示波器的用途并不僅限于電子領(lǐng)域。在安裝適當(dāng)?shù)膫鞲衅鲿r(shí)示波器可以測(cè)量各類現(xiàn)象。傳感器是一種針對(duì)物理激勵(lì)生成電信號(hào)的器件，如聲音、機(jī)械壓力、壓力、光或熱。麥克風(fēng)就是一種傳感器，它把聲音轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。圖1說(shuō)明了示波器可以采集的科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)例。

從物理學(xué)家到維修技師，每個(gè)人都離不開(kāi)示波器。汽車工程師使用示波器，把來(lái)自傳感器的模擬數(shù)據(jù)與來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元的串行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。醫(yī)學(xué)研究人員使用示波器測(cè)量腦電波。示波器的用途可以說(shuō)是無(wú)窮無(wú)盡的。

01

信號(hào)完整性的意義

對(duì)任何優(yōu)秀的示波器系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，準(zhǔn)確重建波形的能力都是關(guān)鍵，這種能力稱為信號(hào)完整性。示波器類似于一臺(tái)攝像機(jī)，它捕獲信號(hào)圖像，然后可以觀察和解釋信號(hào)圖像。信號(hào)完整性的核心有兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題:

在拍攝時(shí)，拍到的是不是實(shí)際發(fā)生事件的準(zhǔn)確圖像?

圖像清楚還是模糊?

每秒可以拍攝多少?gòu)堖@么準(zhǔn)確的圖片?

示波器不同的系統(tǒng)和性能功能結(jié)合在一起，影響著其提供最高信號(hào)完整性的能力。探頭也影響著測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)完整性。

信號(hào)完整性影響著許多電子設(shè)計(jì)學(xué)科。但直到幾年前，它對(duì)數(shù)字設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)還不是什么大問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員可以依賴邏輯電路，像布爾電路一樣操作。當(dāng)時(shí)，有噪聲的、不確定的信號(hào)發(fā)生在高速電路中，RF設(shè)計(jì)人員還不用擔(dān)心這些問(wèn)題。數(shù)字系統(tǒng)開(kāi)關(guān)速度慢，信號(hào)以可預(yù)測(cè)的方式穩(wěn)定。

此后，處理器的時(shí)鐘速率提高了幾個(gè)量級(jí)。三維圖像、視頻和服務(wù)器I/O等計(jì)算機(jī)應(yīng)用需要大量的帶寬。當(dāng)前大部分電信設(shè)備都基于數(shù)字方式，類似地要求大規(guī)模的帶寬。數(shù)字高清電視也不例外。當(dāng)前一代微處理器設(shè)備以高達(dá)2GS/S、3GS/s、甚至5GS/s(千兆樣點(diǎn)/秒)的速率處理數(shù)據(jù)，某些DDR3存儲(chǔ)設(shè)備則使用2 GHz以上的時(shí)鐘及上升時(shí)間為35pS的數(shù)據(jù)信號(hào)。

重要的是，速度的提高一直滲透到汽車、消費(fèi)電子、機(jī)械控制裝置及各類應(yīng)用使用的常用IC器件。

02

為什么信號(hào)完整性是一個(gè)問(wèn)題？

讓我們看一下當(dāng)前數(shù)字設(shè)計(jì)中信號(hào)劣化的部分具體成因。為什么現(xiàn)在這些問(wèn)題比過(guò)去幾年盛行得多了呢?

答案是速度。在“低速的舊時(shí)代”，保持可以接受的數(shù)字信號(hào)完整性只需注意細(xì)節(jié)就可以了，比如時(shí)鐘分配、信號(hào)路徑設(shè)計(jì)、噪聲余量、負(fù)荷影響、傳輸線效應(yīng)、總線端接解耦和配電。

必需指出的是，數(shù)字信號(hào)的邊沿速度 -上升時(shí)間承載的頻率成分可以高于其重復(fù)速率表明的頻率?；谶@一原因，某些設(shè)計(jì)人員故意尋求上升時(shí)間相對(duì)“較慢”的IC器件。

集總電路模型一直是預(yù)測(cè)電路中信號(hào)特點(diǎn)使用的大多數(shù)計(jì)算的依據(jù)。但是，在邊沿速度比信號(hào)路徑延遲快4-6倍時(shí)，簡(jiǎn)單的集總模型將不再適用。

在使用邊沿速率不到4-6納秒的信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)，不管周期速率是多少，長(zhǎng)僅6英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實(shí)上，其創(chuàng)建了新的信號(hào)路徑。這些無(wú)形連接并沒(méi)有畫在示意圖上，然而卻為信號(hào)提供了以不可預(yù)測(cè)的方式相互影響的手段。

有時(shí)候，即使是探頭/儀器組合引入的錯(cuò)誤也可能會(huì)給被測(cè)信號(hào)帶來(lái)重大影響。但是，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值應(yīng)用“平方和的均方根”公式，可以確定被測(cè)器件是否接近上升時(shí)間/下降時(shí)間故障。此外，最新的示波器工具采用專用濾波技術(shù)，反嵌測(cè)量系統(tǒng)對(duì)信號(hào)的影響，顯示邊沿時(shí)間及其它信號(hào)特點(diǎn)。