應(yīng)對(duì)測(cè)量挑戰(zhàn)的示波器演進(jìn)

示波器有時(shí)被稱為"電子工程師的改錐"，說明它是用于各種不同任務(wù)的基本工具。過去您可以用一把一字頭改錐擰各種螺絲。而在今天的世界中，十字頭、內(nèi)六方和花鍵改錐都很普通，一字頭改錐不再能包打天下。

示波器也與工程師的改錐所面臨的情況相同。"美好往日"的傳統(tǒng)數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)已難以，或不可能滿足今天硬件開發(fā)工程師專門化的要求。今天的工程師一般要求示波器：

要能用更多通道觀察用于控制系統(tǒng)的所有信號(hào)

用更高帶寬跟上存儲(chǔ)器和處理器技術(shù)進(jìn)步

對(duì)串行數(shù)據(jù)的捕獲需要跨整個(gè)時(shí)間范圍的持續(xù)采樣速度

用觸發(fā)隔離關(guān)鍵信息

高分辨率顯示清楚示出關(guān)鍵信號(hào)細(xì)節(jié)

可捕獲罕有事件的高速顯示系統(tǒng)

不同工作小組間共享信息的連通能力

本文集中講述前三項(xiàng)需要──更多的通道，更高的帶寬和持續(xù)采樣(要了多了解示波器顯示，請(qǐng)參看Agilent應(yīng)用指南1552示波器顯示質(zhì)量對(duì)發(fā)現(xiàn)信號(hào)異常能力的影響，出版物號(hào)5989-2003和應(yīng)用指南1551改進(jìn)您捕獲難解事件的能力：為什么示波器的波形更新率極為重要，出版物號(hào)5989-2002。)

變化的通道數(shù)要求

當(dāng)電路由分

立元件組成時(shí)，傳統(tǒng)示波器是非常有力的查錯(cuò)工具。我們?cè)趫D1中看到一個(gè)由運(yùn)算放大器和分立元件構(gòu)成的濾波器。通過比較輸入和輸出信號(hào)，傳統(tǒng)雙通道示波器能完全表征該濾波器的工作。

隨著數(shù)字技術(shù)應(yīng)用的日益普及，對(duì)測(cè)量的要求也發(fā)生著變化。在電子設(shè)備轉(zhuǎn)向數(shù)字體系結(jié)構(gòu)的同時(shí)，設(shè)備的性能在提高，而價(jià)格卻在降低。雖然仍能用簡(jiǎn)單的雙通道示波器評(píng)估圖2中的濾波器，但如果系統(tǒng)有問題，傳統(tǒng)示波器將不能提供解決問題所必須的洞察能力。

8條數(shù)據(jù)線把輸入送至數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，并需要監(jiān)視DSP的8條輸出線，以確定DSP是否在接收正確信息;而雙通道示波器沒有應(yīng)對(duì)這項(xiàng)任務(wù)的足夠通道數(shù)。在這一簡(jiǎn)單例子中，我們看到傳統(tǒng)示波器就像老式改錐一樣，已經(jīng)不敷使用了。圖3表明混合信號(hào)示波器通過顯示至DSP的8條數(shù)據(jù)線，以及輸入和輸出模擬信號(hào)，能為您提供對(duì)問題的額外洞察能力。

在這一例子中，輸入信號(hào)(最上的黃色跡線)和輸出信號(hào)(第二條紫色跡線)與驅(qū)動(dòng)DSP的8條數(shù)據(jù)線在時(shí)間上是對(duì)準(zhǔn)的。應(yīng)注意數(shù)據(jù)相對(duì)位置如何指示輸入信號(hào)的形狀。

變化的帶寬要求

PC技術(shù)的迅速發(fā)展對(duì)工程師開發(fā)非計(jì)算應(yīng)用的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生極為重要的影響。在各式各樣的數(shù)字硬件設(shè)計(jì)中，工程師當(dāng)前所采用的技術(shù)是復(fù)雜和昂貴的。這一趨勢(shì)已產(chǎn)生對(duì)"工程師改錐"新的要求，而幾年前尚無人提及這些要求。由于接納PC技術(shù)進(jìn)步，工程師需要能調(diào)試串行數(shù)據(jù)總線，因而需要增加示波器帶寬。增加帶寬的需要受到嵌入式處理器存儲(chǔ)器系統(tǒng)增加速度的驅(qū)動(dòng)。例如幾年前僅能在最高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中看到的200MHzSDRAM存儲(chǔ)器系統(tǒng)，現(xiàn)在已用到嵌入式系統(tǒng)中。

圖4是EmbeddedSystemsProgramming和 EE Times在2004年度嵌入式市場(chǎng)調(diào)查中，所報(bào)告嵌入式系統(tǒng)使用存儲(chǔ)器的情況。由圖中的數(shù)據(jù)分布可看到與系統(tǒng)中所使用主處理器的情況極為吻合。工程師設(shè)計(jì)8bit和16bit處理器基系統(tǒng)時(shí)使用511k或更低的存儲(chǔ)器。在設(shè)計(jì)32bit處理器基或FPGA基系統(tǒng)時(shí)使用32M或更高的存儲(chǔ)器。

為查找這些大存儲(chǔ)器故障，工程師需要有帶寬高于500MHz的示波器。200MHz時(shí)鐘將超出500MHz示波器的波形良好復(fù)現(xiàn)范圍。按照老的經(jīng)驗(yàn)法則，示波器帶寬只有比所測(cè)信號(hào)的基頻高4倍，才能保持波形的真實(shí)性。因此為精確測(cè)量200MHz時(shí)鐘的當(dāng)前SDRAM技術(shù)，工程師需要用800MHz帶寬的示波器。

對(duì)持續(xù)采樣速度的要求

這些更高系統(tǒng)所使用的串行數(shù)據(jù)通信技術(shù)也源于PC技術(shù)。之所以采用串行總線，是因?yàn)樗鼈円言赑C世界中得到驗(yàn)證，并導(dǎo)致價(jià)格的下降。圖5表明超過70%的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)者會(huì)考慮采用，或已經(jīng)采用某種類型的串行總線，把它作為系統(tǒng)部件間的接口。

為觀察這些串行總線設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵信息流，工程師需要看到更寬的時(shí)間跨度。此外，用戶還需要能隔離感興趣的特定事件，這就要求有在串行數(shù)據(jù)流量中特定地址和數(shù)據(jù)上的觸發(fā)能力。

傳統(tǒng)淺存儲(chǔ)器DSO可能具有捕獲這些信號(hào)的帶寬，但為觀察整個(gè)數(shù)據(jù)包調(diào)整設(shè)置時(shí)，這些示波器不能保持其采樣速度。圖6是作為掃描速度函數(shù)的TektronixTDS3054B示波器和AgilentDSO6054A示波器的采樣速度圖。

隨掃描速度增加而下降的采樣速度直接影響示波器精確顯示包含串行數(shù)據(jù)包信息的能力。必須以10us/div捕獲10Base-TLAN總線信號(hào)，由于淺存儲(chǔ)器示波器為欠采樣，因此不能提供信號(hào)內(nèi)容的詳細(xì)信息。更高速度的PCI總線要求1us/div的掃描速度，所以如上所示的TDS3052示波器不能捕獲該總線信號(hào)，即使它有更高基本采樣速度的優(yōu)點(diǎn)。

結(jié)論

與上一代工程師相比，今天的硬件開發(fā)工程師需要用更高的帶寬跟上存儲(chǔ)器和處理器技術(shù)的進(jìn)步;用更多的通道觀察用以控制系統(tǒng)的所有信號(hào);以及為捕獲串行數(shù)據(jù)而需要跨寬時(shí)間范圍的持續(xù)采樣速度。

Agilent新的6000系列示波器所提供的帶寬能對(duì)FPGA基和32bit基系統(tǒng)中的高速信號(hào)進(jìn)行精確觀察。這些示波器的MSO版提供觸發(fā)和觀察嵌入式系統(tǒng)復(fù)雜工作的附加通道。由于有高達(dá)8Mpts的存儲(chǔ)器深度，因此這些示波器能捕獲和分析這類系統(tǒng)中的串行總線。