实时示波器和采样示波器的区别是什么

        在过去从事工程学工作时，我曾经接手一个研究项目——把D型光纤浸在酸液池中数小时，表征它的光传输特性。我发现有一个全新的示波器，于是选择它作为工具。连续两周我都在开发测试夹具和编写软件，由于缺乏经验，我向一位资深工程师寻求帮助。工程师提出第一个问题：“你为什么要使用采样示波器来完成这项实验?”这个问题让我感到意外。我开始思索采样示波器和实时示波器有什么区别?两者的应用范围有哪些不同，哪些是可以覆盖的?
实时示波器通常被称为DSO(数字存储示波器)或MSO(混合信号示波器)。目前在售的大部分示波器都是实时示波器。实时示波器的带宽范围从几MHz到几十GHz，价位在几百美元到几十万美元不等。采样示波器通常被称为DCA(数字通信分析仪)，带宽范围从几十GHz起，主要用于分析高速串行总线、光设备和时钟信号。随着带宽的增加，采样示波器和实时示波器开始在多个应用领域中重合。
实时示波器和采样示波器的数字化之路基本相同。输入信号经过示波器的前端信号调节电路，数字化之后保存到存储器，最后在屏幕上显示。然而，两种示波器的基本技术则大相径庭。
实时示波器
实时示波器包括触发ASIC技术，允许用户指定感兴趣的事件，例如上升电压阈值、建立和保持违规或码型触发。常规采集模式中，当示波器的触发电路观测到这个事件时，示波器将会捕获并保存在触发点附近的连续采样点，并使用已捕获数据更新显示屏。实时示波器可工作在单次捕获模式或连续捕获模式。在单次模式下，示波器根据存储器深度和采样率设置，进行单次采集并显示一组连续样本。在示波器捕获了单条轨迹之后，用户能够平移和缩放到任意感兴趣的事件。在连续运行模式下，示波器连续采集并显示每一个与触发技术指标匹配的条件。可变余辉或无限余辉可使多个已捕获信号覆盖在初始信号上。连续模式允许用户对被测器件进行实时查看。可在单次采集或连续重复采集模式中进行上升时间或脉宽测量、数学函数或FFT分析。大部分带宽低于6GHz的实时示波器包括lMΩ和50MΩ输入，可与多种探头和电缆搭配使用。
实时示波器有三个重要的技术指标定义，即：带宽、采样率和存储器深度。在选择实时示波器时，还需要考虑其它更重要的技术指标。
具有深存储器的示波器具备以下三个明显优势：
1． 深存储器能以特定采样率捕获更长时间的信号。存储器容量用于确定每次采集能够保存多少个样本，并确定捕获时间窗口。单次采集所捕获的样本越多，越有可能观察到罕见事件。
2． 深存储器可使用户在较慢时基上维持较高采样率，以实现更高的精度。例如，使用10Mpts存储器和l0GSa/s采样率，水平轴可以设置为lus/格。如果用户选择10 us/格的时基设置，示波器将会把采样率降低到之前的1/10运行，以便捕获所需的时间窗口。具有100Mpts存储器的示波器可使用户保持较快的10GSa/s采样率，同时捕获10 us时间窗口。
3． 深存储器支持更精确的统计测量和数学运算。通过观察一系列上升沿的时间间隔误差的边沿，FFT和抖动测量均能从深存储器采集中获益。
采样示波器
采样示波器专为捕获、显示与分析重复信号而设计。触发能力同样也是针对重复信号而设置。当满足第一次触发条件时，采样示波器将会捕获一组具有时间间隔的非邻近样本。示波器延迟这个触发点并开始下一组捕获，并将已捕获的点与第一组样本共同放在显示屏中。在无限余辉模式中重复这项操作，可以创建一个波形，不必进行连续采集。触发与延时是其中的技术要素，用于控制触发之间的时间分辨率，以实现高测量精度。由于每次触发仅会捕获和处理几个点，存储器深度不属于关键技术指标。采样率也不是关键技术指标。但是，首个触发条件和下一个触发条件之间的时间间隔精度，这一点才是最重要的。

本文下一页：两者的噪声和信噪比/频率响应/时钟恢复



       

采样示波器与实时示波器
如前所述，实时示波器的带宽现已超过60GHz，而采样示波器的带宽已达90GHz以上。因而对于大部分数字应用，带宽不再是选择适当示波器的便捷之道。但话虽如此，价格仍然是主要差别。全配置的采样示波器(50GHz)的价格低于15万美元，而实时示波器的价格接近40万美元。设计人员必须要确定，实时示波器的出色灵活性是否与高成本相匹配。
噪声和信噪比
采样示波器和实时示波器有很多不同之处。采样示波器具有14位ADC和极宽的动态范围，能够查看从几mV至全量程范围内的信号，无需衰减。因此，采样示波器在不同的V／格垂直轴设置中保持极低噪声。实时示波器的动态范围被限定在8位，但其有效位数约为6位。受限于信噪比，实时示波器必须利用衰减器／放大器以正确地显示几mV到几V的信号。这意味着，实时示波器的噪声要高于采样示波器。采样示波器的低噪声使其成为测量的“最佳标准”。然而，实时示波器不断改进，业已开始缩短两者在信号完整性上的差距。
频率响应
频率响应也是用户在选择实时示波器还是采样示波器时的考虑因素。一般来说，采样示波器不会使用数字信号处理(DSP)校正技术，其频率响应会缓慢下降(硬件响应)，看上去更像是高斯型。实时示波器采用DsP校正自身的频率响应。例如，Agilent DSOX93304Q在整个通带内使用乎坦频率响应，这意味着它的增益变化在整个频率范围内不会超过ldB。实时示波器的频率响应可以改变。一些示波器厂商提供多达5个具备不同特征的响应。在进行同类产品比较时，平坦响应与高斯响应可使两个测量极其不同。例如，高斯滚降会对测量造成影响并添加码间干扰。如果信号速度足够快，超出示波器的带宽，那么滚降速度较快的平坦响应会出现振铃。不论哪种情况，用户必须了解硬件对测量的影像。
时钟恢复的区别
时钟恢复是示波器测量的关键因素。它支持构建实时眼图、模板测试和抖动分离。恢复时钟是用于测量比较的参考时钟。近来，采样示波器完全依赖硬件进行时钟恢复。由此，无论是外部时钟还是采样示波器提供的内部10MHz时钟，恢复系统都容易产生误差。如今这种情形已不复存在。安捷伦采样示波器现可提供基于软件的时钟恢复系统，非常适合进行精确的时钟恢复。实时示波器往往使用软件时钟恢复，也可以用外时钟。软件时钟恢复的优势是不易产生硬件误差，无需考虑数据速率。
除了硬件时钟恢复和软件时钟恢复的区别之外，用户必须关注所使用的时钟恢复算法。采样示波器使用抖动传递函数(JTF)，实时示波器使用0JTF。与JTF相比，0JTF能够减少更多的低频抖动。因此，实时示波器中的抖动明显低于采样示波器。两种示波器使用相同的传递函数，即可重置抖动数目。采样示波器的性能在最近得到了改善，可以更轻松地进行抖动比较。

本文下一页：何时使用采样示波器或实时示波器


       

何时使用采样示波器或实时示波器
过去，采样示波器具有最大带宽和固有抖动，性能远远优于实时示波器。在过去十年里，实时示波器已经极大地缩短了两者的性能差距，向需要进行收发信机测试的用户提供灵活的选择——使用实时示波器还是采样示波器。采样示波器仍然具备较低抖动和极高动态范围，是在可控的环境内进行表征的理想工具。假设您的信号可重复或使用实时眼图进行捕获，采样示波器将会真实地描述信号。
实时示波器拥有出色的灵活性，使它更具吸引力。如果用户正在进行调试，想要触发难以查找的事件，实时示波器是一个不错的选择。实时示波器的用户可从众多一致性测试、协议触发与解码、分析应用软件中选择自己所需。实时示波器还能测量单次捕获的抖动，非常适合分析故障根源。大多数标准使用实时示波器进行发射机测试。这意味着，用户需要借助实时示波器确保设备的“一致性”。


图1采样示波器与实时示波器一样，提供眼图、直方图和抖动测量。凭借高带宽、模块性和低价位，采样示波器要比实时示波器更能适应制造环境


图2 实时示波器现可提供高达63GHz的带宽，先进抖动分析应用淡化了实时示波器和采样示波器在研发阶段的区别

结论
实时示波器对于大部分示波器应用来讲非常适用。实时示波器提供各种带宽范围，能够捕获单次事件和重复信号，已经缩短了与采样示波器在高频测量方面的差距(例如抖动和发射机表征)。如果您的应用包括要求低抖动和高动态范围的重复波形，采样示波器是一个不错的选择。采样示波器还具有较低的初始成本和模块化升级功能，非常适合电子和光生产测试应用。如果是在20GHz以上的频率工作，不确定哪一种示波器合适，建议与同时生产采样示波器和实时示波器的厂商联系。与仅生产实时示波器或采样示波器的厂商相比，他们更能帮助您选择最符合需求的示波器类型。