新世纪谈示波器的应用发展重点

1、新世纪谈示波器的应用发展吴俊贤(本文发表于电子技术杂志2000年1月).、八、-刖言:自1946年霍华卫林(HowardVollum)先生以其发明的触发电路从而创造了第一部商用示波器至今亦过了半个世纪示波器对工程师的重要性，如同眼睛对人的重要性一样，人透过眼睛观察这个五花八门世界，而电看不到摸得到，工程师透过示波器将电子科技推向无边的未来，趁新世纪之初来谈谈示波器的应用发展相信再恰当不过顺便为模拟示波器与数字示波器长久以来孰优孰劣之争做个探讨同时为数字示波器的取样率及内存到底有何应用上的考量一并细说从头首先让我们先来谈谈示波器的首要规格频宽。示波器频宽的定义(Definition of Ban

2、dwidth)所谓示波器的频宽是指示波器垂直放大器 的频率响应，如图一所示，为示波器理想上的频 率响应特性曲线，任何示波器的频宽皆为垂直 放大器3dB点的频率，此为选购示波器的第一 关卡，举例而言：一部100MHz的示波器，当输 入100MHz,1V的正弦波时，示波器观察到的次谐波可得图二中间的波形，已类似一个方波举例来说：当您以100MHz的示波器观察100MHz的Clock信号，因三次谐波为 300MZ 在示波器的频率响应曲线中可知，该信号已几 乎被衰减掉，连100MHz的基本波亦衰减为0.707倍,故在您示波器上会显示岀一个信号 振幅较小的正弦波，但您的信号可是一个不折 不扣的方波呀！由

3、此可知示波器的频宽有多么将是100MHz,0.707V 的正弦波，振幅误差高达 重要,如选择不当会造成信号的衰减和波形失30% ,如欲使振幅误差小于 3%，请谨记5倍频 真,在此再次强调可以上述的五倍频宽法则来宽法则，既是示波器的频宽要比待测信号频率作选择(图一)频率响应特性曲线(图二)示波器频宽不足的影响在了解频宽的定义后，我们来探讨模拟示波示波器频宽不足导致波形失真以图二为例，假设图上方波为100MHz信号 以傅立叶级数的观念来看，方波可由一基本波 (也就是频率相同的正弦波)加上无限多次的奇 次谐波所组成，我们先不谈无限多次，先来看三 次谐波，也就是频率为300MHz,基本波加上三器,模拟

4、示波器拥有极佳的“波形更新率，每秒超过二十万次的波形更新速度,仅在扫瞄的驰返遮没时间及闭锁(Holdoff)时间不撷取信号所以称为模拟实时示波器(Analog Real TimeOscilloscope),除此之外，在显示上模拟示波器 除显示时间与振幅的关系外，尚可显示信号能 量的变化，工程师使用模拟示波器可清楚的辨别信号主体与噪声间的分别，所以在观察复杂 动态的信号时，模拟示波器一度是工程师的最 爱,但在观测低频信号时模拟示波器受限于 CRT的萤光物质(Phosphor)会随时间消失的 影响，仅能显示一个移动的斑点，或者当您在观 测短时脉波时模拟示波器因写入速度不足甚 至完全无法显示波形，虽

5、然号称RealTime却 无法正确显示真实信号的原貌，更别说是瞬时现象的量测了，最早的储存式示波器是运用一 种特殊的萤光物质 (Phosphor),它的残留时间 较久，可利用此特点来捕捉瞬时现象，并利用摄 影把波形保存下来，所以上述模拟示波器的不 足并不构成工程师拋弃昔日日爱的主因，随着电子科技的日新月异,速度便成为核心竞争力的来源，信号速度越快示波器所需的频宽也 越高，但高频的模拟示波器的制作难度并非在 电路设计，而是显示波形的心脏 CRT,曾经有 1GHz频宽的模拟示波器但它一半以上的成本 来自CRT,而且价格比目前 3GHz频宽的数字 示波器还贵，外加上述种种应用上的不足，使得 工程师们

6、不得不另结新欢，而这个新欢就是我 们下面要探讨的数字示波器(Digital StorageOscilloscope)。面对上述的应用需求，在1978年岀现了数 字储存示波器简称DSO,当时因模拟数字转换器的技术尚未成熟，所以出现了等时取样的技 术,以较低的取样率抓取频率较高的信号，目前市售产品中尚有 100MHz 频宽,20MS/S 取样 率的DSO便是当时旧时代尚且遗留下来的产 物,因等时取样的技术已有许多文章讨论过，且与目前动辄实时取样率1GS/S,5GS/S 的现实相差太大，故不多做讨论，还是谈谈 DSO的实 时取样率或称单击取样率对抓取瞬时现象的 影响来的实际，依Nyquist的取样定

7、理，一个正 弦波理论上取得两个点以上便可还原 ，目前示 波器的技术可做到正弦波取得 2.5点便可还原 所以将示波器的实时取样率除以 2.5便是这部 DSO所能抓取的最大瞬时频率，但考量到方波起码要取得五个点以上才能还原，所以以目前的技术眼光来看，取样率高于示波器频宽五倍 以上者才称得上是现代的数字示波器，或许有读者会纳闷一般电子产品开机瞬时的量测是 最常见的，不过是几kHz等级的信号，何时会抓 取高速瞬时呢？图三便是一个常见的例 子,CPU或单芯片在要求输岀/入装置动作之前,必须指明要求那个装置动作，须作寻址的动作,这个信号一闪即逝，当计算机主机无法开机 时，首先需确认CPU是否能执行寻址 (

8、Addressing),输岀/入装置如 Harddisk等不动 作当然计算机无法开机 ，而这个信号12.4 nS,以图三右下方取样率为 5GS/S才能正确抓取 此一高速瞬时，读者便可知取样率的重要性了！自鋭殳定麟率：爲芒吃邮秒附熔(图三)CPU ADS脚位寻址瞬时信号取样率与内存的关系内存=取样率记录时间M (Points)=SR (Sample Points/sec.) T (sec.)M=Memory, SR=Sample Rate, T=Time早期发展数字示波器的目的是在抓取并储 存瞬时信号，信号数字化后伴随着数字信号处 理器DSP的进步，DSO可轻易的执行自动参 数量测如 V p-p

9、, V rms, Rise Time, Falling Time, DutyCycle 等,在加上使用电子式的开关,可经由 GPIB 或 RS232 甚至10BaseT 以太网络让计算机控制执行自动量测，但它最重要的功能还是抓取瞬时，而内存到底需要多长才够，便要使用上述公式来评估了，如果您的应用根本不抓瞬时，那么您选择DSO不过是因 为买不到您所需频宽的模拟示波器，因为 1GHz的模拟示波器要在示波器的博物馆才找 的到了，再加上贵得吓人，目前500MHz以上您 只有DSO可选择，此时内存的选择是越短越好 毕竟内存长必然也较贵，那当吾人需抓取瞬时 信号时又需要多长的内存才够呢？我们以两个例子配合

10、上述公式来说明：例一：以图三的高速瞬时为例，Time Base为20n S/div.,SampleRate5GS/S,示波器的内存为多长？答：Time=20 nS/div.10div.=200nSSample Rate=5 GS/S所以 Memory=5GS/S200nSMemory=10k points例二：量测开机瞬时，瞬时信号1kHz,瞬时至稳 态时间约为100mS,需多长的内存才够 ？ 答:我们以10倍于信号的取样率来看Sample Rate=1kHz 10=10kS/SMemory=10kS/S 100mS=1k poi nts有时我们面对的可能是一些未知的瞬时现象,可能无法了解瞬时

11、信号的频率或发生时间,此时便要请仪器厂商实地测试，再评估所需，一 般而言内存够用就好，当然也有工程师喜欢使 用长内存的DSO,认为可将信号撷取下来后,透过放大(Zoom)的功能找寻异常的故障信号,如图四所示(图四)从图四的例子中固然是一种方法，但是从撷取到密密麻麻的波形中一个区段一个区段的放大，就好比用散弹枪闭着眼睛乱枪打鸟一般 还没看清楚有没有鸟，先打了再说，其实DSO 的触发功能已不像模拟示波器只有边缘触发 和简单的视讯触发功能，DSO的触发功能好比 具锁定功能的导向飞弹，只要您锁定目标后，一 发即中，DSO的触发功能可设定特定的脉波宽 度(Pulsewidth),短时脉波(Glitch)

12、,非稳态信号 (Runt),逻辑触发(Logic),视讯触发，通讯触发等 综合以上的叙述，DSO除频宽外其余规格的优 先级应为取样率，其次是触发功能，最后才是内 存，谈了这么多 DSO的优点，那它有没有缺点 呢?从图五便可一窥究竟。(图五)以DSO观察视讯信号DSO在抓取瞬时及信号分析的能力自然不 在话下，但在信号撷取的过程中是以串行的方 式进行,被测信号二放大器=模拟数字转换器 =解多任务器 =内存=DSP =显示内存 =显 示波形,经过这些程序当 DSO再次撷取信号时 其实已失落了许多信号,且内存越长处理的过程越久，DSO99%的时间是花在信号处理，也就是“波形更新率很低,再加上无法像模拟

13、示 波器显示信号能量的变化，所以遇到动态复杂 的信号如图五时，DSO 还是有它不足之处 ，也 引发模拟与数字孰优孰劣的旧爱新欢之争总括来看，模拟示波器拥有实时显示的优点，对于调频(FM),调幅(AM),视讯(Video,TV),交 换式电源供应器.等应用依然深受工程师喜爱 而DSO在数字电路除错及分析，瞬时信号抓取 生产线自动化量测上又是不可或缺的利器，两者优缺点互易，实在令人遗憾，如果DSO可提 升波形更新率并改进其显示，便可同时兼具 两者优点，千呼万唤始岀来，1998年岀现了一 款名为数字萤光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope）,简称DPO的示波器，将波形更

14、 新率提升到每秒 20万次如同模拟示波器一 般,并改进了显示技术，却是一部纯数字的示波 器,萤光（Phosphor）盖取其如同模拟示波器的 实时波形更新，显示效果又如同模拟示波器的 萤光（Phosphor）物质般，可分辨岀信号能量的 分布情形，读者可从图六动态的电视讯号看岀 它的优越性。（图六）动态的电视讯号DPO在撷取技术上一改过去DSO串行式的处理方式，以平行运算的方式提升撷取速度增 加波形更新率，并建立3D数据库，所以除显示 时间与振幅的关系外，尚可显示随时间变化的 振幅分布情形，如图七所示，对于图中的异常信 号，模拟示波器或许可显示，但并无触发此现象 的能力，如果此短时脉波为20nS以

15、下则因写入速度不足而完全不显示 ，DSO虽然强大的触 发功能如同具锁定功能的导弹，但好比没有搭配雷达，当异常现象发生时它正忙着处理第一 笔撷取到的信号，而浑然不知呢！_n.n_n.n ARn.ri.n_數辭林鼓彎门rm,扎3豈料曲（图七）或许看了图七 DPO的3D数据库显示功能 读者会联想到这好象是 DSO中便有的持续显 示模式（PersistenceMode）, 我们再以图八来做 个说明以免混淆，Persiste nee 模式只是一种显 示方式，一般用在累积并监测固定信号的变动 并可调整累积在示波器屏幕上的时间，撷取速度并未增加，依然是以每秒200 500次的波形更新率做撷取，对复杂动态信号

16、的观测并无 用途。（图八）持续显示模式（Persistenee Mode）自从DPO问世后,考量数字示波器的规格优 先级应为“波形更新率（不Loss信号）,取样率 （撷取到的信号忠实还原）次之,其次是 触发功能（直接触发所需信号）,最后才是内存（足够储 存所需瞬时信号时间既可）。1999年又有一款 DPO问世,此系列拥有许 多新颖的设计，内建11国语言含中文繁，简体, 其中应用模块（图九所示）的设计为示波器史上 首创,便更值得一提了 ！（图九）文中已多次强调选择示波器的首要条件为频 宽,但是其它的功能往往随着应用的需求提升 须增加，若当时选择的示波器无法提供选配功 能升级时，重复投资的浪费亦是

17、惊人，而应用模 块的设计方式，提供了最佳的升级弹性，目前如 快速傅立叶转换，进阶触发功能，视讯触发功能 求，DPO 堪称是新世纪的示波器标准。D1051CK1063DS1AFDDIM 18/5TM60C-366TM 120C轴浙8Gigabit EthernetOC 12/STM4M-l/SK-VSTMO/STMflE巫卫配卡，以及使用者根据这些标阿的变化要OC J/S7S 3/ STM 1Z5TM-1EraHd: Out 心ISTANftAfifiei cosra IM 2.04S Mb/5W外,时DirFT昨 1巾皿TlhreahaldPolarity vfni Loch /Y EC offl Dng-tGhl. 3rtVQ ah2 4vWP M DOGim A Chi Z 胡SnWQ 国匾 ismV;監鉤轨MF NdT PlMtim| 一一1丄厂iBEC* t 1 iEC tfiQ 口島序 PA55FAIL Run Test1 ?v!二严“严（图十一）通信模板测试fcd-（图十）等一应俱全，现今又因应通信网路的量 测需求，提供低，中速电接口如ITUTG.703E1/E3,ANS