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示波器：不是“拿來(lái)主義”
人們經(jīng)常說(shuō)，電子工程師們總是幸運(yùn)的，能有一種觀看到內(nèi)部過(guò)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(wú)疑問(wèn)，示波器設(shè)計(jì)師的原動(dòng)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(chǔ)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(chǔ)深度。
過(guò)去幾年來(lái)，示波器分析與計(jì)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(jì)具有強(qiáng)大計(jì)算能力示波器的挑戰(zhàn)之一。另一個(gè)重要方面是要保證zui終用戶不會(huì)對(duì)新的*功能望而生畏。如果一個(gè)示波器的功能讓用戶使用起來(lái)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(jì)師經(jīng)常把自己的作品比作汽車，而把可用性問(wèn)題表述為“如何‘驅(qū)動(dòng)’一臺(tái)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(duì)這種態(tài)度的響應(yīng)，也是一種鼓勵(lì)；當(dāng)你無(wú)需考慮技術(shù)問(wèn)題就能完成一次測(cè)量時(shí)，可以認(rèn)為這個(gè)過(guò)程是好的。此外，在這個(gè)有嚴(yán)格計(jì)劃和預(yù)算的領(lǐng)域里，可能很少有時(shí)間考慮那些對(duì)完成工作似乎不太重要的問(wèn)題。小心！這種想法可能很危險(xiǎn)（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"）。現(xiàn)代示波器似乎使困難的測(cè)量變得容易，但測(cè)量結(jié)果并不像它們表現(xiàn)得那么簡(jiǎn)單。如果不清楚這個(gè)事實(shí)，不去了解儀器及測(cè)量技術(shù)，就會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤或無(wú)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(jià)做糾正工作。
徒勞的使命
要成為一個(gè)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(shì)，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(shí)，每個(gè)工程師都有自己對(duì)“"和“"的定義。其次，工程師用來(lái)選擇示波器的數(shù)據(jù)單和售前文檔都越來(lái)越多，有些會(huì)超過(guò) 30 頁(yè)，還帶有腳注和小字說(shuō)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(gè)共同問(wèn)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(shí)，希望快速得到關(guān)于儀器或被測(cè)設(shè)備問(wèn)題的答案。換句話說(shuō)，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(jià)值的助手是賣給你或正試圖賣給你示波器的現(xiàn)場(chǎng)工程師，至少對(duì)儀器是這樣。他可以在你購(gòu)買前，協(xié)助你一步步地與競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備作對(duì)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(gòu)買的示波器型號(hào)，廠商都可能會(huì)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(jià)值的應(yīng)用說(shuō)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(shí)時(shí)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(gè)合適起點(diǎn)是探頭。探頭是儀器與被測(cè)設(shè)備接觸的地方。過(guò)去，工程師們?cè)J(rèn)為數(shù)兆赫茲就算是高頻了。現(xiàn)在，探測(cè)千兆赫茲（GHz）的信號(hào)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(hào)。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(gè)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(gè)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(shí)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(duì)探頭的帶寬衰減做出補(bǔ)償。
以下幾點(diǎn)很重要。首先，探測(cè)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(hào)擺幅很小，原因有幾點(diǎn)：與單端電路不同，差分接收器能夠抑制共模“噪聲"，因而可以使用較小的信號(hào)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(hào)擺幅對(duì)無(wú)源探頭是不利的，它會(huì)減少容性負(fù)載，通常會(huì)造成輸入信號(hào)的衰減。其次，不可能用兩個(gè)示波器輸入端觀察一個(gè)差分信號(hào)。因?yàn)檫@種方法不僅會(huì)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(huì)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(huì)上升。制造商并不認(rèn)為有的方法來(lái)設(shè)計(jì)和描述這些設(shè)備的特性，但所有制造商都同意一個(gè)事實(shí)：如果你要獲取數(shù)千兆赫的信號(hào)，將探頭連接到被測(cè)設(shè)備上一定會(huì)增加被測(cè)信號(hào)的負(fù)載。
制造商并不認(rèn)為這個(gè)負(fù)載一定會(huì)對(duì)你希望看到的波形造成大的影響。然而，除非探頭設(shè)計(jì)得非常仔細(xì)，否則負(fù)載效應(yīng)不僅會(huì)很明顯，而且會(huì)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(gè)好的波形表現(xiàn)為違反眼圖遮蔽，或者可以使一個(gè)原本違反遮蔽的波形看起來(lái)正常。
*，探頭會(huì)給被測(cè)設(shè)備增加容性負(fù)載。但是，探頭的串接電感對(duì)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(duì)被測(cè)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。現(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(chǔ)動(dòng)態(tài)探頭校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。這個(gè)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(gè)四階Bessel低通濾波器）。