采樣示波器和實時示波器的比較

這是一篇Wavecrest的舊文章，最早發(fā)表于2004年，當(dāng)時10G帶寬以上的示波器還沒問世，示波器3強(qiáng)的主力基本還是6GHz。Wavecrest比較了自家的SIA-3000和Agilent86100，54855A，Tektronix6604，LeCroy6GHz（未指明型號）在測試波形的上升沿和眼圖方面的區(qū)別。采用Agilent12GHz碼型發(fā)生器產(chǎn)生2個波形，2.125Gb/s和4.25Gb/s的K28.5碼型。

2.125Gb/sK28.5碼型上升沿、下降沿均<20ps，以下分別是不同示波器的眼圖表現(xiàn)。

Figure1-Agilent20GHzSamplingscopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure2-SIA-30006GHzscopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure3-Agilent6GHzRealTimeScopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure4-Tek6GHzRealTimescopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure5-Lecroy6GHzRealTimescopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure1所示的波形近乎理想，而其他實時示波器則有顯著的過沖。因為實時示波器在上升沿或下降沿要比采樣示波器有更大的振鈴，換句話說，反射更嚴(yán)重。

Figure6-Agilent20GHzsamplingscopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure7-Wavecrest6GHzsamplingscopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure8-AgilentRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure9-TektronixRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure10-LecroyRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figures6到10顯示了5個示波器上顯示出來的眼圖，所有的實時示波器在邊沿前后都表現(xiàn)出來了過度的振鈴，這也表明了實時示波器的階躍響應(yīng)不太好。這些實時示波器只具有50ps的分辨率，為了克服這個缺點，采用了Sin(x)/x或sinc內(nèi)插，這種內(nèi)插可以很好的再現(xiàn)正弦波，但對方波的效果卻不好。今天的串行數(shù)據(jù)越來越變得像方波，所以評估示波器性能時查看串行信號的表現(xiàn)是極其重要的。

Figure11-OverlayofeyediagramsforAgilent20GHzsamplingscope(DarkBlue),6GHzSIA-3000scope(LightBlue),Agilent6GHz(DarkYellow),Tektronix6604(LightYellow)andtheLecroy6GHzRealTimescope(Red).

Figure11顯示了所有5個示波器眼圖疊加在一起的結(jié)果。深藍(lán)色的是Agilent86100，淺藍(lán)色的是SIA-3000，深黃色是Agilent54855A，淺黃色是Tektronix6604，紅色則是LeCroy的6GHz示波器。由于帶寬的限制，實時示波器的脈沖響應(yīng)也不夠好，這會使得在高速數(shù)字信號的完整性測量中眼圖測量的誤差加大。

測試2：4.25Gb/s的K28.5碼型

4.25Gb/sK28.5碼型上升沿、下降沿均<20ps，以下分別是不同示波器的眼圖表現(xiàn)。

注：4.25Gb按照1.8xbitarate的要求，需要8GHz帶寬的實時示波器，按照3x基波頻率要求，6GHz勉強(qiáng)能測試，

但是如果要很好的考察幅度信息，則至少需要5x基波頻率，也就是11GHz,才能將頻譜分量的能量很好的包含進(jìn)來。顯然用6GHz帶寬的示波器測量4.25Gb/s的碼流不是很適合。

Figure12-Agilent20GHzsamplingscopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure13-Wavecrest’s6GHzsamplingscopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure14-Agilent6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure15-Tektronix6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure16-Lecroy6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure17-OverlayofeyediagramsforAgilent20GHzsamplingscope(DarkBlue),6GHzSIA-

3000scope(LightBlue),Agilent6GHz(DarkYellow),Tektronix6604(LightYellow)andtheLecroy6GHzRealTimescope(Red)for4.25Gb/sK28.5datastream.

信號保真度

從以上測試可見，示波器模擬帶寬是整個系統(tǒng)性能的瓶頸。3個實時示波器和Wavecrest的采樣示波器一樣具有6GHz的模擬帶寬，但是Wavecrest的采樣示波器相對來說，具有更好的振鈴抑制，非常小的過沖和預(yù)沖，可以更好的再現(xiàn)波形。Figure18顯示了限制示波器性能的因素。模擬帶寬只是其中之一，除此之外，階躍響應(yīng)（stepresponse)，分辨率，插值都是制約信號保真度的因素。實時示波器差的階躍響應(yīng)和分辨率將導(dǎo)致波形再現(xiàn)的錯誤。

頻響滾將特性也會影響信號保真度。如果儀器的的傳遞函數(shù)在-3dB點或模擬帶寬上降落的過快，將會嚴(yán)重衰減高頻信號和帶來不準(zhǔn)確的測量結(jié)果。同樣非線性也會嚴(yán)重的影響測量系統(tǒng)的信號保真度。Figure19展示了幾個具有相同模擬帶寬的不同示波器的傳遞函數(shù)，從中可以看出這些頻響曲線的差別很大，這將在測量中導(dǎo)致非常不同的結(jié)果。

對于高端示波器來說，帶內(nèi)的頻響越平坦越好，帶外則是越陡越好，一般講帶外滾將陡峭的曲線稱為磚墻（brickwall）響應(yīng)。磚墻響應(yīng)是低通濾波器極力追求的，但顯然就算音頻上的磚墻響應(yīng)，實現(xiàn)起來也并沒有那么容易。由于高帶寬的示波器采樣率最小是帶寬的2.5倍，所以近似磚墻的響應(yīng)則非常重要，否則很容易引起混淆。當(dāng)然示波器3強(qiáng)早就注意到了這個問題，都采用了獨家的解決方案抗混淆，大多數(shù)是采用DSP修正。

Fresponsevs.Frequency

Figure19-Oscilloscopetransferfunctionshowssystemfrequencyresponse.

結(jié)論

由于實時示波器的缺陷，在測量中會產(chǎn)生一些誤差，比如上升沿，下降沿，幅度，眼圖，抖動等等，可能會產(chǎn)生誤判。模擬帶寬并不是決定系統(tǒng)性能的唯一因素，其他的比如階躍響應(yīng)，分辨率，插值方式在決定儀器的性能方面同樣重要。

采樣示波器和實時示波器的區(qū)別

實時示波器采樣示波器

可以顯示單次瞬時事件更低的采樣率支持更分辨率的ADC轉(zhuǎn)換

無需顯示觸發(fā)更寬的帶寬

無需重復(fù)的波形更低的本底噪聲

直接測量周期到周期抖動更低的固有抖動

長記錄長度/深存儲器可更換的前端光學(xué)模塊

適用于故障診斷情況可以用于TDR以便進(jìn)行阻抗和S參數(shù)測量

更低的擁有成本

由于這篇文章是2004年的舊文，所以不能體現(xiàn)出這幾年實時示波器的蓬勃發(fā)展。高速串行應(yīng)用在這幾年的迅速普及，直接促進(jìn)了高帶寬示波器的快速發(fā)展，DSP，SiGe，InP技術(shù)的引入使得高帶寬示波器具有更好的頻響曲線，更高的采樣率，更好的階躍響應(yīng)，更低的底噪，更小的本底抖動，文中提到的實時示波器的一些問題已經(jīng)被大大改善或者消失。

如果Wavecrest能再來一次比拼就好啦，這可以讓大家更好的了解當(dāng)下實時示波器和采樣示波器的區(qū)別，以及實時示波器的技術(shù)進(jìn)步?？上У氖荳avecrest已經(jīng)被gigamaxtech收購。在這個寒冬里，抱團(tuán)取暖或傍上豪門成了小企業(yè)的不二之選。