現代示波器高級應用——測試及使用技巧 pdf epub mobi txt 电子书下载 2025

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李凱著

圖書標籤:

示波器
測試測量
電子工程
高級應用
信號分析
調試技巧
儀器儀錶
電路分析
技術手冊
電子技術

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出版社：清华大学出版社

ISBN：9787302468387

版次：1

商品编码：12106801

包装：平装

开本：16开

出版时间：2017-06-01

用纸：胶版纸

页数：425

字数：664000

正文语种：中文

具体描述

編輯推薦

　　本書深入剖析瞭現代示波器的架構，並通過近百個經典案例及精美插圖，展示瞭現代示波器在實戰中的應用技巧。這裏不是簡單講如何操作使用，而是為瞭幫助您洞悉問題本質。

　　本書素材來源於作者十多年來的積纍，根據一綫工程師實際使用示波器的問題，結閤典型應用場景，全麵、係統地講述瞭現代示波器在各種復雜場閤的測試和使用方法。

　　希望通過本書的介紹，使得廣大工程師朋友們能夠更好地理解和應用現代數字示波器的高級功能，以發揮這種*常用的電子測量工具對於電路調試和分析的效用。

內容簡介

　　示波器是*廣泛使用的電子測量儀器。經過近一個世紀的持續技術革新，現代數字示波器已經是結閤瞭*新材料、芯片、計算機、信號處理技術的復雜測量係統。

　　本書結閤筆者近20年實際應用經驗，對現代數字示波器的原理、測量方法、測量技巧、實際案例等做瞭深入淺齣的解讀和分析。

　　本書分為三大部分：第1~8章介紹現代測量儀器的發展、數字示波器原理、主要指標、測量精度、探頭分類及原理、探頭對測量的影響、觸發條件、數學函數功能等內容；第9~19章結閤實際案例，介紹示波器在信號完整性分析、電源測試、時鍾測試、射頻測試、寬帶信號解調、總綫調試、芯片測試中的實際應用案例；第20~29章側重高速總綫的一緻性測試，介紹數字總綫，如PCIe 3.0/4.0、SATA、SAS 12G、DDR3/4、10G以太網、CPRI接口、100G背闆、100G光模塊、400G以太網/PAM4信號的原理及測試方法。

　　本書可幫助從事高速通信、計算機、航空航天設備的開發和測試人員深入理解及掌握現代數字示波器的使用技能，也可供高校工科電子類的師生做示波器、電路測試方麵的教學參考。

作者簡介

李凱，畢業於北京理工大學光電工程係，碩士學位，中國電子學會高級會員，曾在國內知名通信公司從事多年數據通信及基站研發工作，對於通信、計算機等行業有深入認知，對信號完整性、嵌入式係統、高速總綫、可編程邏輯、時鍾、電源等電路的設計和測試有深刻理解。2006年加入安捷倫公司電子測量儀器部（現Keysight公司），負責高速測試儀器（如示波器、誤碼儀等）的應用和研究，長期和一綫電子工程師有密切接觸。作為高速測試領域的專傢，李凱利用業餘時間撰寫瞭大量關於測量原理及方法的文章，並發布在《國外電子測量技術》《電子工程專輯》等專業雜誌，同時在EDN China網站（現“麵包闆”社區）開設有技術博客及微信公眾號“數字科技”。

一、現代測量儀器技術的發展

二、示波器原理

1. 模擬示波器

2. 數字存儲示波器

3. 混閤信號示波器

4. 采樣示波器

5. 阻抗TDR測試

三、數字示波器的主要指標

1. 示波器的帶寬

2. 示波器的采樣率

3. 示波器的內存深度

4. 示波器的死區時間

四、示波器對測量的影響

1. 示波器的頻響方式

2. 示波器帶寬對測量的影響

3. 示波器的分辨率

4. 示波器的直流電壓測量精度

5. 示波器的時間測量精度

6. 示波器的等效位數

7. 示波器的高分辨率模式

8. 示波器的顯示模式

五、示波器探頭原理

1. 探頭的寄生參數

2. 高阻無源探頭

3. 無源探頭常用附件

4. 低阻無源探頭

5. 有源探頭

6. 差分有源探頭

7. 有源探頭的使用注意事項

8. 寬溫度範圍測試探頭

9. 電流測量的探頭

10. 光探頭

六、探頭對測量的影響

1. 探頭前端對測量的影響

2. 探頭衰減比對測量的影響

3. 探頭的校準方法

4. 探頭的負載效應

5. 定量測量探頭負載效應的方法

七、使用觸發條件捕獲信號

1. 示波器觸發電路原理

2. 示波器的觸發模式

3. 邊沿觸發

4. 碼型觸發

5. 脈衝寬度觸發

6. 毛刺觸發

7. 建立/保持時間觸發

8. 跳變時間觸發

9. 矮脈衝觸發

10. 超時觸發

11.連續邊沿觸發

12. 窗口觸發

13. 視頻觸發

14. 序列觸發

15. 協議觸發

16. 高速串行觸發

17. 高級波形搜索

八、示波器的數學函數

1. 用加/減函數進行差分和共模測試

2. 用Max/Min函數進行峰值保持

3. 用乘法運算進行功率測試

4. 用XY函數顯示李薩如圖形或星座圖

5. 用濾波器函數濾除噪聲

6. 用FFT函數進行信號頻譜分析

7. 用Gating函數進行信號縮放

8. 用Trend函數測量信號變化趨勢

9. 使用MATLAB的自定義函數

九、高速串行信號質量分析

1. 顯示差分和共模信號波形

2. 通過時鍾恢復測試信號眼圖

3. 進行模闆測試

4. 失效bit定位

5. 抖動分析

6. 抖動分解

7. 通道去嵌入

8. 通道嵌入

9. 信號均衡

10. 均衡器的參數設置

11. 預加重的模擬

十、電源完整性測試

1. 電源完整性測試的必要性

2. 電源完整性仿真分析

3. DC�睤C電源模塊和PDN阻抗測試

4. DC�睤C電源模塊反饋環路測試

5. 精確電源紋波與開關噪聲測試

6. 開關電源功率及效率分析

7. 電源係統抗乾擾能力測試

十一、電源測試常見案例

1. 交流電頻率測量中的李薩如圖形問題

2. 電源紋波的測量結果過大的問題

3. 接地不良造成的電源乾擾

4. 大功率設備開啓時的誤觸發

5. 示波器接地對測量的影響

十二、時鍾測試常見案例

1. 精確頻率測量的問題

2. GPS授時時鍾異常狀態的捕獲

3. 光縴傳感器反射信號的頻率測量

4. 晶體振蕩器頻率測量中的停振問題

5. PLL的鎖定時間測量

6. 時鍾抖動測量中RJ帶寬的問題

7. 時鍾抖動測量精度的問題

8. 如何進行微小頻差的測量

十三、示波器能用於射頻信號測試嗎？

1. 為什麼射頻信號測試要用示波器

2. 現代實時示波器技術的發展

3. 現代示波器的射頻性能指標

4. 示波器射頻指標總結

十四、射頻測試常用測試案例

1. 射頻信號時頻域綜閤分析

2. 雷達脈衝的包絡參數測量

3. 微波脈衝信號的功率測量精度

4. FFT分析的窗函數和柵欄效應

5. 雷達參數綜閤分析

6. 跳頻信號測試

7. 多通道測量

8. 衛星調製器的時延測量

9. 移相器響應時間測試方法

10. 雷達模擬機測量中的異常調幅問題

11. 功放測試中瞬態過載問題分析

12. 復雜電磁環境下的信號濾波

13. 毫米波防撞雷達特性分析

十五、寬帶通信信號的解調分析

1. I/Q調製簡介

2. I/Q調製過程

3. 矢量信號解調步驟

4. 突發信號的解調

5. 矢量解調常見問題

6. 超寬帶信號的解調分析

十六、高速數字信號測試中的射頻知識

1. 數字信號的帶寬

2. 傳輸綫對數字信號的影響

3. 信號處理技術

4. 信號抖動分析

5. 數字信號測試中的射頻知識總結

十七、高速總綫測試常見案例

1. 衛星通信中僞隨機碼的碼型檢查

2. 3D打印機特定時鍾邊沿位置的數據捕獲

3. VR設備中遇到的MIPI 信號測試問題

4. AR眼鏡USB拔齣時的瞬態信號捕獲

5. 區分USB總綫上好的眼圖和壞的眼圖

6. 4K運動相機的HDMI測試問題

7. SFP+測試中由於信號邊沿過陡造成的DDPWS測試失敗

8. USB 3.1 TypeC接口測試中的信號碼型切換問題

十八、芯片測試常用案例

1. 高速Serdes芯片功能和性能測試

2. 高速ADC技術的發展趨勢及測試

3. 二極管反嚮恢復時間測試

4. 微封裝係統設計及測試的挑戰

十九、其他常見測試案例

1. 如何顯示雙脈衝中第2個脈衝的細節

2. 示波器的電壓和幅度測量精度

3. 不同寬度的脈衝信號形狀比較

4. 超寬帶雷達的脈衝測量

5. 通道損壞造成的幅度測量問題

6. 對脈衝進行微秒級的精確延時

7. 探頭地綫造成的信號過衝

8. 探頭地綫造成的短路

9. 阻抗匹配造成的錯誤幅度結果

10. 外部和內部50Ω端接的區彆

11. 低占空比的光脈衝展寬問題

12. 如何提高示波器的測量速度

13. 計算機遠程讀取示波器的波形數據

二十、大型數據中心的發展趨勢及挑戰

二十一、 PCIe 3.0測試方法及PCIe 4.0展望

1. PCIe 3.0 簡介

2. PCIe 3.0 物理層的變化

3. 發送端信號質量測試

4. 接收端容限測試

5. 協議分析

6. 協議一緻性和可靠性測試

7. PCIe 4.0標準的進展及展望

二十二、 SATA信號和協議測試方法

1. SATA 總綫簡介

2. SATA 發送信號質量測試

3. SATA 接收容限測試

4. SATA�睧xpress（U.2/M.2）的測試

二十三、 SAS 12G總綫測試方法

1. SAS總綫概述

2. SAS的測試項目和測試碼型

3. SAS發送端信號質量測試

4. SAS接收機抖動容限測試

5. SAS互連阻抗及迴波損耗測試方案

二十四、 DDR3/4信號和協議測試

1. DDR 簡介

2. DDR信號的仿真驗證

3. DDR 信號的讀寫分離

4. DDR 的信號探測技術

5. DDR 的信號質量分析

6. DDR 的協議測試

二十五、 10G以太網簡介及信號測試方法

1. 以太網技術簡介

2. 10GBASE�睺/MGBase�睺/NBase�睺的測試

3. XAUI和10GBASE�睠X4測試方法

4. SFP+/10GBase�睰R接口及測試方法

二十六、 10G CPRI接口時延抖動測試方法

1. 4G基站組網方式的變化

2. CPRI接口時延抖動的測試

3. 測試組網

4. 時延測試步驟

5. 抖動測試步驟

6. 測試結果分析

7. 測試方案優缺點分析

二十七、 100G背闆性能的驗證

1. 高速背闆的演進

2. 100G背闆的測試項目

3. 背闆的插入損耗、迴波損耗、阻抗、串擾的測試

4. 背闆傳輸眼圖和誤碼率測試

5. 發送端信號質量的測試

6. 100G背闆測試總結

二十八、 100G光模塊接口測試方法

1. CEI測試背景和需求

2. CEI��28G�睼SR測試點及測試夾具要求

3. CEI��28G�睼SR輸齣端信號質量測試原理

4. CEI��28G�睼SR輸齣端信號質量測試方法

5. CEI��28G�睼SR輸入端壓力容限測試原理

6. CEI��28G�睼SR接收端壓力容限測試方法

7. 100G光收發模塊的測試挑戰

8. 100G光模塊信號質量及並行眼圖測試

9. 100G光模塊壓力眼及抖動容限測試

二十九、 400G以太網 PAM��4信號簡介及測試方法

1. 什麼是PAM��4信號？

2. PAM��4技術的挑戰

3. PAM��4信號的測試碼型

4. PAM��4發射機電氣參數測試

5. PAM��4的接收機容限及誤碼率測試

精彩書摘

　　三、數字示波器的主要指標

　　1.示波器的帶寬

　　帶寬是示波器最重要的一個指標，它決定瞭這颱示波器測量高頻信號的能力。前麵我們介紹過，示波器的帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定。對於一般的放大器來說，其增益不可能在任何頻率下都保持一樣，示波器中使用的放大器也是如此。示波器中的放大器的工作頻點是從直流開始的，其增益隨著輸入信號的頻率增高會逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對應的頻點稱為這個放大器的帶寬，示波器的帶寬也是用同樣方法定義的。圖3.1是示波器帶寬定義的示意圖。

　　圖3.1示波器帶寬的定義

　　對於一颱標稱帶寬為1GHz的示波器，假設輸入一個標準的50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，在示波器上測量到的信號幅度為A；然後將輸入信號的幅度保持不變，頻率逐漸增加到1GHz，這時在示波器上測量到的信號幅度為B。如果20lg(B/A)的計算結果沒超過-3dB(例如為-2.8dB)，這颱示波器就是閤格的，否則就是不閤格的。對於示波器的帶寬檢定通常使用的也是這種方法。

　　需要注意的是，-3dB是按信號功率計算的，相當於信號的功率增益下降1/2。示波器實際測量的是電壓信號，功率與電壓的平方成正比，所以-3dB相當於示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來的0.707倍。因此，對於一個50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，用1GHz帶寬的示波器測量到的幅度應該是1V左右，而如果被測信號的幅度不變但是頻率增加到1GHz，這時測量到的信號幅度可能隻有0.7V左右瞭。

　　從前麵的例子可以看齣，示波器並不是對帶寬內的所有頻率信號都保持相同的測量精度的，被測信號頻率越接近帶寬附近，測量結果的幅度誤差越大，如果這個幅度誤差超過瞭可以接收的範圍，就要考慮用更高帶寬的示波器進行測量。另外示波器也不是絕對不可以對超過帶寬的信號進行測量，如果被測信號的頻率隻是稍微超過瞭示波器的帶寬，雖然信號的衰減會比較大，但大概的頻率、周期等時間信息還是比較準確的(對正弦波信號)。

　　至於具體某個頻點的衰減是多大，需要準確知道示波器的頻響麯綫。一般示波器廠商在公開的場閤隻會提供帶寬指標而沒有具體的頻響麯綫，如果確實需要，可以通過用微波信號源配閤功率計掃描得到這條麯綫。

　　示波器的帶寬主要取決於前端的衰減器和放大器的帶寬，因此大的示波器廠商都有自己特有的技術來實現高的帶寬。以Keysight公司為例，其33GHz的示波器前端芯片采用InP(磷化銦)的高頻材料，並使用瞭MCM(Multi�睠hipModule)的多芯片封裝技術，打開其MCBGA(多芯片BGA)芯片的屏蔽殼後(見圖3.2)，可以看到其內部主要由5片InP材料的芯片采用三維工藝封裝而成。其中包含2片33GHz帶寬InP材料做成的放大器，可以同時支持2個通道的信號輸入；2片InP材料做成的觸發芯片以及1片InP材料做成的80GSa/s的采樣保持電路；所有芯片采用快膜封裝技術封裝在一個密閉的屏蔽腔體內。

　　圖3.2采用InP材料的示波器前端芯片

　　隨著信號頻率和數據速率的提高，對於示波器帶寬的需求越來越高。如果沒有能力設計高帶寬的放大器前端，或者現有的硬件技術無法提供足夠高的帶寬時，有時會采用一些其他的方式來提升帶寬，其中常用到的是DSP帶寬增強和頻帶交織技術。

　　DSP帶寬增強技術實際上是一種數字DSP處理技術。采用數字DSP處理技術的初衷並不是為瞭增強帶寬，而是為瞭進行頻響校正。一般寬帶放大器在帶內各個頻點的增益不一定是完全一緻的，所以寬帶放大器通常會有一個帶內平坦度指標衡量增益的波動情況。通過用數字技術補償頻響波動可以在帶內獲得比較平坦的頻響麯綫，獲得更準確的測量結果。進一步地，為瞭充分利用帶寬以外頻點的能量，可以通過數字處理技術把帶寬以外一部分頻率成分的能量增強上去，這樣-3dB對應的頻點就會右移，相當於帶寬提高瞭。圖3.3顯示瞭帶寬增強對係統頻響特性的改變。帶寬增強技術在提高帶寬的同時也會提升係統的高頻噪聲，所以這種技術雖然提高瞭帶寬，但增加瞭噪聲。帶寬增加越多，噪聲的放大比例越大。因此，帶寬增強技術雖然實現簡單，但不適用於大比例增加係統帶寬。反過來，用數字處理技術還可以根據需要壓縮帶寬。帶寬壓縮的同時一部分頻率成分的噪聲也被濾掉，所以在不需要高帶寬時可以降低係統噪聲。帶寬增強和壓縮技術在很多高端示波器上都有使用。

　　圖3.3DSP帶寬增強技術

　　除瞭DSP帶寬增強以外，頻帶交織技術也是另一種提升帶寬的方法。頻帶交織技術是在頻域上把信號分成兩個或多個頻段處理，例如把輸入信號分成低頻段和高頻段兩個頻段分彆采樣和處理，再用DSP技術閤成在一起。圖3.4是頻帶交織技術實現的原理。例如，假設放大器硬件帶寬隻能做到16GHz，而希望實現25GHz的帶寬，這就要把16GHz以下的能量濾波後用一個放大器放大後采樣，16~25GHz的能量經濾波、下變頻後再用另一個放大器放大後采樣。這種方法推廣開來可以3個頻段或4個頻段復用實現更高的帶寬。但是有射頻知識的人都知道，硬件上是做不齣來那麼理想的濾波器，正好把需要的頻率都放進來，同時把不需要的頻率分量都濾掉的，而且寬帶信號的下變頻的過程會産生非常多的信號混疊和雜散問題。因此，使用這種方法後，如果硬件電路設計和數學修正方法不好，在頻段的交界點附近會有很大的問題，最典型的錶現就是在頻段交界點附近噪聲會明顯抬高，信號失真明顯變大。

　　圖3.4頻帶交織技術實現原理

　　2.示波器的采樣率

　　被測信號經過示波器前端的放大、衰減等信號調理電路後，接下來就是進行信號采樣和數字量化。信號采樣和數字化的工作是通過高速的A/D轉換器(ADC，模數轉換器)完成的，示波器的采樣率就是指對輸入信號進行A/D轉換時采樣時鍾的頻率。

　　圖3.5數字采樣的概念

　　真正輸入示波器的信號在時間軸和電壓軸上都是連續變化的，但是這樣的信號無法用數字的方法進行描述和處理，數字化的過程就是用高速ADC對信號進行采樣和量化的過程。經過模數轉換後，在時間和電壓上連續變化的波形就變為一個個連續變化的數字化的樣點，如圖3.5所示。

　　在進行采樣或者進行數字量化的過程中，如果要盡可能真實地重建波形，最關鍵問題是在時間軸上的采樣點是否足夠密以及在垂直方嚮的電壓的量化級數。水平方嚮采樣點的間隔取決於示波器的ADC的采樣率，而垂直方嚮的電壓量化級數則取決於ADC的位數。

　　對於實時示波器來說，目前普遍采用的是實時采樣方式。所謂實時采樣，就是對被測的波形信號進行等間隔的一次連續的高速采樣，然後根據這些連續采樣的樣點重構或恢復波形。在實時采樣過程中，很關鍵的一點是要保證示波器的采樣率要比被測信號的變化快很多。那麼究竟要快多少呢？可以參考數字信號處理中的奈奎斯特(Nyquist)定律。Nyquist定律告訴我們，如果被測信號的帶寬是有限的，那麼在對信號進行采樣和量化時，如果采樣率是被測信號帶寬的2倍以上，就可以完全重建或恢復齣信號中承載的信息。

　　圖3.6是滿足奈奎斯特采樣定律的情況：被測信號的帶寬為B，示波器的采樣率為Fs。當用Fs的采樣率對帶寬為B的信號進行采樣時，從頻譜上看以Fs的整數倍為中心會齣現重復的信號頻譜，有時稱為鏡像頻譜。如果B2B時，信號的各個鏡像頻譜不會産生重疊，就可以在采樣後通過閤適的重建濾波器把需要的信號恢復齣來。

　　圖3.7是不滿足奈奎斯特采樣定律的情況：如果B>Fs/2或者說Fs<2B時，信號的各個鏡像頻譜可能會産生重疊，這時我們稱信號産生瞭混疊，混疊後無論采用什麼樣的濾波方式都不可能再把信號中承載的信息無失真地恢復齣來瞭。

　　圖3.6滿足奈奎斯特條件時采樣到的信號的頻譜

　　圖3.7不滿足奈奎斯特條件采樣時的頻譜混疊

　　更嚴重的混疊情況發生在示波器的采樣率低於被測信號頻率的情況下。為瞭更清楚地展示這個問題，下麵通過一個例子，看看對同一個正弦波信號用不同采樣率采樣時會發生什麼現象。

　　圖3.8和圖3.9是示波器分彆用20GSa/s的采樣率和5GSa/s的采樣率對1.7GHz的正弦波進行采樣並重建波形的情況，兩張圖都可以清晰看到原始信號的波形並可以相對準確地測量到信號的頻率等參數。

　　圖3.8用20GSa/s的采樣率對1.7GHz的正弦波采樣得到的信號波形

　　圖3.9用5GSa/s的采樣率對1.7GHz的正弦波采樣得到的信號波形

　　接下來所有情況不變，我們把示波器的采樣率分彆設置到2.5GSa/s和1GSa/s，此時1.7GHz的正弦波信號經示波器采樣和重建以後，在示波器屏幕上仍然能看到一個正弦波信號，但是仔細觀察會發現，這個正弦波信號的頻率的測量結果是分彆是800MHz和300MHz如圖3.10和圖3.11所示。這時就是産生瞭信號的混疊：雖然在示波器上仍然能看到一個波形，而且波形看起來沒有太大問題，但頻率是發生瞭搬移的，有時又稱為假波。

　　圖3.10用2.5GSa/s的采樣率對1.7GHz的正弦波采樣得到的信號波形

　　圖3.11用1GSa/s的采樣率對1.7GHz的正弦波采樣得到的信號波形

　　假波的特點是在屏幕上的顯示是不穩定的，而且隨著采樣率的變化波形的頻率會發生變化。如果被測信號是數字信號或者脈衝信號，其頻譜成分會更加復雜，這時不一定是信號頻率發生變化纔錶示産生瞭混疊，很多時候上升、下降沿形狀的不穩定的跳動也可能是由於信號混疊造成的。避免假波或混疊的根本方法是保證示波器的采樣率是被測信號帶寬的2倍以上。示波器前麵的放大器、衰減器等信號調理電路都有一定的帶寬，這就是示波器標稱的硬件帶寬，因此超過示波器帶寬的信號頻率成分即使能進入示波器內部也已經被衰減得比較厲害。現在的數字示波器的最高采樣率一般都可以保證采樣率超過示波器帶寬的2倍以上(考慮到示波器的頻響方式的不同，實際示波器的最高采樣率可能會是其帶寬的2.5倍或4倍以上)，但是在實際使用中，由於內存深度的限製，示波器有可能會在時基刻度打得比較長時降低采樣率，這時就需要特彆注意混疊或者假波的産生。如果實在需要采集比較長的時間同時又需要比較高的采樣率，可以考慮擴展示波器的內存深度或者采用其他的采樣方式(例如分段存儲)。

　　對於帶限的調製信號來說(例如1.7GHz的載波，調製帶寬為10MHz)，如果示波器的采樣率雖然不滿足信號載波頻率的2倍以上的要求，但是滿足信號調製帶寬2倍以上的條件。此時有可能采樣到的信號雖然載波頻率發生瞭搬移，但是信號的調製信息還完整保留，這時仍然可以對信號進行正確的解調。這種采樣方式有時又稱為欠采樣，在無綫通信的信號采樣中有廣泛應用。欠采樣實現瞭類似數字下變頻的效果，在欠采樣情況下，示波器可以用比較低的采樣率進行采樣，因此節約瞭內存深度，從而可以采集更長的時間，欠采樣是我們在進行信號解調時比較常用的一種采樣方式。但是注意的是，欠采樣也要滿足采樣率是信號帶寬2倍以上的條件，同時要保證混疊以後的信號頻譜不要跨越相鄰的奈奎斯特區間，因此需要慎重使用。

　　為瞭避免信號的混疊，放大器後麵A/D采樣的速率至少在帶寬的2倍以上甚至更高。隨著高帶寬示波器的帶寬達到瞭幾十GHz以上，目前市麵上根本沒有能支持這麼高采樣率的單芯片的ADC，因此目前市麵上高帶寬示波器無一例外都需要使用ADC的交織技術，即使用多片ADC交錯采集以實現更高的采樣率。

　　圖3.12是TI公司提供的一種對其高速ADC進行交織的實現方式(來源：www.ti.com)。在進行交織時，信號經放大後分為2路，送給2片ADC芯片采樣，2片ADC的采樣時鍾有180°的相位差。這樣在一個采樣時鍾周期內2片ADC共采瞭2個樣點，相當於采樣率提高瞭1倍。經2片ADC分彆采樣後，後續軟件在做波形顯示時需要把2片ADC采到的樣點交替顯示，從而重構波形。

　　圖3.12典型的ADC交織方式

　　要實現多片ADC的拼接，要求各片ADC芯片的偏置、增益的一緻性要好，而且對信號和采樣時鍾的時延要精確控製。偏置和增益的一緻性相對比較好解決一些，例如可以通過校準消除其偏置和增益誤差。但是信號和采樣時鍾的時延控製就比較難瞭，因為高帶寬示波器中使用的ADC的采樣時鍾的一個周期隻有幾十ps，ps級的誤差或者抖動都會造成非常大的影響。圖3.13顯示瞭當2片ADC的時鍾相位差不是理想的180°時對波形重建造成的影響。

　　圖3.13不理想的ADC芯片拼接帶來波形失真

　　當采用多片ADC在PCB闆上直接進行拼接時，由於PCB上走

　　圖3.14采樣保持後再進行信號分配的ADC拼接方式

　　綫時延受環境溫度、噪聲等影響比較大，很難實現精確的時延控製，所以在PCB闆上直接進行簡單的ADC拼接很難做得非常好。而對於示波器來說，由於其采樣率高達幾十GHz，因此幾個ps的走綫延時都會對係統性能産生非常大的影響。為瞭解決這個問題，比較好的方法是先進行采樣保持，再進行信號的分配和采樣。如圖3.14所示，由於采樣保持電路集成在前端芯片內部，在芯片內可以做很好的屏蔽和時延控製，所以采樣點時刻的控製可以非常精確。而送給PCB闆上各ADC芯片的信號由於已經經過采樣保持，所以信號會保持一段時間。這樣即使在PCB闆上的信號路徑或ADC的采樣時鍾有些時延誤差或抖動，隻要其範圍不超過一個采樣時鍾周期，就不會對采集到信號的幅度以及最後的波形重建造成影響。

　　3.示波器的內存深度

　　對於高速的數字實時示波器來說，由於其采樣率很高，這個高速的數據以現有的數字處理技術是不可能實時處理的。所以數字示波器在工作時都是先把信號采集一段到其高速緩存中，然後再把緩存中的數據讀齣來顯示。這段緩存的深度，有時也稱為示波器的內存深度，決定瞭示波器在進行一次連續采集時所能采集到的最長的時間長度。通常用以下公式計算示波器能夠一次連續采集的波形長度：時間長度=內存深度/采樣率。

　　需要注意的是，一般我們所說的示波器的內存深度是這颱示波器配置的最大內存深度。由於內存深度設置很深時示波器要處理的數據量很多，可能波形的更新速度會很慢。很多示波器廠商為瞭改善用戶使用的感受，默認會根據示波器時基刻度的調整自動調整所用的內存深度。而當內存深度增加到最大仍然不足以保證采集更長的時間時，示波器通常會自動降低采樣率以獲得更長的采樣時間。圖3.15是示波器中常用的調整時基刻度和波形水平位置的鏇鈕。

　　圖3.15示波器調整水平時基的鏇鈕

　　因此，在增加示波器的時基刻度時，很重要的一點是注意觀察示波器采樣率的變化。如果示波器的內存深度不足，在增大時基刻度時很容易造成采樣率的下降。如果要分析的是低速的信號，采樣率下降不會造成問題；但如果要分析的是高頻的信號、很窄的脈衝或者Burst的高速數據流，采樣率的下降就有可能造成信號的失真或者混疊。很多示波器也支持手動設置示波器的采樣率和內存深度，手動設置後示波器的采樣率和內存深度一般不會再隨著時基刻度的變化而變化，但是示波器能夠采集的最長的時間長度也定死瞭。圖3.16是一個例子，示波器的采樣率是80GSa/s，內存深度是800k樣點，總共采集的波形時間長度=(800k/80G)=10μs。

　　圖3.16以80GSa/s的采樣率采集800k樣點的波形

　　如果齣於保證測量精度的考慮，示波器的采樣率不能下降，但同時還想采集更長的時間長度，隻有擴充示波器的內存深度。由於示波器的內存是高速的緩存，而且大內存的管理對數據處理速度的要求也很高，需要專門的數據處理芯片，因此示波器的內存深度擴展的價格一般都非常昂貴。目前市麵上實時示波器中內存深度最多可以達到每通道2G采樣點。

　　4.示波器的死區時間

　　前麵介紹過，對於模擬示波器來說，由於沒有數據處理的中間環節，信號通過掃描直接在屏幕上顯示，除瞭迴掃的時間外，在信號捕獲和顯示上幾乎沒有間斷。而對於數字示波器來說，由於采樣率很高，現有的技術又無法對這麼大的數據量進行實時處理，所以采集完一段波形後必須停下來等待數據處理和顯示。如圖3.17所示，在這段處理和顯示的時間段內，示波器不響應觸發也不進行波形捕獲，因此這段時間稱為示波器的死區時間(DeadTime)。

　　圖3.17死區時間的概念

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前言/序言

　　前言

　　寫在前麵——

　　人類的文明從使用和製造工具開始。

　　工具可能是原始人隨手抄起的木棒，也可能是現代孩童堆在牆角的樂高積木。作為電子工程師的眼睛，示波器是最普遍使用的電路調試工具。現代數字示波器不隻是用於簡單的波形觀察，而是一套非常復雜的信號采集和分析係統。但遺憾的是，無論在國內還是國外，很多介紹示波器的圖書與實際工作結閤不好且跟不上時代的技術更新，而大部分講操作的資料讀起來又空洞無味，很少能站在實際應用的角度去解讀示波器。

　　有次和一位工程師朋友聊天，他聊到買瞭很多很好的儀器，但是很多功能沒完全發揮齣來。“就像手機，我們隻用其中10%的功能。”“手機用兩年就過時瞭，你需要瞭解那麼多嗎？而且儀器都有操作手冊啊？”我反問。“儀器不一樣，雖然簡單使用都會，但實際問題韆變萬化，真碰到事兒還是解決不瞭。操作手冊好幾百頁，也不知道哪些部分與當前問題相關，現在節奏這麼快，哪來得及去一頁頁翻手冊。”

　　其實我一直不願寫一本特彆瑣碎的針對使用方法和技巧的書，總覺得格局不大，而且實際問題韆變萬化，也沒有一招鮮吃遍天的獨門秘籍。所以這本書不是類似市麵上一些從入門到精通的操作指南，也不會涉及很細節的操作步驟。我更想展示給大傢的是現代測量工具能夠實現的強大功能，以及碰到問題時的分析思路。我那位朋友的話打動我的一點在於：廣大工程師朋友確實需要一些這方麵的幫助。從資曆和經驗上，我確實是和使用示波器的各行各業工程師接觸最多的。時日越久，越覺責無旁貸。

　　無論是用扳手擰緊一顆螺絲釘，還是熬夜調試電路的故障，抑或是産品交付前的一次次設計修改，無不浸透著工程師的汗水。這些文章的總結和整理，就當是對廣大默默無聞、辛勤耕耘的工程師們日常工作的記錄和匯報吧。如果能對大傢的日常工作有些許幫助，就是額外的驚喜瞭。

　　逐有此書。

　　李凱2017年3月