数字示波器选购技巧
2012-03-20
长沙艾克塞普仪器公司首席应用工程师Tony.Li针对时下示波器品牌众多，示波器型号以及性能千差万别，不同示波器价格相差 巨大，特编辑本文选购技巧，为将购买示波器的工程师做参考。便于工程师更加有针对性的选择一款最适合的数字示波器。
提高采样频率抑制混淆现象
高速数字示波器选用砖墙反应型的另外一个重要原因，是要回避或尽量减小图形混淆(Aliasing)现象。使用数字示波器测量高速信号时，会产生图形混淆现象，主要因为在重现采样的高速信号时，某些信号混入了不必要的波形。这些混入的信号频率成分会对原来的信号波形造成失真，严重的话还会引起测量误差。
图形混淆现象多数发生在模拟数字转换器的连续信号中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)频率的成分，也就是采样频率的二分之一。这个成分在尼奎斯特频率领域内折返，出现在示波器测量带宽内。从频率特性图中可以清楚看出，砖墙反应型示波器的图形混淆影响微乎其微。
同样条件下，能够明显看出超越尼奎斯特频率2GHz的领域中，几乎没有信号，可以抑制混淆现象的发生。
另外，如果以20GHz、10GHz与5GHz三种不同的采样频率测量一个周期2.2ns、上升时间约90ps的波形，会得到不一样的结果。采样频率越低，上升时间的实际测量值越长，波形越不能忠实地呈现。
目前高速串行接口测量所使用的实时采样宽带数字示波器，高性能的机种所搭载模拟数字转换器的采样频率高达20GHz左右。一般为了降低图形混淆现象发生，高斯反应型示波器采样频率需是输入信号的4～6倍，而砖墙反应型示波器仅需2.5倍。
通常情况频带都低于1GHz，因此大多采用高斯型反应系统，而高于1GHz的仪器则大多采用砖墙反应型系统。表2所示是两种反应型示波器的优缺点对比。
根据性能要求选择示波器
那么，如何来选择最适合的示波器呢？有4个简单的步骤：
算出测量信号的最高频率成分fmax。即信号频率成分的上限，可以通过测定信号的上升时间计算出来。假设上升时间由20%迁移到80%，可利用(0.4/信号上升时间)的数学式估算其约略值，而非直接从数据传输速率来估算。以当红的第三代总线PCIExpress来说，多数情况下其上升时间约为100ps。
选择示波器的反应特性。即在高斯型反应系统与砖墙反应型系统内选择一个合适的，一般测量高速串行接口或总线的应用多数选择后者。
必须把握必要的输入带宽。它与上升时间的测量误差有关。有一家仪器公司做过仿真的实验：若砖墙反应型系统允许3%的误差，带宽可以用(1.4×fmax)来计算；误差若抑制在10%，用(1.2×fmax)来计算；20%的容许误差时，则用(1.0×fmax)来计算。
估算最低的采样频率值。该数值会利用到上面的带宽值，就砖墙反应型示波器来说，最低需要(2.5×带宽)。
利用上面四点可以说明一个案例：上升时间100ps的数字信号，其fmax为4GHz，选择砖墙反应型示波器，假定上升时间的误差局限于3%，那么输入信号的带宽为5.6GHz，因此，采样频率最低也需要14GHz。
若采样频率14GHz应用在高斯型反应系统时，输入的带宽就变成3.5GHz，可以测量的信号上升时间为220ps，与砖墙反应型系统比差了一半。有些宽带实时示波器依赖数字信号处理的活用，来实现砖墙反应型系统的特性。毕竟，单靠电路技术很难实现理想的特性。
总之，带宽及采样频率的合适与否，是选择昂贵示波器时的重要指针。此外，理解测试仪器的特性，也是掌握正确测定的关键要素
提高采样频率抑制混淆现象
高速数字示波器选用砖墙反应型的另外一个重要原因，是要回避或尽量减小图形混淆(Aliasing)现象。使用数字示波器测量高速信号时，会产生图形混淆现象，主要因为在重现采样的高速信号时，某些信号混入了不必要的波形。这些混入的信号频率成分会对原来的信号波形造成失真，严重的话还会引起测量误差。
图形混淆现象多数发生在模拟数字转换器的连续信号中，含有超越尼奎斯特(Nyquist)频率的成分，也就是采样频率的二分之一。这个成分在尼奎斯特频率领域内折返，出现在示波器测量带宽内。从频率特性图中可以清楚看出，砖墙反应型示波器的图形混淆影响微乎其微。
同样条件下，能够明显看出超越尼奎斯特频率2GHz的领域中，几乎没有信号，可以抑制混淆现象的发生。
另外，如果以20GHz、10GHz与5GHz三种不同的采样频率测量一个周期2.2ns、上升时间约90ps的波形，会得到不一样的结果。采样频率越低，上升时间的实际测量值越长，波形越不能忠实地呈现。
目前高速串行接口测量所使用的实时采样宽带数字示波器，高性能的机种所搭载模拟数字转换器的采样频率高达20GHz左右。一般为了降低图形混淆现象发生，高斯反应型示波器采样频率需是输入信号的4～6倍，而砖墙反应型示波器仅需2.5倍。
通常情况频带都低于1GHz，因此大多采用高斯型反应系统，而高于1GHz的仪器则大多采用砖墙反应型系统。表2所示是两种反应型示波器的优缺点对比。
根据性能要求选择示波器
那么，如何来选择最适合的示波器呢？有4个简单的步骤：
算出测量信号的最高频率成分fmax。即信号频率成分的上限，可以通过测定信号的上升时间计算出来。假设上升时间由20%迁移到80%，可利用(0.4/信号上升时间)的数学式估算其约略值，而非直接从数据传输速率来估算。以当红的第三代总线PCIExpress来说，多数情况下其上升时间约为100ps。
选择示波器的反应特性。即在高斯型反应系统与砖墙反应型系统内选择一个合适的，一般测量高速串行接口或总线的应用多数选择后者。
必须把握必要的输入带宽。它与上升时间的测量误差有关。有一家仪器公司做过仿真的实验：若砖墙反应型系统允许3%的误差，带宽可以用(1.4×fmax)来计算；误差若抑制在10%，用(1.2×fmax)来计算；20%的容许误差时，则用(1.0×fmax)来计算。
估算最低的采样频率值。该数值会利用到上面的带宽值，就砖墙反应型示波器来说，最低需要(2.5×带宽)。
利用上面四点可以说明一个案例：上升时间100ps的数字信号，其fmax为4GHz，选择砖墙反应型示波器，假定上升时间的误差局限于3%，那么输入信号的带宽为5.6GHz，因此，采样频率最低也需要14GHz。
若采样频率14GHz应用在高斯型反应系统时，输入的带宽就变成3.5GHz，可以测量的信号上升时间为220ps，与砖墙反应型系统比差了一半。有些宽带实时示波器依赖数字信号处理的活用，来实现砖墙反应型系统的特性。毕竟，单靠电路技术很难实现理想的特性。
总之，带宽及采样频率的合适与否，是选择昂贵示波器时的重要指针。此外，理解测试仪器的特性，也是掌握正确测定的关键要素
