以前，選擇等效時間采樣示波器還是實時示波器，取決于對帶寬的需求。但是現(xiàn)在有了高性能儀器，這種區(qū)別已經(jīng)不再那么明顯。本應(yīng)用指南將介紹這兩種類型的示波器如何對輸入波形進行采樣，以及它們各自的觸發(fā)要求。在文章的后面，我們詳細總結(jié)了每種示波器的優(yōu)勢。

一、實時示波器

（1）實時示波器就像 ADC 一樣

        實時示波器有時也稱為“單次”示波器，它在每個觸發(fā)事件發(fā)生時捕獲一個完整波形。也就是說，它在一個連續(xù)記錄中捕獲大量的數(shù)據(jù)點。為了更好地理解這種數(shù)據(jù)采集，我們將實時示波器假設(shè)為一個速度極快的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其中采樣率決定采樣間隔，存儲器深度決定要顯示的點數(shù)。為了捕獲任意波形，ADC 采樣率要明顯快于輸入波形的頻率。該示波器的采樣率可以達到 80 GSa/s，決定了帶寬目前可擴展到 63 GHz。

（2）觸發(fā)實時示波器

        可以根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性來觸發(fā)實時示波器，并且通常輸入波形的幅度達到一個特定閾值時，觸發(fā)就會發(fā)生。示波器此時開始以異步速率 (與輸入波形的數(shù)據(jù)速率沒有任何關(guān)聯(lián)) 將模擬波形轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)點。該轉(zhuǎn)換速率即為采樣率，通常由內(nèi)部時鐘信號決定。示波器對輸入波形的幅度進行采樣，并將這個幅度值存儲到存儲器中，然后繼續(xù)下一個采樣 (如圖 1 所示)。觸發(fā)的主要工作是為輸入數(shù)據(jù)提供一個水平時間基準點。

圖 1  使用實時示波器采集波形

二、等效時間采樣示波器

（1）每周期一個采樣

         等效時間采樣示波器有時簡稱為“采樣示波器”，它僅測量采樣瞬間波形的瞬態(tài)幅度。與實時示波器不同，等效時間采樣示波器的每次觸發(fā)只對輸入信號采樣一次。下次觸發(fā)示波器時，會增加一個小小的時延然后進行下一個采樣。預(yù)期的采樣數(shù)決定重新生成波形所需的周期數(shù)。測量帶寬由采樣器的頻率響應(yīng)決定，測量帶寬現(xiàn)在可超過 80 GHz。

（2）采集方法

         等效時間采樣示波器的觸發(fā)和隨后的采樣與實時示波器有著明顯的差別。重要的是，等效時間采樣示波器為了執(zhí)行操作需要一個顯式觸發(fā)，這個觸發(fā)需要與輸入數(shù)據(jù)同步。顯式觸發(fā)通常由用戶提供，但有時也可以使用硬件時鐘恢復(fù)模塊來獲得觸發(fā)。采樣過程為 : 一個觸發(fā)事件發(fā)起第 一次采樣，然后示波器重新準備并等待下一個觸發(fā)事件。重新準備的時間約為 25 μs。下一個觸發(fā)事件發(fā)起第二次采樣，并在對第二個數(shù)據(jù)點采樣之前添加一個準確的增量時延。該增量時延由時基設(shè)置和采樣點數(shù)確定。如圖 2 所示，此過程會一直重復(fù)，直到獲得完整的波形。

圖 2  使用等效時間采樣示波器采集波形

（3）觸發(fā)等效時間采樣示波器

        有兩種方法可以觸發(fā)等效時間采樣示波器，這兩種方法分別以不同的形式 (比特流或眼圖) 顯示數(shù)據(jù)結(jié)果。查看信號中的單個比特可以使用戶看到系統(tǒng)中的碼型相關(guān)性，但是不能以高分辨率顯示大量比特。要查看比特流，觸發(fā)在輸入碼型期間必須只發(fā)出一次脈沖，并且必須是在每個事件的比特碼型中的同一個相對位置上。然后對輸入信號進行采樣并且在下一個觸發(fā)事件上添加增量時延，并對比特流進行采樣直到采集到整個波形。要在等效時間示波器上查看比特流，必須有一個重復(fù)的波形；否則需要使用實時示波器。圖 3 為顯示比特流波形的觸發(fā)過程。

圖 3  比特流碼型波形的采樣過程

三、眼圖

（1）創(chuàng)建眼圖

        另一種查看模式是眼圖。這種模式不需要重復(fù)的波形，并且可以幫助確定許多其他測量中的噪聲、抖動、失真和信號強度。因為眼圖模式查看的是比特流中每個比特組合疊加后的圖形，因此可以得到系統(tǒng)性能的總體統(tǒng)計數(shù)據(jù)。眼圖模式要求使用一個同步時鐘信號來進行觸發(fā)。在每個觸發(fā)事件處 (允許重新準備時間)，示波器對數(shù)據(jù)進行采樣，并在整個屏幕上顯示所有可能的 1 和 0 組合的合并結(jié)果。觸發(fā)可以使用全速率時鐘和分速率時鐘，但是如果碼型長度是時鐘分割比率的偶數(shù)倍，則眼圖會丟失部分組合從而變得不完整。此外，如果使用數(shù)據(jù)作為其自身的觸發(fā)條件，則眼圖可以完整地顯示出來，但是示波器只能由數(shù)據(jù)碼型的上升沿進行觸發(fā)。為了進行準確的眼圖測量，應(yīng)該避免這種情況。圖 4 為顯示眼圖的觸發(fā)過程。

（2）實時眼圖

        注意，我們還可以使用新的實時示波器來查看眼圖。使用軟件恢復(fù)時鐘或由用戶提供的外部顯式時鐘，可以構(gòu)建這些“實時眼圖”或“單次”眼圖。實時示波器按照恢復(fù)時鐘周期的間隔分割單一的長捕獲波形，并把這些比特疊加在一起來重新創(chuàng)建眼圖。

圖 4  眼圖波形的采樣過程

四、實時示波器的優(yōu)勢

1、可以顯示單次瞬態(tài)事件

2、無需顯式觸發(fā)

3、無需重復(fù)的波形

4、直接測量周期間抖動

5、長記錄長度/深存儲器

6、適用于故障診斷

五、等效時間采樣示波器的優(yōu)勢

1、更低的采樣率支持更高分辨率ADC 轉(zhuǎn)換

2、更寬的帶寬

3、更低的本底噪聲

4、更低的固有抖動

5、可以包括前端光學(xué)模塊

6、能夠以更低的成本獲得解決方案

六、高分辨率示波器的優(yōu)勢

      不斷擴展的便攜式電子產(chǎn)品朝著低功耗、低電壓電子系統(tǒng)迅速發(fā)展，這對以數(shù)字示波器為代表的電子測試測量儀器的分辨率和底噪提出了更高的要求，而市場上以8-bit ADC采樣垂直分辨率為主的數(shù)字示波器越來越難滿足用戶的測試需求。分辨率越高，ADC的量化等級越高，意味著示波器能夠更精細地顯示信號細節(jié)并進行更加準確的測量。8-bit分辨率的量化等級為256，而12-bit分辨率的量化等級為4096，這就意味著采用12-bit ADC的示波器是傳統(tǒng)8-bit示波器信號分辨能力的16倍，可以輕松觀測到更清晰的波形，更多信號細節(jié)，并進行更精準的波形測量。

      當高速ADC進行數(shù)據(jù)采集時，由于噪聲和失真的影響，實際ADC的信噪失真比達不到其標稱位數(shù)應(yīng)達到的理想性能。一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。因為高頻噪聲會進入高帶寬示波器內(nèi)。由于ADC僅為示波器系統(tǒng)的一部分，不能獨立使用，因此整個示波器系統(tǒng)的ENOB指標會更有意義。高分辨率示波器ENOB高達8.4-bit，而12-bit示波器高達8.3～8.6-bit，時間誤差、頻率雜散都比較小，同時寬帶噪聲也比較低，能夠有效保證測量的準確度。