動(dòng)態(tài)的信號(hào)時(shí)，模擬示波器一度是工程師的最 愛,但在觀測(cè)低頻信號(hào)時(shí)模擬示波器受限于 CRT的螢光物質(zhì)(Phosphor)會(huì)隨時(shí)間消失的 影響，僅能顯示一個(gè)移動(dòng)的斑點(diǎn)，或者當(dāng)您在觀 測(cè)短時(shí)脈波時(shí)模擬示波器因?qū)懭胨俣炔蛔闵?至完全無法顯示波形，雖

5、然號(hào)稱RealTime卻 無法正確顯示真實(shí)信號(hào)的原貌，更別說是瞬時(shí)現(xiàn)象的量測(cè)了，最早的儲(chǔ)存式示波器是運(yùn)用一 種特殊的螢光物質(zhì) (Phosphor),它的殘留時(shí)間 較久，可利用此特點(diǎn)來捕捉瞬時(shí)現(xiàn)象，并利用攝 影把波形保存下來，所以上述模擬示波器的不 足并不構(gòu)成工程師拋棄昔日日愛的主因，隨著電子科技的日新月異,速度便成為核心競(jìng)爭(zhēng)力的來源，信號(hào)速度越快示波器所需的頻寬也 越高，但高頻的模擬示波器的制作難度并非在 電路設(shè)計(jì)，而是顯示波形的心臟 CRT,曾經(jīng)有 1GHz頻寬的模擬示波器但它一半以上的成本 來自CRT,而且價(jià)格比目前 3GHz頻寬的數(shù)字 示波器還貴，外加上述種種應(yīng)用上的不足，使得 工程師們

6、不得不另結(jié)新歡，而這個(gè)新歡就是我 們下面要探討的數(shù)字示波器(Digital StorageOscilloscope)。面對(duì)上述的應(yīng)用需求，在1978年岀現(xiàn)了數(shù) 字儲(chǔ)存示波器簡(jiǎn)稱DSO,當(dāng)時(shí)因模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器的技術(shù)尚未成熟，所以出現(xiàn)了等時(shí)取樣的技 術(shù),以較低的取樣率抓取頻率較高的信號(hào)，目前市售產(chǎn)品中尚有 100MHz 頻寬,20MS/S 取樣 率的DSO便是當(dāng)時(shí)舊時(shí)代尚且遺留下來的產(chǎn) 物,因等時(shí)取樣的技術(shù)已有許多文章討論過，且與目前動(dòng)輒實(shí)時(shí)取樣率1GS/S,5GS/S 的現(xiàn)實(shí)相差太大，故不多做討論，還是談?wù)?DSO的實(shí) 時(shí)取樣率或稱單擊取樣率對(duì)抓取瞬時(shí)現(xiàn)象的 影響來的實(shí)際，依Nyquist的取樣定

7、理，一個(gè)正 弦波理論上取得兩個(gè)點(diǎn)以上便可還原 ，目前示 波器的技術(shù)可做到正弦波取得 2.5點(diǎn)便可還原 所以將示波器的實(shí)時(shí)取樣率除以 2.5便是這部 DSO所能抓取的最大瞬時(shí)頻率，但考量到方波起碼要取得五個(gè)點(diǎn)以上才能還原，所以以目前的技術(shù)眼光來看，取樣率高于示波器頻寬五倍 以上者才稱得上是現(xiàn)代的數(shù)字示波器，或許有讀者會(huì)納悶一般電子產(chǎn)品開機(jī)瞬時(shí)的量測(cè)是 最常見的，不過是幾kHz等級(jí)的信號(hào)，何時(shí)會(huì)抓 取高速瞬時(shí)呢？圖三便是一個(gè)常見的例 子,CPU或單芯片在要求輸岀/入裝置動(dòng)作之前,必須指明要求那個(gè)裝置動(dòng)作，須作尋址的動(dòng)作,這個(gè)信號(hào)一閃即逝，當(dāng)計(jì)算機(jī)主機(jī)無法開機(jī) 時(shí)，首先需確認(rèn)CPU是否能執(zhí)行尋址 (

8、Addressing),輸岀/入裝置如 Harddisk等不動(dòng) 作當(dāng)然計(jì)算機(jī)無法開機(jī) ，而這個(gè)信號(hào)12.4 nS,以圖三右下方取樣率為 5GS/S才能正確抓取 此一高速瞬時(shí)，讀者便可知取樣率的重要性了！自鋭殳定麟率：爲(wèi)芒吃郵秒附熔(圖三)CPU ADS腳位尋址瞬時(shí)信號(hào)取樣率與內(nèi)存的關(guān)系內(nèi)存=取樣率記錄時(shí)間M (Points)=SR (Sample Points/sec.) T (sec.)M=Memory, SR=Sample Rate, T=Time早期發(fā)展數(shù)字示波器的目的是在抓取并儲(chǔ) 存瞬時(shí)信號(hào)，信號(hào)數(shù)字化后伴隨著數(shù)字信號(hào)處 理器DSP的進(jìn)步，DSO可輕易的執(zhí)行自動(dòng)參 數(shù)量測(cè)如 V p-p

9、, V rms, Rise Time, Falling Time, DutyCycle 等,在加上使用電子式的開關(guān),可經(jīng)由 GPIB 或 RS232 甚至10BaseT 以太網(wǎng)絡(luò)讓計(jì)算機(jī)控制執(zhí)行自動(dòng)量測(cè)，但它最重要的功能還是抓取瞬時(shí)，而內(nèi)存到底需要多長才夠，便要使用上述公式來評(píng)估了，如果您的應(yīng)用根本不抓瞬時(shí)，那么您選擇DSO不過是因 為買不到您所需頻寬的模擬示波器，因?yàn)?1GHz的模擬示波器要在示波器的博物館才找 的到了，再加上貴得嚇人，目前500MHz以上您 只有DSO可選擇，此時(shí)內(nèi)存的選擇是越短越好 畢竟內(nèi)存長必然也較貴，那當(dāng)吾人需抓取瞬時(shí) 信號(hào)時(shí)又需要多長的內(nèi)存才夠呢？我們以兩個(gè)例子配合

10、上述公式來說明：例一：以圖三的高速瞬時(shí)為例，Time Base為20n S/div.,SampleRate5GS/S,示波器的內(nèi)存為多長？答：Time=20 nS/div.10div.=200nSSample Rate=5 GS/S所以 Memory=5GS/S200nSMemory=10k points例二：量測(cè)開機(jī)瞬時(shí)，瞬時(shí)信號(hào)1kHz,瞬時(shí)至穩(wěn) 態(tài)時(shí)間約為100mS,需多長的內(nèi)存才夠 ？ 答:我們以10倍于信號(hào)的取樣率來看Sample Rate=1kHz 10=10kS/SMemory=10kS/S 100mS=1k poi nts有時(shí)我們面對(duì)的可能是一些未知的瞬時(shí)現(xiàn)象,可能無法了解瞬時(shí)

11、信號(hào)的頻率或發(fā)生時(shí)間,此時(shí)便要請(qǐng)儀器廠商實(shí)地測(cè)試，再評(píng)估所需，一 般而言內(nèi)存夠用就好，當(dāng)然也有工程師喜歡使 用長內(nèi)存的DSO,認(rèn)為可將信號(hào)擷取下來后,透過放大(Zoom)的功能找尋異常的故障信號(hào),如圖四所示(圖四)從圖四的例子中固然是一種方法，但是從擷取到密密麻麻的波形中一個(gè)區(qū)段一個(gè)區(qū)段的放大，就好比用散彈槍閉著眼睛亂槍打鳥一般 還沒看清楚有沒有鳥，先打了再說，其實(shí)DSO 的觸發(fā)功能已不像模擬示波器只有邊緣觸發(fā) 和簡(jiǎn)單的視訊觸發(fā)功能，DSO的觸發(fā)功能好比 具鎖定功能的導(dǎo)向飛彈，只要您鎖定目標(biāo)后，一 發(fā)即中，DSO的觸發(fā)功能可設(shè)定特定的脈波寬 度(Pulsewidth),短時(shí)脈波(Glitch)

12、,非穩(wěn)態(tài)信號(hào) (Runt),邏輯觸發(fā)(Logic),視訊觸發(fā)，通訊觸發(fā)等 綜合以上的敘述，DSO除頻寬外其余規(guī)格的優(yōu) 先級(jí)應(yīng)為取樣率，其次是觸發(fā)功能，最后才是內(nèi) 存，談了這么多 DSO的優(yōu)點(diǎn)，那它有沒有缺點(diǎn) 呢?從圖五便可一窺究竟。(圖五)以DSO觀察視訊信號(hào)DSO在抓取瞬時(shí)及信號(hào)分析的能力自然不 在話下，但在信號(hào)擷取的過程中是以串行的方 式進(jìn)行,被測(cè)信號(hào)二放大器=模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 =解多任務(wù)器 =內(nèi)存=DSP =顯示內(nèi)存 =顯 示波形,經(jīng)過這些程序當(dāng) DSO再次擷取信號(hào)時(shí) 其實(shí)已失落了許多信號(hào),且內(nèi)存越長處理的過程越久，DSO99%的時(shí)間是花在信號(hào)處理，也就是“波形更新率很低,再加上無法像模擬

13、示 波器顯示信號(hào)能量的變化，所以遇到動(dòng)態(tài)復(fù)雜 的信號(hào)如圖五時(shí)，DSO 還是有它不足之處 ，也 引發(fā)模擬與數(shù)字孰優(yōu)孰劣的舊愛新歡之爭(zhēng)總括來看，模擬示波器擁有實(shí)時(shí)顯示的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于調(diào)頻(FM),調(diào)幅(AM),視訊(Video,TV),交 換式電源供應(yīng)器.等應(yīng)用依然深受工程師喜愛 而DSO在數(shù)字電路除錯(cuò)及分析，瞬時(shí)信號(hào)抓取 生產(chǎn)線自動(dòng)化量測(cè)上又是不可或缺的利器，兩者優(yōu)缺點(diǎn)互易，實(shí)在令人遺憾，如果DSO可提 升波形更新率并改進(jìn)其顯示，便可同時(shí)兼具 兩者優(yōu)點(diǎn)，千呼萬喚始岀來，1998年岀現(xiàn)了一 款名為數(shù)字螢光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope）,簡(jiǎn)稱DPO的示波器，將波形更

14、 新率提升到每秒 20萬次如同模擬示波器一 般,并改進(jìn)了顯示技術(shù)，卻是一部純數(shù)字的示波 器,螢光（Phosphor）蓋取其如同模擬示波器的 實(shí)時(shí)波形更新，顯示效果又如同模擬示波器的 螢光（Phosphor）物質(zhì)般，可分辨岀信號(hào)能量的 分布情形，讀者可從圖六動(dòng)態(tài)的電視訊號(hào)看岀 它的優(yōu)越性。（圖六）動(dòng)態(tài)的電視訊號(hào)DPO在擷取技術(shù)上一改過去DSO串行式的處理方式，以平行運(yùn)算的方式提升擷取速度增 加波形更新率，并建立3D數(shù)據(jù)庫，所以除顯示 時(shí)間與振幅的關(guān)系外，尚可顯示隨時(shí)間變化的 振幅分布情形，如圖七所示，對(duì)于圖中的異常信 號(hào)，模擬示波器或許可顯示，但并無觸發(fā)此現(xiàn)象 的能力，如果此短時(shí)脈波為20nS以

15、下則因?qū)懭胨俣炔蛔愣耆伙@示 ，DSO雖然強(qiáng)大的觸 發(fā)功能如同具鎖定功能的導(dǎo)彈，但好比沒有搭配雷達(dá)，當(dāng)異?，F(xiàn)象發(fā)生時(shí)它正忙著處理第一 筆擷取到的信號(hào)，而渾然不知呢！_n.n_n.n ARn.ri.n_數(shù)辭林鼓彎門rm,扎3豈料曲（圖七）或許看了圖七 DPO的3D數(shù)據(jù)庫顯示功能 讀者會(huì)聯(lián)想到這好象是 DSO中便有的持續(xù)顯 示模式（PersistenceMode）, 我們?cè)僖詧D八來做 個(gè)說明以免混淆，Persiste nee 模式只是一種顯 示方式，一般用在累積并監(jiān)測(cè)固定信號(hào)的變動(dòng) 并可調(diào)整累積在示波器屏幕上的時(shí)間，擷取速度并未增加，依然是以每秒200 500次的波形更新率做擷取，對(duì)復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)

16、的觀測(cè)并無 用途。（圖八）持續(xù)顯示模式（Persistenee Mode）自從DPO問世后,考量數(shù)字示波器的規(guī)格優(yōu) 先級(jí)應(yīng)為“波形更新率（不Loss信號(hào)）,取樣率 （擷取到的信號(hào)忠實(shí)還原）次之,其次是 觸發(fā)功能（直接觸發(fā)所需信號(hào)）,最后才是內(nèi)存（足夠儲(chǔ) 存所需瞬時(shí)信號(hào)時(shí)間既可）。1999年又有一款 DPO問世,此系列擁有許 多新穎的設(shè)計(jì)，內(nèi)建11國語言含中文繁，簡(jiǎn)體, 其中應(yīng)用模塊（圖九所示）的設(shè)計(jì)為示波器史上 首創(chuàng),便更值得一提了 ！（圖九）文中已多次強(qiáng)調(diào)選擇示波器的首要條件為頻 寬,但是其它的功能往往隨著應(yīng)用的需求提升 須增加，若當(dāng)時(shí)選擇的示波器無法提供選配功 能升級(jí)時(shí)，重復(fù)投資的浪費(fèi)亦是

17、驚人，而應(yīng)用模 塊的設(shè)計(jì)方式，提供了最佳的升級(jí)彈性，目前如 快速傅立葉轉(zhuǎn)換，進(jìn)階觸發(fā)功能，視訊觸發(fā)功能 求，DPO 堪稱是新世紀(jì)的示波器標(biāo)準(zhǔn)。D1051CK1063DS1AFDDIM 18/5TM60C-366TM 120C軸浙8Gigabit EthernetOC 12/STM4M-l/SK-VSTMO/STMflE巫衛(wèi)配卡，以及使用者根據(jù)這些標(biāo)阿的變化要OC J/S7S 3/ STM 1Z5TM-1EraHd: Out 心ISTANftAfifiei cosra IM 2.04S Mb/5W外,時(shí)DirFT昨 1巾皿TlhreahaldPolarity vfni Loch /Y EC offl Dng-tGhl. 3rtVQ ah2 4vWP M DOGim A Chi Z 胡SnWQ 國匾 ismV;監(jiān)鉤軌MF NdT PlMtim| 一一1丄廠iBEC* t 1 iEC tfiQ 口島序 PA55FAIL Run Test1 ?v!二嚴(yán)“嚴(yán)（圖十一）通信模板測(cè)試fcd-（圖十）等一應(yīng)俱全，現(xiàn)今又因應(yīng)通信網(wǎng)路的量 測(cè)需求，提供低，中速電接口如ITUTG.703E1/E3,ANS