选择合适的示波器进行高速电路调试和验证

示波器，作为全球使用最广的通用仪器，伴随电子设计工程师走过了60年的历程。第一代的模拟实时示波器（ART）和第二代的数字存储示波器（DSO），都有其明显的缺点。基于DPX数字荧光技术的第三代数字荧光示波器（DPO），结合了前两代示波器的优点，同时消除了两者的缺点。全新一代的数字荧光技术进一步提升了数字荧光示波器的实时性，使DPO在性能和适用性方面已经远远超过了同等带宽的ART和DSO，成为当前业界性能最优、效率最高、分析能力最强的选择。为什么DPO具有这样的能力呢？本文接下来的部分，将结合DPX技术的核心，为读者完整介绍三代示波器在调试和验证工作中的优劣势，同时解答一些已谈论过多年的疑问。

第一章 示波器技术的发展和演变

泰克的 511模拟实时示波器，标志着商用示波器时代的到来。511之前也有一些“示波器”产品，但是由于其没有触发系统和校准的时基、垂直刻度，不能提供稳定的显示波形，也不能进行定量测试，所以只是一种定性观测的工具。511首次在“示波器”这种测试设备中加入了边沿触发以显示稳定波形、使用校准的时基和垂直放大器以提供定量测试能力，大大增加了适用性。这样，商用示波器诞生了。

模拟实时示波器发展到现在，基本结构并没有多大变化，下图是一个基本的结构框图：

图1: 模拟示波器结构简图

模拟实时示波器机构简单，没有信号的数字化、处理等过程。ART的所有信号调理、放大和显示都由模拟器件完成，所以从信号进入放大器（或探头）到最后在CRT上显示，几乎是实时（延迟时间几乎可以忽略）的。

但 是，模拟示波器也有死区时间，在死区时间内出现的信号是不能显示在屏幕上的。这个死区时间来自于触发系统的“触发抑止（hold off）”和等待触发的时间。所以，模拟示波器也不是能100％地捕获信号。不同型号的模拟实时示波器，最大波形捕获概率大约从30％～70％不等，扫描速度最快可达50万次/秒。这是一个非常好的指标。

再来看模拟示波器显示的方式——CRT阴极射线管。电子束经过偏转板的偏转，再轰击显示屏上的荧光物质发光形成波形轨迹。当电子束停止轰击后，亮点不会立即消失而要保留一段余辉时间。余辉时间10μs—1ms为短余辉，1ms—0．1s 为中余辉，0．1s-1s为长余辉，大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管，高频示波器选用短余辉，低频示波器选用长余辉。在余辉效应的作用下，波形轨迹上每一点的亮度，和被轰击的次数（频度）成正比关系。因此，模拟实时示波器显示的波形，不仅有时间和幅度的信息，还能以亮度等级表示信号出现概率的信息，非常有利于观测。

但是在另一方面，荧光物质发光的这一特性也带来了一个问题：轰击次数过少的轨迹的亮度会很低，甚至根本无法观测到。所以模拟示波器比较适合于重复信号（如连续正弦波）或者有重复特性的信号（如模拟视频信号）。而对单次信号（如单个脉冲或偶发故障）的观测能力非常有限。

总结起来，模拟实时示波器有以下几点主要优点：实时性强、波形捕获概率高、直观的三维（时间、幅度和信号出现概率）显示方式。缺点主要在于：无法存储数据、分析能力有限、对低概率事件捕获能力不足、触发简单、预触发延时不足和带宽提升困难（从前端放大器到CRT必须同时提升）等。随着数字化运动的兴起和越来越多的单次信号测量需求，模拟示波器这些缺点使其渐渐不再能满足测试需求，所以从上世纪80年代开始，主流的示波器厂家均渐渐转向数字示波器的研发和生产。

第一代数字示波器现在被称为数字存储示波器（DSO），使用串行的工作结构。原理框图如下：

图2: 数字存储示波器结构简图

数字存储示波器使用了ADC采样的方式，所以被测的模拟波形最终可以以数据的格式存储。当然，数字化的数据还可以方便地进行自动测量、频谱分析、数学计算或者其它高级分析。所以数字示波器特别适于单次信号的采集和分析，这是一个很大的突破。

另外一方面，数字存储示波器在ADC以后就是全数字化处理，所以带宽的提升仅受限于可变增益的前置放大器带宽和ADC的速率。随着技术的进步，现在，泰克 TDS6154C是业界真实模拟代宽最高的数字存储示波器，达到12.5GHz(3dB)。由于超高高带宽示波器系统设计中，宽带放大器是其中的核心部分，目前的主流设计都采用每一个通道独立的硬件放大器设计方法，这样保证每一个通道的性能没有限制。当每一个通道放大器的设计带宽不足时，有些示波器通过DBI技术利用示波器每一个通道6GHZ的低带宽放大器在不同的频段“拼接”在一起，在某一个通道上达到超过6GHZ的带宽，例如3个通道的6GHZ频段“拼接”后达到18GHZ带宽。从DBI技术实现的方法可以明显看出它的优点和相应的缺陷，最明显的优势是利用多通道的低带宽合并为单通道超过10GHZ的高带宽，在示波器设计中成本最高的放大器和ADC均采用低速设计，非常有利于控制成本。由于DBI技术本质上首先经过将信号频率分配到不同的通道，通过相对低速的ADC进行采样，最后通过DSP技术将这些包含不同分量的频率数字“拼接”，它会导致以下几个限制。[page]

1. 通道数限制：当使用不同通道时带宽不同，3通道或4通道使用时仅仅提供6GHZ带宽，ADC采样率也有限制。

2. 频谱“拼接”错误：从幅频特性图可以看出，每一个频率“拼接”点都有明显的非线性，当被测信号的频谱分量在该区域时，示波器时域显示的波形会出现波形失真。

3. 波形捕获率低： 由于DBI技术需要软件处理和“拼接”数字频域的波形，数据量比较大时波形处理和显示速度非常低。

4. 功能限制：当DBI打开时，虽然单通道带宽和ADC提升，但是触发系统的带宽无法通过DBI技术提升，最大仅为800MHZ，另外示波器的外参考输入，垂直灵敏度的精细调整等功能都会由于DBI打开而受限。

数字存储示波器在触发系统上也有很大的进步。从结构框图上可以看到，数字示波器的触发系统是完全独立的一个以模拟电路为主的电路。高性能的触发系统好比是照相机的快门，可以帮助测试人员准确定位信号行为。针对各种特殊信号的特点，数字存储示波器可配备毛刺触发、欠幅脉冲触发、过渡时间、通讯触发、串行触发、窗口触发、状态触发、码型出发和总线触发等多种高级触发模式。泰克的Pinpoint?触发系统是当前全业界最先进的触发系统，在边沿触发和高级触发中使用完全的SiGe技术，所以触发灵敏度都可到达到很高的水平，例如TDS6124C这款仪器，边沿触发和高级触发的灵敏度都可以同时达到 3div@9GHz。这个双触发系统辅以触发延迟设置和触发重置，几乎可以不受限制地设置触发模式。

数字存储示波器有了这些特性，在带宽性能可以远高于较模拟实时示波器；在触发和采样的配合下，数字存储示波器对单次信号（低重复概率信号）的捕获能力有巨大提升；对于信号的测试和分析能力也今非昔比……但是，在增强了对单次信号的捕获、分析能力以后，也引入了难以避免的弱点，这主要体现在波形捕获率和单调的显示能力上。以下我们来说明一下这些弱点：

数字存储示波器的结构上已经决定，它必然工作在一种串行模式下——信号经过调理，进入ADC采样；ADC的采样数据在触发系统的控制下送入采集内存；采集内存存满以后，波形数据被送到计算机系统；微处理器根据用户需求，对这些数据进行处理、计算、分析；最后波形和分析结果被显示在显示器上（滚动模式下工作流程略有不同，这里不做详细描述）。在这个过程中：从信号调理、触发监控到ADC采样，几乎是实时的，不会影响工作效率；而数据从采集内存传到计算机系统、微处理器的处理、计算过程、最终的显示，都会因为示波器的构架不同而影响其实时性。其中最关键的部分是微处理器的处理过程。我们都知道，流行的示波器采样率都会在每秒数十吉（GS/s），没有任何一个通用的微处理器可以实时处理这样的数据流，所以示波器微处理器的处理方式只能是“抓取一段、慢慢处理、控制显示”，然后重复。这样，在其“慢慢处理”的时间中，示波器将不能监视波形，这也就是我们所说的“死区时间”，在死区时间内发生的事件，是不会显示在屏幕上的。为了衡量数字存储示波器的死区时间占到总观测工作时间的比例，我们引入“波形捕获率”的概念，也就是示波器可以连续提供的每秒种内捕获并显示的波形个数。此处的“波形”指一次触发采集的全部信息。试验证明，业界波形捕获率最高的高性能（带宽1GHz以上）数字存储示波器，大概波形捕获率在8000次左右，其捕获波形的总体时间大约占到总观测时间的1～2％，也就是说：全部信号的98％以上的细节，因示波器的死区时间而漏失掉了。

每个工程师都相信仪器提供了正确的信息，但很少有工程师会考虑到自己正在使用的示波器只能提供如此之少的波形细节——举个例子，如果您观测的信号里存在一种平均1秒发生一次的故障，那么数字存储示波器1秒内发现这个故障的概率只有不到2％，15秒内发现的概率也只有大约26％。而事实上，由于开发时间紧迫，一般工程师观测一个信号的时间都不会超过10秒——结果，您只有不到1/4的几率能够捕获这个故障并进行有效调试。

几乎所有的示波器厂商都意识到数字存储示波器波形捕获率低这种缺陷，并且开发出了很多提高示波器速度的方法。但是，无论在数据从采集内存传到微处理器时使用两对1.25Gbps的千兆以太网链路的构架，还是在显示上采用显示局部和抽点显示的加速技术，都未能从最根本的问题上解决吞吐率的问题——串行的构架中，微处理器是速度的瓶颈，只有完全改变串行结构、解放微处理器，才是解决问题的关键。

在这个方面，泰克公司走在了行业的最前面，从一开始就着手于串行构架的改造。从上世纪90年代中期的InstaVu?到2006年初的实时DPO，基于并行构架的第三代示波器：数字荧光示波器，从出现逐渐走向成熟。下图是DPO数字荧光示波器的结构图：

图3:数字荧光示波器结构图

从结构可以看出，DPO数字荧光示波器的并行处理核心是DPX并行成像处理芯片。DPX完成了采集数据的存储、光栅化和统计处理以生成三维数据库。并且能把光栅化的波形图像信息直接导入显存。在这种构架中，微处理器仅仅做显示控制等工作，不再在数据处理过程中充当瓶颈。

DPO 数字荧光示波器的并行结构从根本上解决了DSO数字存储示波器波形捕获率低、波形漏失严重的缺陷。DPO7000、DPO70000系列实时数字荧光示波器的波形捕获率可以达到250000wfm/s，DPO71000、DPO72000系列超高性能数字荧光示波器更可超过300000wfm/s，捕获波形占总体信号的比例也最高可达60％（连续提供）；而且新一代的DPX采集也没有了上一代“准实时荧光示波器” 的最高1.25G实时采样率的限制，而是可以工作在任何采样率下，对信号的捕获能力进一步增强，是现在业界发现问题的最佳工具。下图是三家不同厂商的同等级示波器同时观测一个带有偶发故障（约一秒钟发生一次）的时钟，15秒以后的情况。可以看到，在前面两种示波器几乎没有发现任何问题的时候，泰克的数字荧光示波器（右图）却捕获到了此间发生的多次故障，差别一目了然。

图4: 对同一个信号观察相同时间，DPO发现更多波形行为

DPX 生成三位数据库在显示上也有巨大优势。这种由硬件缓冲器记录的数据库可以保存波形的幅度、时间和随时间变化的幅度（即各点信号出现的频度）信息，无论在累计速度还是缓冲器深度（每点26bit）上都远远超过其它厂商的软件生成的数据库。由此三位数据库生成的显示波形，可以以色温、光谱、亮度等级等方式，同时告知用户幅度、时间和信号出现的概率信息，效果非常类似模拟示波器。

数字荧光示波器，拥有和模拟示波器相当的波形捕获率和显示方式，对重复信号和有重复特性的信号（如数字信号、串行通信信号）的捕获和观测能力大大超越传统数字存储示波器，能显著提高调试和验证的效率。同时，数字荧光示波器也具有数字存储示波器对于单次捕获信号的全部分析能力。而且，由于其构架的优势，数字荧光示波器在测试项目、测试速度以及测试精度上都全面领先于数字存储示波器。

如何使用数字荧光示波器进行高效的电路调试和验证，我们将在下两章着重介绍。

第二章 使用实时数字荧光示波器进行调试——发现问题、定位问题、分析问题

调试（Debug）的任务，是要检查设计中存在的问题：改正电路中的错误，消除设计里的缺陷，使设计达到预期的功能，并优化电路。

调试的一般过程，我们可以把它归纳为：发现问题——定位问题——分析问题——解决问题。万用表、示波器、逻辑分析仪等仪表都是重要的调试观察工具。

使用示波器进行调试，准确、快捷、使用方便是每个使用者的要求。选用合适的工具来工作，可以起到事半功倍的效果。[page]

隐藏在正常信号里的异常（偶发性故障），是调试电路错误的一种关键对象。发现偶发性故障对于调试工具提出了很高的要求——调试工具的波形捕获概率要足够高，漏失率要足够低，才能快速可靠地发现这些偶发的异常，为我们下一步定位问题提供足够的信息。正像图四中看到的例子，一秒发生一次的故障，可能来自于时钟电路的周期性失效，也可能源于其它电路的干扰。由于这种失效或者干扰的出现概率可能只有几百万分之一甚至更低，所以对于传统数字存储示波器不到2％的捕获概率来讲，要以比较高的置信度来发现这些问题，需要花费很长的时间。这时，数字荧光示波器的优势就显现出来了，它高达数十万次的波形捕获率和最高可超过 60％的捕获概率，可以帮助调试人员迅速“看到”问题，减少在众多正常信号里面搜寻故障的时间——结果，您可能只需要几秒钟，而不是数分钟、数小时甚至几天的时间，就能发现令人头痛的偶发性错误。

事实上，偶发性故障对于调试人员来说本来是未知的——在有限的观测时间内，发现问题的概率越高，则调试的效率越高。这时数字荧光示波器的价值更加明显——DPO观测一段时间所获得的信息量，用数字存储示波器可能需要数十倍甚至数百倍的时间才能完成。所以，DPO是现今数字示波器领域，能最快发现问题的调试工具。还是图四的例子，使用DPO观测10秒钟，发现一秒一次的故障的概率大约是 99.99%。而使用数字存储示波器，达到同样的捕获概率需要约450秒，也就是七分半钟，差别一目了然。从这种意义上来讲，DPO提供的不仅仅是远远领先的效率，更加为调试人员增添了无以伦比的信心。

发现问题，完成了调试中关键的一步。下一步就是定位问题。

在定位问题上，业界有两种方法：一种是使用长内存，抓取很长的数据量，然后通过肉眼观测或者搜索插件来找到关心的问题点；另一种是使用触发，直接定位需要的的波形细节。这两种方法，实际上是有其技术背景的：第一种方法是除了泰克公司以外的其它示波器生产商支持的——在没有DPX并行处理技术，波形捕获率低的情况下，“放大网，抓小鱼”成了唯一的解决方案；加之这些厂商产品的高级触发模式的触发带宽一般在800MHz以下，“抓取——筛选”也是这些示波器最容易实现的对高速信号“定位问题”的方法。数字荧光示波器更倾向于后一种方法：在DPX波形捕获技术发现问题以后，使用得到的波形异常信息设置Pinpoint 触发系统的高级触发条件，直接定位问题。

调试时使用长内存加查找来定位问题，好比是用摄像机摄录下一段时间的风景，然后再返回去查看所有记录来搜索我们想看的景色；硬件触发定位，类似高性能照相机加准确的快门设置，直接拍下我们关心的景色。两种方法在效率上的优劣一看自明。

另一方面，使用长内存来直接“定位问题”，并没有从根本上改善数字存储示波器高漏失率的问题。在图四的例子里面，如果使用目前业界高速内存最长的数字存储示波器，其可以提供最高20G的采样率和100M存储深度。您可以发现，即时使用全部100M存储空间，在20G采样率下只能无漏失地捕获5ms长度的波形；而处理这100M的数据，这种示波器通常需要几秒到几分钟的时间，漏失概率高达99.5%以上。所以在不知道偶发故障主要参数的前提下使用长内存加搜索，其调试过程好比高射炮打蚊子，命中率极低。

DPO的高波形捕获率，能在很短时间内发现信号的异常，如毛刺、欠幅脉冲、建立/保持时间违规、边沿速率或者单调性问题等等，并能以色温等方式告知其发生频度。用户使用基于DPX捕获技术的快采（FastAcq）方式捕获了这些问题以后，就可以使用简单的如光标测量等方式确定其主要参数，并将这些参数作为触发条件，就可以直接定位故障了。

用来定位故障的触发系统，各公司使用的技术也是不一样的。虽然各个厂商均宣称在触发系统上使用了SiGe的高速半导体技术，但是真实效果却有待研判。泰克公司在中高端数示波器中使用的 Pinpoint双触发系统，使用了完全的SiGe 技术，这种高带宽、低功耗、低噪声的半导体技术造就了Pinpoint触发系统的强大性能：拥有业界最多的触发模式——除了边沿触发外，还提供毛刺、欠幅脉冲、宽度、转化时间、超时、码型、状态、建立/保持时间、窗口、通信相关触发和串行码型和解码触发等多种高级触发模式；业界最高的触发带宽——前十大类触发模式的触发带宽都可高达9GHz，串行码型触发可支持高达3.125Gbps的码流；业界最强大的组合触发模式——通过时间延时或事件延时，以及时间 /状态/转换复位控制，Pinpoint触发系统可提供超过1400种组合触发模式。所以该触发系统可以几乎不受限制地设置各种触发条件。相比起来，其它厂商的示波器触发系统，一般仅仅能在边沿触发这种继承于模拟示波器的触发模式上有可与示波器匹配的触发带宽。而在高级（智能、违规）触发模式下，这些示波器一般仅能够提供不高于800MHz的触发能力。这对于当前的高性能、超高性能示波器来说几乎没有任何意义。

有些调试人员可能会有这样的疑问：用DPX快采看到的故障，如果是不可重复的，那触发系统再强大也捕获不了啊？不错，如果故障是单次的、不可重复的，那示波器是不能重新捕获的。但是，您完全没有必要担心，事实上，纯粹的不可重复故障并不是调试工作的任务，我们在调试时也不必关心这种问题。它可能源自一些非本电路的原因，如电力系统偶然失效、突发外部EMI干扰等——既然不会重复，我们为什么要担心呢？

当然，如果调试人员已经习惯使用长内存的方式定位故障，DPO 也能胜任。实时数字荧光示波器是现在业界内存最长、处理速度最快的产品。它能在每通道上提供100M存储深度，单通道下最高可达400M。400M是一个非常优秀的指标，在20G采样率下，400M存储深度可以捕获从工频50Hz直到示波器满带宽的频谱成份，这在高性能示波器里面还是首屈一指的。

下面就是分析问题。示波器能提供的分析方法一般有：自动测量、数学运算、频谱分析、滤波和其它分析。现代示波器一般都使用开放式的Windows操作系统，较为容易实现分析功能的扩展。

DPO 提供的标准配置分析功能很多。在自动测量方面，有关于幅度、时间、组合、直方图和眼图的53种测试项；在数学运算方面，有数十种运算符号可供调试人员自由编辑；频谱分析方面，除了一般示波器可以提供的基本FFT频谱分析仪外，DPO还提供高级的FFT分析，您可以设置中心频率、频谱跨度、分辨率带宽和选择合适的窗口函数（总共8种）；DPO也提供用户自定义的FIR滤波器功能，用户可以使用低通、高通、带通、带阻、平滑等滤波器。此外，泰克还提供几十个免费小插件，使用这些小插件，可以轻松实现诸如“触发－存盘”、“测量－归档”这样的自动操作。另外，通过选件支持，用户还可以进行抖动分析、功率测量等高级测量。

有几个分析工具是值得注意的：第一个是快帧（FastFrame），它能将内存分段，连续触发，用户可设置触发捕获次数。当示波器捕获用户要求的次数后，每次捕获的信息都存入内存。用户可以观察每次捕获的波形（观察单个或者叠放），并且可以了解每次触发的时间（精确到皮秒）。这个功能对测量故障或者低占空比脉冲信号的频率和重复性有很大的帮助。和业界其它类似功能相比，DPO的快帧功能拥有最快的连续触发速率和最准确的定时精度；

第二个是DPX快采数据的自动测量功能。之前有人认为DPX快采的数据不能进行测试。事实上，DPX采集生成的波形数据库不仅可以测量，而且由于其本来就有统计效果，所以该三维数据库的信息用作重复信号或者有重复特性的信号的测量时，标准偏差（std. deviation）还较其它采集模式下小很多，亦即测试结果更准确。[page]

在调试中，工作效率除了体现在快速发现问题、准确定位问题和精确测量外，仪器的易用性也十分重要。现代示波器的功能越来越丰富，性能也日益强大，其操作也变得越来越复杂。为了让调试人员专注于设计本身而不是测试仪器，DPO专门设计了用户自定义操作界面的MyScope（我的示波器）和Windows风格的鼠标右键弹出菜单功能。MyScope使示波器操作人员可以根据自己的使用风格和操作习惯，自由地将操作按钮组合成自己需要的操作界面。这样，MyScope操作面板可只包含用户需要的按钮，而其它不用的功能可以被完全忽略掉——于是用户将不再在众多复杂的菜单列表里寻找自己需要的功能——只要简单地打开“我的示波器”操作界面即可。更加简便的是，MyScope的自定义过程是完全的图形界面操作，您无须编写script，使用鼠标拖拽即可。

鼠标右键的弹出菜单，是用户操作时，可以在显示界面的特定位置（如测量结果、采集状态、通道标号、触发方式等等）上点击鼠标右键，即有与该位置所指示的参数相关的设置菜单弹出。熟悉 Windows风格的用户可以使用这一功能，几乎只用一只鼠标就可以完成所有的示波器操作，效率倍增。

从以上几点我们可以看到：采用 DPX技术的DPO平台示波器和传统示波器相比，快速采集能够最快最可靠地发现问题；Pinpoint硬件实时触发系统能够更精确地定位问题；FastFrame快采、自动测量、数学运算、FIR滤波器等功能可以从各种角度分析问题；同时，MyScope、鼠标右键弹出菜单等可以提高操作效率，降低工作复杂程度。这些都让DPO数字荧光示波器成为当今业界功能最强大、效率最高、分析能力最强的调试工具。

下一章中，我们将介绍使用DPO数字荧光示波器进行信号的验证。

第三章 使用实时数字荧光示波器进行验证——捕获和分析

验证（Verification），就是测试设计是否和它对应的各种标准（行业标准或者自定义标准）相符，以及有多少冗余量。验证和调试，是示波器的主要用途。

在使用示波器进行调试时，我们关心的主要指标是：

波形捕获率——决定仪器能够多快发现故障

触发系统——决定仪器能够多精确地定位故障

分析能力——决定仪器能够从波形里提取出多少有用信息。

而在使用示波器进行验证时，我们更关心的指标是：信号保真度——决定采集的样点是否能够真实反映信号特性；采样率和内存深度——决定单次捕获可以以多快的速度以及抓取多少样点供验证测试；分析工具——决定深入分析的程度和准确性。

信号保真度是一个比较复杂的问题，涵盖了示波器的带宽、采样率、内插、抖动噪底、本底噪声、时间测量精度、探头系统等多个方面。业界对此的讨论很多，也有很多相关文章，所以本文不再做详细分析，只强调示波器的频率响应对验证的影响。

频率响应，在示波器指标上反映为带宽和上升时间。带宽表征的是示波器的稳态响应能力，而上升时间是瞬态相应。经验上，带宽和上升时间（10～90％）的乘积是一个常数，这个常数和示波器的放大器模型有关。如高斯响应的放大器模型，这个常数是0.35；而高性能的示波器放大器模型比较复杂，该常数一会在 0.4~0.55之间。当然，从用户的角度看，这个常数应该越小越好：常数越小，则表示相同的带宽（稳态响应）下，该示波器的上升时间更快，也就是说瞬态响应更好；而上升时间一样的情况下，乘积小的示波器需要的带宽会相对低一些——而对示波器，带宽和价格是正比的，也就是说乘积小的示波器性价比更高。

我们验证测试对象一般都是脉冲（非正弦）信号，如通信信号、串行总线信号、高速脉冲信号、调制信号等等，所以示波器的瞬态响应相比起来更加重要。泰克DPO示波器在相同带宽下，能提供最快的上升时间，对于瞬态信号的测试非常有帮助。

另外一方面，高带宽示波器的不同设计结构，也会影响到验证测试的正确性、精度和速度：

近几年示波器带宽不断高速提升，如何在提升带宽的同时，保证带内幅度响应的平坦和相位响应的线性，成了一个重要的问题。有经验的工程师都知道，要完全从硬件入手，是不可能得到理想的平坦幅度响应和线性相位响应的。所以在高性能示波器的放大器技术中，各大示波器生产商都在使用软件提升带宽和优化响应的DSP技术。DSP技术的使用，确实能得到比较理想的幅度和相位响应，但是它并不是有利无害的。下图是示波器对阶跃信号的响应，蓝色为完全的模拟响应，而红色是 DSP处理后的响应。

DSP 提升、修正幅度和相位响应后，示波器可以更加精确地测量上升时间、眼图冗余等指标，有利于对数字通信信号、计算机总线信号等的验证测试。但是从红色的波形可以看到：虚线框部分，我们叫做“预过冲”，是一种不存在于现实信号中“假波形”，是由DSP处理产生出来的失真——对于阶跃信号来说，没有理由当上升能量还没有产生时，波形就开始振荡。所以当使用示波器测量高速脉冲、激光脉冲或类似信号时，DSP的处理就不再是测试人员期望的了——失真的波形错误指示了各个时间点的物理行为。

当然，DSP还有其它一些问题，如过驱动的信号的错误显示、较低的数据吞吐速度、DSP之前的原始数据无法导出等。所以当用户需要观测过驱动信号（如脉冲顶端的过冲细节）、需要使用示波器采集的原始数据做自定义分析（如激光脉冲测量）或者需要较高的处理速度时，都要求示波器不使用DSP功能。

泰克在所有2.5GHz带宽以上的DPO中都使用了DSP的频响修正和通道匹配功能，DPO72004还有DSP的带宽提升功能。但是泰克公司也深知DSP功能的利弊，所以在其它公司“悄悄”使用DSP功能时，泰克唯一让用户有了“知情权”和“控制权”，即用户可以知道示波器是否正在使用DSP功能，同时还可以根据需要打开或者关闭DSP提升功能。这样，如进行需要示波器原始采集数据的脉冲测试，用户可以选择关闭DSP功能；而进行串行信号一致性测试时，泰克建议可以打开DSP功能。[page]

图6: 几种“带宽”的定义图示

除了应用上需要注意以上这些事项以外，DSP功能还有一些要求。从上图我们可以看到，DSP要求必须满足奈奎斯特采样率实时采样。有一些厂家的示波器当采样率不满足奈奎斯特带宽时，会有难以预料的波形幅度失真，大多来自于这个原因。

同时，高性能示波器一般都是4通道。但是要在四个通道上同时实现标定带宽，还需要采样率的支持。业界一般公认2.5倍于带宽的采样率是保证带宽的最低要求。这样，如果使用8GHz以上的示波器做信号验证（一般都是单次采集），泰克的DPO可以同时在4条通道同时提供全带宽性能（每通道50G的采样率可以有效保证最高20GHz的带宽），而采用共享放大器和ADC结构的示波器最多只能在两条通道上达到全带宽指标，有的甚至仅仅能保证一条通道的性能。

存储深度方面，很多验证测试需要足够的数据。如目前在高速串行信号的抖动和眼图测试过程中都要求一次捕获大量的数据，以进行精确的抖动测量和预估，同时保证低误码率。以避免捕获少量数据进行分析的结果的偶然性和不确定性。类如HDMI测试规范（CTS1.2 a Page 15）要求捕获1百万个比特数据进行眼图分析，则需要示波器两通道在10Gs/S的采样率下使用16M的存储深度。FBD Sigtest（Release notes Page6）推荐捕获1百万个比特数据进行眼图分析.PCIE 2.0的规范（Page239）规定强制要求捕获1Mlillion数据进行眼图抖动分析。则需要示波器单通道在40Gs/S的采样率下使用8M的存储深度。

另一个例子：为了减少EMI的串扰和辐射，在大多数高速串行信号中均使用了加入了扩频时钟（spread spectrum clock）,它可以使串行信号的速率在一个适当的范围内进行漂移，从而使其频谱在一个较宽的范围内扩散，尖峰值显著降低，可以有效减少EMI问题。例如 FBD规范（Page15）明确规定需要支持频率很低的30-33K的频率的扩频时钟，其他如PCIE,SATAI,SATAII同样要支持此功能。为了验证Motherboard上的诸如此类的串行信号是否支持扩频时钟，而且确认其调制频率是否在30-33K之间。就必须一次捕获足够长时间的信号进行频率抖动分析。一次抓取的采样点数可以用下面的公式计算：每个扩频周期约位1/33k=30uS，由于是捕获高速串行信号，采样率至少为40Gs/S,即采样间隔为25pS，则捕获单个周期的总采样点数为30uS/25ps=1.2M,为了实现准确的扩频时钟的测量，一般建议捕获10个以上的扩频时钟周期, 所以总的采样点数为1.2M*10=12M.需要强调的是，此12M的存储深度必须使用在40Gs/s或更高的采样率下才有意义。

有些示波器设计时采用将高速采集前端（多达80颗ADC）和高速内存在物理上用一颗SOC芯片实现，由于有太多功能在一个芯片内部实现，导致片内高速内存容量的限制（在40GS/s下不大于2M），而且无法对内存扩展升级。为了弥补这种设计结构的缺陷，这类示波器会采用在芯片外部添加低速存储器弥补片内高速内存的限制，但外部存储器不能在高采样率下工作，一般只能提供2GS/s，样点间隔500ps，无法在信号边沿采集足够样点，甚至出现会出现混叠，所以它无法提供高精度时间测试结果。泰克DPO可以提供每通道200M的存储深度，且无任何使用限制，是业界最高的能力。这一能力让使用DPO进行验证测试的工程师在工作里游刃有余。[page]

在分析工具方面，工程师一般会按优先顺序考虑以下三个方面：第一是准，即分析工具能够精确地得出结果；第二是全，即分析工具能够尽可能多地完成要求的测试项；第三是快，即在保证“准”和“全”的基础上，分析工具还能迅速、自动地工作，最好能够生成标准的测试报告。

“ 准”是第一要求，工业的标准文档一般会推荐一些解决方案，这些解决方案通常是标准工作组正在使用的方案，当然这类方案可以满足“准”的要求。还有一些所谓的“执行标准”，就是在标准工作组推荐的多个方案中，主要厂商或者行业领导者选择的方案。这类方案有最多的采用者，当然使用这类方案，可以得到业界最主要厂商的认同，所遇到的兼容性问题也最小。

建立在“准”基础上的“全”也是一个重要条件。一种分析工具，如果能够提供尽可能多的测试项，最好还能用户自定义测试点，那么将会为工程师带来很大的便利。行业规范以及业界认可的设备对验证测试非常重要，不同厂家的设备虽然都对外宣称可以支持某一项标准的一致性测试，但由于硬件平台以及软件实现方式的不同，使测试项目的完整性，覆盖率以及测试结果存在很大差异。这种测试结果的差异会大大降低客户对测试报告的认可程度，对于OEM/ODM厂商这一点尤其需要重视。

“快”的要求，必须要建立在“准”和“全”的基础上——高效必须以质量为前提。

以高速计算机总线测试为例，下表列出泰克的解决放案，其中大部分方案都是标准规范所推荐的。值得注意的是，唯有泰克的DPO70000系列实时数字荧光示波器可以涵盖所有的标准一致性测试要求的带宽：

另外，在通信规范的验证上，泰克的Pinpoint触发系统提供通信相关触发，它使用硬件时钟恢复电路恢复高速串行数据的嵌入式时钟，从而可以进行等效眼图测试。泰克示波器也是业界唯一可以实现标准等效眼图测试的实时示波器。

本文结论

本文回顾了示波器的发展历程，通过对当前示波器硬件设计的结构探讨了不同示波器在进行高速测试时的差异性，数字存储示波器，数字荧光示波器，以及针对不同测试需求必须考虑的因素等等。详细讨论了示波器的两大应用调试和验证。