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高阶示波器超越高速测试新极限
高速数字讯号测试挑战迎刃而解

【作者: 王岫晨】2015年05月19日 星期二

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目前示波器在全球拥有超过12亿美元的市场规模,商机十分庞大。 示波器一般说来,又分为高阶、中阶与低阶示波器,不同市场拥有不同的使用族群与应用区隔。


跟着整个电子产业的发展,越来越多手机与平板笔电等,都有越来越多的高速数字讯号,这些数字讯号过去不太需要验证,但在高速数字传输的时候,验证的过程就变得不可少,也因此,市场上许多示波器相关的仪器厂商,也不断推陈出新,以新一代的示波器来满足客户的测试与验证需求。


事实上,目前电子产品充斥在生活中,每天都有数百万人使用手机、电视或计算机。 随着科技的进步,这些装置的操作速度也变得更快。 如今大多数的装置都采用高速数字技术。



图一
图一

在这样的情况下,工程师需要可以准确设计与测试高速数字装置组件的能力。 他们用来设计与测试组件的仪器,必须特别适合处理高速与高频的特性才行,而示波器正好就是这样的一种仪器。


示波器是一种功能强大的工具,在电子装置的设计与测试上很有用,可以显示某个变量为另一个变量的函数之关系。 通常在决定系统组件正常与否方面,示波器都扮演极为重要的角色,而且还能协助工程师确定新设计的组件是否能一如预期地运作。 和万用电表相比,示波器的功能更为强大,透过示波器将能观察电子讯号的实际样貌。


在应用领域上,示波器的使用范围非常广泛,从汽车工业到大学的研究实验室,甚至航天与国防产业等。 许多厂商必须依赖示波器来发现产品的瑕疵,以便修正错误,开发出能正常运作的产品。 因而在客户生产新一代电子产品的需求上,示波器是绝对不可或缺的重要量测工具。



图二
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为了满足高速数字讯号的测试需求,更新一代的高阶示波器因应而生。

讯号完整性

示波器的主要用途,在于准确地再现电气讯号,也因此,讯号的完整性就显得十分重要。 讯号的完整性,是指透过示波器重建波形,准确再现原始讯号的能力。 如果示波器所显示的讯号完整性很低,这样的示波器是没有价值的,因为当示波器波形的形状或特性,与真正的讯号不一样时,将使得该测试过程失去意义。


不过需注意的是,不论示波器的质量有多好,都没办法完全再生真正的原始讯号。 这是因为当示波器连接到电路时,示波器就会变成电路的一部分。 换言之,也将会产生一些负载效应。 尽管这些负载效应无论如何都会一直存在,然而对于仪器制造商来说,最重要的工作,就是将这些负载效应降到最低。


示波器类型

经济型示波器的价格多半不贵,然而效能方面则比不上高效能示波器。 经济型的示波器通常较常见于大专院校的实验室里,其主要优点当然就是价格低廉。 有预算限制的学校,或者一般小型厂家,都可以用相当合理的价格,购买到相对实用的示波器。


高效能示波器顾名思义,是用于提供更佳的效能。 凡是需要高带宽、快速的取样率和更新速率、较大的内存深度、以及广泛的量测功能,都必须选用这种高阶示波器。 特别是目前的高速数字讯号,也必须要透过高阶示波器,才能够有效撷取正确的波形。


高阶示波器的主要优点,是可以让工程人员正确分析广泛的讯号,并且提供许多应用软件和工具,使现有技术的分析方式变得更简单而快速。 当然,其价格昂贵,且体积通常较为庞大,这是高阶示波器的主要缺点。


示波器探棒

透过示波器,可以用以决定讯号显示及分析的准确程度。 但讯号的完整性与否,则必须透过连接示波器与待测装置(DUT)的探棒来加以决定。 一般来说,探棒必须要能与示波器的性能完整匹配,例如如果使用1GHz的示波器,却只采用500MHz带宽的探棒,那么示波器的带宽将无法被完整利用,这也说明了探棒的重要性。


探棒尽管重要性不言可喻,然而没有一根探棒能够完美复制讯号,因为当探棒连接到电路时,探棒就会变成该电路的一部分。 电路中有部分的电能流经探棒的现象称为负载,负载共有三种,包括电阻性、电容性与电感性等。


一般来说,探棒又分为被动式与主动式。 被动式探棒只包含被动组件,不需要使用电源供应器就可运作。 被动式探棒价格较为便宜,其特性为容易操作且坚固耐用。 被动式探棒的种类包括低阻抗电阻分压器探棒、补偿式探棒、高电阻分压器探棒、及高电压探棒等。


被动式探棒通常会产生高电容性负载和低电阻性负载。 这类探棒在探测带宽小于600MHz的信号时会很有用,而一旦超过这个频率,就需改用不同的探棒,如主动式探棒。


至于主动式探棒,则必须透过电源供应器来供电。 电源供应器可透过USB供应,或者透过示波器主机本身来供电。 主动式探棒是利用主动组件来放大或调节讯号,由于可以支持很大的信号带宽,因此很适合高效能的应用。 尽管主动式探棒的价格比被动式探棒高出许多,但这类探棒可以提供更好的电阻性和电容性负载组合,并测试更高频率的讯号。 缺点则是耐用性差,探针头也比较重。


结语

在高阶的示波器市场,包括是德科技、罗德史瓦兹、以及太克科技等厂商,都有一系列针对高阶应用市场所推出的测试仪器产品,并有相对应的探棒产品。 有了这些示波器的问世,未来针对高速数字讯号的测试挑战,所有问题将能迎刃而解。


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