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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,，能有一種觀看到內部過程的工具，例如示波器可以看到電路和系統(tǒng)的內部工作情況,，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容，制造商們仍在努力尋找使儀器更加*的方法,。毫無疑問,，示波器設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計具有強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，它是完成任務的附屬品,，而不是工作的目標,。更方便使用既是對這種態(tài)度的響應，也是一種鼓勵,；當你無需考慮技術問題就能完成一次測量時,，可以認為這個過程是好的。此外,，在這個有嚴格計劃和預算的領域里,，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，就會導致錯誤或無意義的結果,，這些缺乏效力的結果難以得到認可,，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,，為你的應用選擇的設備,，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 基礎上的,，通常意味著要以 Windows 標準版本為基礎。在這些儀器中，Windows 應用軟件決定了你使用示波器眾多功能的方法,。
示波器的應用程序復雜性至少可與常見的辦公軟件應用程序相提并論,，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,，當他們準備開始使用時，希望快速得到關于儀器或被測設備問題的答案,。換句話說,，示波器功能的使用方法應是直觀的，盡量遵從用戶熟悉的習慣用法,。
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,。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)示波器供應商的都提供很多有價值的應用說明,，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備接觸的地方,。過去，工程師們曾認為數(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，它們的復雜度在今后幾年還會上升,。制造商并不認為有的方法來設計和描述這些設備的特性,，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備上一定會增加被測信號的負載,。
制造商并不認為這個負載一定會對你希望看到的波形造成大的影響,。然而，除非探頭設計得非常仔細,，否則負載效應不僅會很明顯,，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。
*,，探頭會給被測設備增加容性負載,。但是，探頭的串接電感對于數(shù)千兆赫的響應有重要的影響,。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備負載和探頭頻率響應與瞬態(tài)響應有很大的影響。
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 博士認為,，所有制造商的超寬帶示波器都使用了DSP技術，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,，使之比未經(jīng)修正的放大器響應更接近于需要的響應（一般是一個四階Bessel低通濾波器）。