以前，選擇等效時(shí)間采樣示波器還是實(shí)時(shí)示波器，取決于對(duì)帶寬的需求。但是現(xiàn)在有了高性能儀器，這種區(qū)別已經(jīng)不再那么明顯。本應(yīng)用指南將介紹這兩種類型的示波器如何對(duì)輸入波形進(jìn)行采樣，以及它們各自的觸發(fā)要求。在文章的后面，我們?cè)敿?xì)總結(jié)了每種示波器的優(yōu)勢(shì)。

一、實(shí)時(shí)示波器

（1）實(shí)時(shí)示波器就像 ADC 一樣

        實(shí)時(shí)示波器有時(shí)也稱為“單次”示波器，它在每個(gè)觸發(fā)事件發(fā)生時(shí)捕獲一個(gè)完整波形。也就是說(shuō)，它在一個(gè)連續(xù)記錄中捕獲大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)。為了更好地理解這種數(shù)據(jù)采集，我們將實(shí)時(shí)示波器假設(shè)為一個(gè)速度極快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其中采樣率決定采樣間隔，存儲(chǔ)器深度決定要顯示的點(diǎn)數(shù)。為了捕獲任意波形，ADC 采樣率要明顯快于輸入波形的頻率。該示波器的采樣率可以達(dá)到 80 GSa/s，決定了帶寬目前可擴(kuò)展到 63 GHz。

（2）觸發(fā)實(shí)時(shí)示波器

        可以根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性來(lái)觸發(fā)實(shí)時(shí)示波器，并且通常輸入波形的幅度達(dá)到一個(gè)特定閾值時(shí)，觸發(fā)就會(huì)發(fā)生。示波器此時(shí)開始以異步速率 (與輸入波形的數(shù)據(jù)速率沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)) 將模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)。該轉(zhuǎn)換速率即為采樣率，通常由內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)決定。示波器對(duì)輸入波形的幅度進(jìn)行采樣，并將這個(gè)幅度值存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中，然后繼續(xù)下一個(gè)采樣 (如圖 1 所示)。觸發(fā)的主要工作是為輸入數(shù)據(jù)提供一個(gè)水平時(shí)間基準(zhǔn)點(diǎn)。

圖 1  使用實(shí)時(shí)示波器采集波形

二、等效時(shí)間采樣示波器

（1）每周期一個(gè)采樣

         等效時(shí)間采樣示波器有時(shí)簡(jiǎn)稱為“采樣示波器”，它僅測(cè)量采樣瞬間波形的瞬態(tài)幅度。與實(shí)時(shí)示波器不同，等效時(shí)間采樣示波器的每次觸發(fā)只對(duì)輸入信號(hào)采樣一次。下次觸發(fā)示波器時(shí)，會(huì)增加一個(gè)小小的時(shí)延然后進(jìn)行下一個(gè)采樣。預(yù)期的采樣數(shù)決定重新生成波形所需的周期數(shù)。測(cè)量帶寬由采樣器的頻率響應(yīng)決定，測(cè)量帶寬現(xiàn)在可超過(guò) 80 GHz。

（2）采集方法

         等效時(shí)間采樣示波器的觸發(fā)和隨后的采樣與實(shí)時(shí)示波器有著明顯的差別。重要的是，等效時(shí)間采樣示波器為了執(zhí)行操作需要一個(gè)顯式觸發(fā)，這個(gè)觸發(fā)需要與輸入數(shù)據(jù)同步。顯式觸發(fā)通常由用戶提供，但有時(shí)也可以使用硬件時(shí)鐘恢復(fù)模塊來(lái)獲得觸發(fā)。采樣過(guò)程為 : 一個(gè)觸發(fā)事件發(fā)起第 一次采樣，然后示波器重新準(zhǔn)備并等待下一個(gè)觸發(fā)事件。重新準(zhǔn)備的時(shí)間約為 25 μs。下一個(gè)觸發(fā)事件發(fā)起第二次采樣，并在對(duì)第二個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)采樣之前添加一個(gè)準(zhǔn)確的增量時(shí)延。該增量時(shí)延由時(shí)基設(shè)置和采樣點(diǎn)數(shù)確定。如圖 2 所示，此過(guò)程會(huì)一直重復(fù)，直到獲得完整的波形。

圖 2  使用等效時(shí)間采樣示波器采集波形

（3）觸發(fā)等效時(shí)間采樣示波器

        有兩種方法可以觸發(fā)等效時(shí)間采樣示波器，這兩種方法分別以不同的形式 (比特流或眼圖) 顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。查看信號(hào)中的單個(gè)比特可以使用戶看到系統(tǒng)中的碼型相關(guān)性，但是不能以高分辨率顯示大量比特。要查看比特流，觸發(fā)在輸入碼型期間必須只發(fā)出一次脈沖，并且必須是在每個(gè)事件的比特碼型中的同一個(gè)相對(duì)位置上。然后對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣并且在下一個(gè)觸發(fā)事件上添加增量時(shí)延，并對(duì)比特流進(jìn)行采樣直到采集到整個(gè)波形。要在等效時(shí)間示波器上查看比特流，必須有一個(gè)重復(fù)的波形；否則需要使用實(shí)時(shí)示波器。圖 3 為顯示比特流波形的觸發(fā)過(guò)程。

圖 3  比特流碼型波形的采樣過(guò)程

三、眼圖

（1）創(chuàng)建眼圖

        另一種查看模式是眼圖。這種模式不需要重復(fù)的波形，并且可以幫助確定許多其他測(cè)量中的噪聲、抖動(dòng)、失真和信號(hào)強(qiáng)度。因?yàn)檠蹐D模式查看的是比特流中每個(gè)比特組合疊加后的圖形，因此可以得到系統(tǒng)性能的總體統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。眼圖模式要求使用一個(gè)同步時(shí)鐘信號(hào)來(lái)進(jìn)行觸發(fā)。在每個(gè)觸發(fā)事件處 (允許重新準(zhǔn)備時(shí)間)，示波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，并在整個(gè)屏幕上顯示所有可能的 1 和 0 組合的合并結(jié)果。觸發(fā)可以使用全速率時(shí)鐘和分速率時(shí)鐘，但是如果碼型長(zhǎng)度是時(shí)鐘分割比率的偶數(shù)倍，則眼圖會(huì)丟失部分組合從而變得不完整。此外，如果使用數(shù)據(jù)作為其自身的觸發(fā)條件，則眼圖可以完整地顯示出來(lái)，但是示波器只能由數(shù)據(jù)碼型的上升沿進(jìn)行觸發(fā)。為了進(jìn)行準(zhǔn)確的眼圖測(cè)量，應(yīng)該避免這種情況。圖 4 為顯示眼圖的觸發(fā)過(guò)程。

（2）實(shí)時(shí)眼圖

        注意，我們還可以使用新的實(shí)時(shí)示波器來(lái)查看眼圖。使用軟件恢復(fù)時(shí)鐘或由用戶提供的外部顯式時(shí)鐘，可以構(gòu)建這些“實(shí)時(shí)眼圖”或“單次”眼圖。實(shí)時(shí)示波器按照恢復(fù)時(shí)鐘周期的間隔分割單一的長(zhǎng)捕獲波形，并把這些比特疊加在一起來(lái)重新創(chuàng)建眼圖。

圖 4  眼圖波形的采樣過(guò)程

四、實(shí)時(shí)示波器的優(yōu)勢(shì)

1、可以顯示單次瞬態(tài)事件

2、無(wú)需顯式觸發(fā)

3、無(wú)需重復(fù)的波形

4、直接測(cè)量周期間抖動(dòng)

5、長(zhǎng)記錄長(zhǎng)度/深存儲(chǔ)器

6、適用于故障診斷

五、等效時(shí)間采樣示波器的優(yōu)勢(shì)

1、更低的采樣率支持更高分辨率ADC 轉(zhuǎn)換

2、更寬的帶寬

3、更低的本底噪聲

4、更低的固有抖動(dòng)

5、可以包括前端光學(xué)模塊

6、能夠以更低的成本獲得解決方案

六、高分辨率示波器的優(yōu)勢(shì)

      不斷擴(kuò)展的便攜式電子產(chǎn)品朝著低功耗、低電壓電子系統(tǒng)迅速發(fā)展，這對(duì)以數(shù)字示波器為代表的電子測(cè)試測(cè)量?jī)x器的分辨率和底噪提出了更高的要求，而市場(chǎng)上以8-bit ADC采樣垂直分辨率為主的數(shù)字示波器越來(lái)越難滿足用戶的測(cè)試需求。分辨率越高，ADC的量化等級(jí)越高，意味著示波器能夠更精細(xì)地顯示信號(hào)細(xì)節(jié)并進(jìn)行更加準(zhǔn)確的測(cè)量。8-bit分辨率的量化等級(jí)為256，而12-bit分辨率的量化等級(jí)為4096，這就意味著采用12-bit ADC的示波器是傳統(tǒng)8-bit示波器信號(hào)分辨能力的16倍，可以輕松觀測(cè)到更清晰的波形，更多信號(hào)細(xì)節(jié)，并進(jìn)行更精準(zhǔn)的波形測(cè)量。

      當(dāng)高速ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于噪聲和失真的影響，實(shí)際ADC的信噪失真比達(dá)不到其標(biāo)稱位數(shù)應(yīng)達(dá)到的理想性能。一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。因?yàn)楦哳l噪聲會(huì)進(jìn)入高帶寬示波器內(nèi)。由于ADC僅為示波器系統(tǒng)的一部分，不能獨(dú)立使用，因此整個(gè)示波器系統(tǒng)的ENOB指標(biāo)會(huì)更有意義。高分辨率示波器ENOB高達(dá)8.4-bit，而12-bit示波器高達(dá)8.3～8.6-bit，時(shí)間誤差、頻率雜散都比較小，同時(shí)寬帶噪聲也比較低，能夠有效保證測(cè)量的準(zhǔn)確度。