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示波器：不是“拿來主義”
人們經(jīng)常說，電子工程師們總是幸運的，能有一種觀看到內(nèi)部過程的工具，例如示波器可以看到電路和系統(tǒng)的內(nèi)部工作情況，其它行業(yè)沒有能展露這些東西的工具。盡管示波器已經(jīng)為用戶提供了如此豐富的內(nèi)容，制造商們?nèi)栽谂ふ沂箖x器更加*的方法。毫無疑問，示波器設(shè)計師的原動力仍然是老三樣，那就是：“更快"（指帶寬和采樣率）、“更深"（指采集存儲的深度），以及“更便宜"。但讓示波器更有用的方式還不止這些，而且發(fā)展速度也不亞于帶寬、采樣率和存儲深度。
過去幾年來，示波器分析與計算能力的提升沒有顯露出任何減緩跡象。但是，增加分析能力只是設(shè)計具有強(qiáng)大計算能力示波器的挑戰(zhàn)之一。另一個重要方面是要保證zui終用戶不會對新的*功能望而生畏。如果一個示波器的功能讓用戶使用起來非常困難，甚至寧肯放棄不用，那么這類功能還是不增加為好。示波器設(shè)計師經(jīng)常把自己的作品比作汽車，而把可用性問題表述為“如何‘驅(qū)動’一臺儀器。"
雖然示波器在電子工程師工作中有重要的地位，但大多數(shù)工程師仍只是把這種儀器看成工具而已，它是完成任務(wù)的附屬品，而不是工作的目標(biāo)。更方便使用既是對這種態(tài)度的響應(yīng)，也是一種鼓勵；當(dāng)你無需考慮技術(shù)問題就能完成一次測量時，可以認(rèn)為這個過程是好的。此外，在這個有嚴(yán)格計劃和預(yù)算的領(lǐng)域里，可能很少有時間考慮那些對完成工作似乎不太重要的問題。小心！這種想法可能很危險（見附文1“校準(zhǔn)示波器的高頻振幅精度：比你的想像更困難"）?，F(xiàn)代示波器似乎使困難的測量變得容易，但測量結(jié)果并不像它們表現(xiàn)得那么簡單。如果不清楚這個事實，不去了解儀器及測量技術(shù)，就會導(dǎo)致錯誤或無意義的結(jié)果，這些缺乏效力的結(jié)果難以得到認(rèn)可，從而要付出高昂代價做糾正工作。
徒勞的使命
要成為一個示波器專家，為你的應(yīng)用選擇的設(shè)備，并盡可能發(fā)揮儀器的優(yōu)勢，付出努力是*的。有些人甚至稱要找到的示波器或zui有效的使用方法是徒勞的。首先，在選擇和使用示波器時，每個工程師都有自己對“"和“"的定義。其次，工程師用來選擇示波器的數(shù)據(jù)單和售前文檔都越來越多，有些會超過 30 頁，還帶有腳注和小字說明。第三，現(xiàn)在很多中檔示波器和幾乎所有示波器都是 建立在PC 基礎(chǔ)上的，通常意味著要以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)版本為基礎(chǔ)。在這些儀器中，Windows 應(yīng)用軟件決定了你使用示波器眾多功能的方法。
示波器的應(yīng)用程序復(fù)雜性至少可與常見的辦公軟件應(yīng)用程序相提并論，如微軟的 Word 和 Excel(www.microsoft。。ｃｏｍ)。大多數(shù)辦公軟件用戶只用到軟件功能的一小部分。示波器用戶也是這樣。此外，很多示波器用戶有一個共同問題，即他們并不是每天都使用儀器。所以，當(dāng)他們準(zhǔn)備開始使用時，希望快速得到關(guān)于儀器或被測設(shè)備問題的答案。換句話說，示波器功能的使用方法應(yīng)是直觀的，盡量遵從用戶熟悉的習(xí)慣用法。
示波器制造商指出，在選擇和有效利用正確儀器方面，zui有價值的助手是賣給你或正試圖賣給你示波器的現(xiàn)場工程師，至少對儀器是這樣。他可以在你購買前，協(xié)助你一步步地與競爭設(shè)備作對比，提供建議和部件，幫助你有效地使用它。示波器分銷商的代理也可以提供類似的服務(wù)。另外，不要以為你從分銷商買了儀器就得不到廠家的支持。根據(jù)不同制造商和購買的示波器型號，廠商都可能會提供支持。記住，大多數(shù)示波器供應(yīng)商的都提供很多有價值的應(yīng)用說明，包含有效使用公司產(chǎn)品的信息。表 1和表 2 匯集了四家主要制造商實時采樣示波器的主要規(guī)格。
從探頭開始
討論現(xiàn)代示波器的一個合適起點是探頭。探頭是儀器與被測設(shè)備接觸的地方。過去，工程師們曾認(rèn)為數(shù)兆赫茲就算是高頻了?，F(xiàn)在，探測千兆赫茲（GHz）的信號已經(jīng)是很普通的事，一些熟悉的串行總線用3Gbps以上的速率傳輸信號。示波器廠家建議你的示波器和探頭都應(yīng)該有至少1.8倍于位速率的 -3 dB 帶寬。所以，如果你要在一個原始位速率為 3.125 Gbps 的總線上工作，你的示波器和探頭應(yīng)至少具有 5.625 GHz 的組合帶寬。（一個原始位速率為 3.125 Gbps 的總線通常以 2.5 Gbps 承載信息；數(shù)據(jù)流中嵌入的 8 b/10 b時鐘將信息速率限制在原始位速率的 80%。）示波器制造商公布的zui接近 5.625 GHz 的帶寬是6GHz。5.625GHz以上6.67% 的余量可以有助于對探頭的帶寬衰減做出補(bǔ)償。
以下幾點很重要。首先，探測這種高速串行總線要使用差分有源探頭。在這種速度下，幾乎所有總線都是差分的，信號擺幅很小，原因有幾點：與單端電路不同，差分接收器能夠抑制共?！霸肼?，因而可以使用較小的信號擺幅；差分電路的輻射噪聲亦較少，電源線路更不易受瞬態(tài)負(fù)載干擾。但較小的信號擺幅對無源探頭是不利的，它會減少容性負(fù)載，通常會造成輸入信號的衰減。其次，不可能用兩個示波器輸入端觀察一個差分信號。因為這種方法不僅會使示波器上的通道數(shù)減半，而且輸入端子也不足以與頻率很好地匹配，結(jié)果是屏幕上會顯示根本不存在的波形。
數(shù)千兆赫 帶寬的差分有源探頭都非常小巧，它們的復(fù)雜度在今后幾年還會上升。制造商并不認(rèn)為有的方法來設(shè)計和描述這些設(shè)備的特性，但所有制造商都同意一個事實：如果你要獲取數(shù)千兆赫的信號，將探頭連接到被測設(shè)備上一定會增加被測信號的負(fù)載。
制造商并不認(rèn)為這個負(fù)載一定會對你希望看到的波形造成大的影響。然而，除非探頭設(shè)計得非常仔細(xì)，否則負(fù)載效應(yīng)不僅會很明顯，而且會使糟糕的波形顯示得很，或正好相反。例如，探頭引入的誤差可以使一個好的波形表現(xiàn)為違反眼圖遮蔽，或者可以使一個原本違反遮蔽的波形看起來正常。
*，探頭會給被測設(shè)備增加容性負(fù)載。但是，探頭的串接電感對于數(shù)千兆赫的響應(yīng)有重要的影響。此外，探頭的并聯(lián)電容與串聯(lián)電感之間的共振也對被測設(shè)備負(fù)載和探頭頻率響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)有很大的影響。
探頭智能化
主要示波器制造商的現(xiàn)代探頭系統(tǒng)都有在示波器與探頭間雙向通信的功能?，F(xiàn)代有源探頭的功能不僅是將探頭針上的波形經(jīng)放大或緩沖后送給示波器，示波器也不僅完成向探頭提供電源的功能。例如，LeCroy 的型探頭（見圖1）可以存儲動態(tài)探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)中不僅包括探頭的偏移電壓和直流增益，還有高頻增益和高頻相位（延遲）等特性數(shù)據(jù)。LeCroy的產(chǎn)品管理總監(jiān)Mike Lauterbach 博士認(rèn)為，所有制造商的超寬帶示波器都使用了DSP技術(shù)，以修正垂直放大器的高頻增益和高頻相位特性。這種修正改善了響應(yīng)，使之比未經(jīng)修正的放大器響應(yīng)更接近于需要的響應(yīng)（一般是一個四階Bessel低通濾波器）。