示波器终极指南

了解购买示波器前应当注意的事项

如果您选择的示波器不具备合适的技术指标，那么在测试设计时会错过某些重要细节，致使您付出高昂的代价，例如重新设计、开发进度延误，甚至是产品出现故障。在选择示波器时了解自己想要什么样的性能，可以确保您进行高精度的测试，并得到值得信赖的测量结果。

关键技术指标：带宽

在使用示波器时，您希望它能准确捕获信号的真正上升沿。这一功能主要由带宽实现。只有拥有足够的带宽，才能准确捕获信号。如果带宽不足，您会错过关键的信号细节，结果做出错误的设计假设。

图 1. Keysight InfiniiVision 示波器拥有从 50 MHz 至 6 GHz 的带宽范围。

工程师们通常认为测量 100 MHz 信号只需要 100 MHz 带宽，但事实并非如此。关于带宽，我们的建议是：

• 选择的示波器带宽要比器件中的最快频率或时钟速率高 5 倍

大多数带宽为 1 GHz 及以下的示波器都有高斯频率响应，如图 2 所示。这是一种低通频率响应，在较高频率下会发生衰减。

图 2. 高斯频率响应，其中 fBW 为示波器带宽，即 -3 dB 点。

图 2 中的 fBW 点为仪器带宽，也称为 -3 dB 点。-3 dB 点指的是信号开始衰减 -3 dB 的频率点，换言之，此时您可以在测量结果中看到 -30% 的幅度误差。

例如，您将一个 1 Vpp、20 MHz 信号输入到 100 MHz 示波器中。您在示波器屏幕上看到的峰峰值测量结果应当为 1 Vpp。然而，如果您将该信号的频率提高到 100 MHz，并使用同一台 100 MHz 示波器来测量，那么现在看到的 1 Vpp 信号的测量结果为 0.7 Vpp。这是因为您达到了示波器的最大带宽，该带宽将信号衰减了 -30%，并使得所有测量值产生偏斜。

知道这一点后，您就很清楚为什么无法在接近示波器带宽的频率下进行精确测量。因此，请确保您有足够的带宽来查看真实信号。

带宽不足不仅会影响您对完美正弦波进行峰峰值测量，在测量更复杂的信号（例如查看方波的真正上升沿）时，测量精度也会受到限制。这与谐波有关。最简单的呈现方法是将信号的谐波分解出来。

在图 3 中，黄色迹线显示了原始的真实信号，这个信号用作参考信号。如果仔细查看每一个谐波，您会看到一次谐波（绿色迹线）的周期和占空比跟原始信号相同，但其上升沿较慢，拐角更圆滑。而在捕获一、三和五次谐波（红色迹线）时，您可以看到波形的拐角更锐利，显露出更多的信号细节。

图 3. 示例显示了包含一定程度谐波的信号在示波器屏幕上是什么样子的。

在图 4 的测量示例中，您可以看到，使用足够的带宽进行测量，结果会出现巨大差异。以同一个 100 MHz 时钟信号为例，左边使用 100 MHz 带宽示波器进行测量，右边使用 500MHz 带宽示波器进行测量。使用 500 MHz 示波器的话，带宽正好是信号频率的 5 倍，因此您可以准确地查看上升沿和下降沿。

图 4. 使用 100 MHz 示波器（左）和 500 MHz 示波器（右）分析 100 MHz 时钟信号的结果对比

理想情况下，您希望至少要捕获到五次谐波才能得到所需的全部信号细节。遵循 5 倍带宽的建议通常可以胜任这样的测量。然而，我们还有更准确的方法来确定所需的带宽。

我们来总结一下如何选择正确的示波器带宽：

1. 对于数字信号，使用的带宽至少是基频的 5 倍。

2. 要捕获更快的上升时间，您可能需要更高的带宽。

确保您拥有高采样率

您是否知道信号中出现了一些毛刺而您对此毫无觉察？导致这种情况的罪魁祸首是采样率。采样率太低的话，很可能让您错过重要事件。

以将模拟信号转换为数字信号的模数转换器（ADC）为例，它会收集模拟信号的“样本”或数据点。ADC 使用这些样本以数字方式在示波器屏幕上重建信号。收集这些样本的速率就称为采样率，单位为样本数/秒（Sa/s）。在精心设计的示波器（如InfiniiVision 示波器系列）中，会按照均匀的时间间隔（图 5 中的“t”）收集这些样本。

图 5. 样本点采集速率的可视化显示

当您在屏幕上看到得到的信号时，您不会看到这些样本点，而是看到一个平滑的波形。示波器在每个采集的样本之间插入迹线。但是，如果采集的样本不够，那么插值不能很好地表现信号，导致测量结果不正确。

图 6 和图 7 显示了分别以高采样率（图 6）和低采样率（图 7）测量相同外观信号得到的结果。

图 6. 以 20 GSa/s 捕获的射频猝发脉冲

图 7. 以 40 MSa/s 捕获的同一射频猝发脉冲

采样率过低不仅会导致失真，还会使您错过没有采样到的关键信号细节，如毛刺和误差。在图 8 中，我们可以看到采样率过低（或“欠采样”）错过了多少信号细节。

图 8. 因欠采样而错过的毛刺图示

相反，图 9 则显示了高采样率如何使您捕获到这些毛刺。如果您没有在测试中发现这些误差，那么客户在使用您的器件时有可能会发生故障。

图 9. 在适当的高采样率下准确捕获毛刺的结果

您还可以通过可选模式来处理样本，以显示信号的各方面信息。这些模式被称为采集模式。常见的采集模式有四种，包括：正常模式、平均模式、高分辨率模式和分段模式。

每种模式都有特定的用例来分析信号的某些部分。采样率越高，迹线的分辨率就越高。这让您可以进行更准确的测量并查看信号中可能存在的各种误差。我们建议采用是示波器规定的实时带宽 4 到 5 倍的采样率。

通道数

在很多情况下需要同时对多个信号进行分析，以验证不同事件是否正常发生。例如，确保通道 1 上的串行总线比特在正确的时间点翻转，这个时间点与输入到通道 2 的时钟有关。其他的设计可能需要更多通道来检查时间相关信号。

带宽、MSO 通道（数字通道）、综合仪器选件、分析应用软件等可在购买示波器后随时通过软件进行升级和启用。示波器上的通道数却不是这样。根据您打算分析的信号，您可能需要两个或四个通道。因此，在购买示波器前务必要确定您需要多少个通道。

您还要考虑自己的设计未来将如何发展以及您的测试需求会有何变化。在购买示波器时，您希望它在很多年里都能满足您的测试需求，因此在购买之前应考虑需要多少通道。

图 10. 新款 1000 X 系列型号具有四个通道，让您可以一次分析更多个通道。

在很多示波器上，您还可以选择添加最多 16 个额外的数字通道。这样就将您的数字存储示波器（DSO）变成了混合信号示波器（MSO），让您可以同时分析模拟信号和数字信号。

在很多情况下，我们需要一次查看多个串行总线或协议总线，以确保没有时序误差，有了这个选件，们就能轻而易举地完成任务。这些额外的数字通道的好处在于它们可以随时启用。这意味着，如果暂时没有需求或者不能承受其价格的话，您不必马上购买它们，当未来需求发生变化时，您可以随时激活它们。

这点经验总地来说很简单，但在购买前必须考虑您的测试需要两个还是四个模拟通道。另外，如果您拥有的示波器支持数字通道，那么您可以随时启用这些通道。

快速波形捕获率是关键

与采样率一样，示波器的波形捕获率越高，您看到的信号细节就越多。如果示波器的波形捕获率不够高，您就无法看到信号中出现的异常情况。这就好比是掷骰子。掷出骰子的次数越多，获得特定数字组合的概率就越高。同样，示波器更新的次数越多，您就越有可能捕获到罕见的事件。

所有示波器在每次捕获和显示采集结果之间都存在一定的“静寂时间”或“盲区时间”。

在这段时间内，可能会出现罕见的信号异常，如毛刺等。波形捕获率越慢，静寂时间就越长，而您错过的信号细节也就越多。反之，波形捕获率越高，静寂时间就越短，您看到的真实信号细节也就越多。

举个例子，每秒几千个波形的更新速率可能看起来很快，但如果您的信号中有一个发生概率只有百万分之一的毛刺会怎样？更新速率太慢的话，您可能永远都看不到这个毛刺（图 11）。如图 12 所示，具有高波形捕获率（如 1,000,000 个波形/秒）对于提高捕获罕见误差的概率至关重要。

图 11. 如果波形捕获率太慢的话，您会错过罕见的信号事件

图 12. 使用高采样率的话，您捕获信号异常的概率会大大增加

快速的波形捕获率可以确保您看到发生概率只有百万分之一的事件。使用 3000T X 示波器系列和 4000 X 系列示波器实现极快的波形捕获率。

LAN 连通性的作用

通过 LAN 连接示波器将为您开启全新的测试视野，节省更多投资。无论您在哪里工作 —是教学实验室、设计室还是生产车间 — LAN 连接都能让您的流程变得更加高效。

这个网络连接使您可以随时随地工作，不受时间和地点的限制。通过 LAN 连接网络，打开互联网浏览器即可实现远程控制，因此多个工程师可以使用同一台仪器工作。这样，学生和同事可以在任何地方共享使用设备开展项目工作，最终节省预算。美国工程师 和中国工程师可以使用同一台仪器进行工作，而不需要配备另一台示波器，这样您就可以将资金更多地投入到设计上。

图 13. 新款 1000 X 系列型号上的 LAN 连接可实现远程监测和控制。

您可以通过 LAN 向仪器发送远程命令，还可以使用仿真的仪器屏幕和硬键控件在 PC 上完全操控仪器（图 14）。由于它的用户界面跟实际仪器的完全相同，所以仪器的控制变得更加容易。

图 14. 通过网络浏览器远程控制仪器时，您可以选择通过仿真屏幕或是通过前面板按钮来控制仪器。

LAN 连接不仅让仪器的控制变得更方便，而且还支持在大型实验室环境中进行仪器监测。在有很多学生使用各种仪器进行研究的教学实验室中，这一点尤其有帮助。

连接到网络还有另一个突出的优势，就是测试自动化。自动化测试在研发和制造环境中都很常见。所有 Keysight InfiniiVision 示波器都可以使用 SCPI 命令进行编程，但TestFlow 软件提出了一种更简单的测试自动化解决方案。编程就像是在屏幕上拖动方框一样简单。

TestFlow 软件是 BenchVue 的一部分，它也是一个非常强大的离线分析和文档工具。了解免费试用！

不要低估易用性

您肯定不希望在仪器上寻找分析工具成为测试中最具挑战性的环节。但是，市面上的许多示波器都有这个问题。确保示波器拥有直观的用户界面，以免您浪费时间搜索菜单。查找各种示波器工具应当非常简单，因为您要把时间花在测量上，而不是花在设置上。

在整个示波器系列中提供直观、便于使用且一致的用户界面意味着您可以传递测量知识，更加高效地进行测试。

Keysight InfiniiVision 示波器的两个关键的基本功能是内置帮助窗口和训练信号。这两个功能让您可以轻松了解示波器的功能，从而了解如何加快测试速度。

每台 InfiniiVision 示波器都可以通过编程引入各种训练信号。将探头与演示引脚连接，您可以在屏幕上显示这些训练信号，并且对这个信号进行各种示波器测量、触发和分析。

这样可以帮助您学习如何使用各种仪器功能，完成从基础应用到高级应用中的测量任务。

图 15. 连接演示引脚以便使用各种内置训练信号

按下示波器前面板上的任意按钮或软件键/ 菜单按钮， 屏幕上会出现内置帮助窗口（图 16）。按住按钮几秒钟，屏幕上会出现一个窗口，其中包含重要的信息来说明该选项的用途以及用法。有些帮助屏幕还包括一些技巧，告诉您如何使用各种示波器输入正确设置仪器。

图 16. 按下任意按钮大约两秒钟，屏幕上就会弹出内置帮助窗口。

易用性是一种主观体验，通常不会在产品资料中提及，您可以索取演示仪器进行试用或查找探讨易用性的在线视频。

总结

取决于带宽和通道数，购买示波器可能会花费大量资金。请核对本指南中列出的技术指标，确保当您的设计发展进步时，仪器可以满足您的全部需求。为了有效地进行测试，请记住以下要点：

• 通道数 - 在购买之前，您必须确定需要的究竟是 2 个还是 4 个模拟通道？

• 带宽 - 选择达到您的最快频率或时钟速率 5 倍的带宽

- 请记住，还有一些其他方法可以更准确地判断需要多少带宽

• 采样率 - 采样率越高，您可以看到的信号细节就越多

• 波形捕获率 - 您的仪器必须以非常快的速率更新波形，以捕获罕见的毛刺和异常

• LAN 连通性 - 为实现随时随地共享仪器进行工作创造了条件

• 易用性 - 一致的用户界面、内置帮助系统和训练信号让您能够更高效地开始测试