PicoScope 9404 SXRTO: 第三种示波器

在本文中，英国比克科技（Pico Technology）的Mark Ashcroft讨论了该公司新型示波器产品PicoScope 9404背后的技术。它在实时示波器和采样示波器之外，又开创了第三种全新类型——采样器扩展实时示波器(SXRTO)。 

PicoScope 9404具有4个5 GHz、12位ADC的通道，每个通道均支持高达500 MS/s的实时采样和高达1 TS/s（1 ps时间分辨率）的等效时间采样。 9404能够提供高性能高宽带示波器典型的垂直和时间分辨率，但价格更加有竞争力。 要了解如何实现这一目标，我们需要回到数字存储示波器的基础知识。

DSO 基础

在数字存储示波器（DSO）中，所有波形都作为模拟信号进行采样（数字化）。 通过捕获输入波形的一部分来实现采样，该输入波形被转换为该信号的数字表示，然后将其存储在存储器中。 ADC的位数决定了电压或垂直分辨率，输入波形的采样数决定了时间或水平分辨率，这两者都有助于提高整体精度。 如果获取的样本太少，则波形的数字重建将不是原始模拟信号的精确表示。 当波形显示为图像时，它将是不正确的（见下文）。

欠采样率时的波形采集

采样率足够时的波形采集

波形存储在数字存储器中，可通过高速信号处理软件进行分析。 PicoScope 9404 SXRTO提供45种数学波形的高级分析，在实时和等效时间模式均可使用。

DSO 实时采样

通过实时采样，示波器可在一次采集中对整个波形进行采样。 因此，该采样模式非常适合捕获单次瞬态事件和非重复波形。

实时采样

如果采样率不够高，则信号的高频分量将被错误地表示为称为混叠的难以区分的伪像。 奈奎斯特的采样定理表明采样率应至少是信号最高频率分量的两倍。 这意味着对于实时采样率为500 MS/s的示波器，可以精确捕获的最高频率分量为250 MHz。 换句话说，5 GHz带宽示波器需要10GS/s的最小实时采样率来表示没有混叠的最高频率成分。

如我们已经看到的，输入波形的采样数量越大，采集信号的时间或水平分辨率越好，允许精确表示模拟信号的高频分量。 因此，在此带宽下，示波器制造商通常提供的采样率是最小可用实时采样率的1倍至2倍。 在5 GHz带宽范围的情况下，这将是10到20 GS/s。 同样，采样分辨率越高，电压或垂直分辨率就越准确。

值得注意的是，即使示波器的采样率不足以准确地表示没有混叠的高频载波，也可以准确地表示信号的低频分量（例如幅度调制）。

正是这种高采样率和每个采样中的位数推动所需的数字带宽远远高于模拟前端带宽，给示波器设计人员带来了巨大的成本限制。 由于这些原因，如果要将性能与经济性相结合，制作具有高带宽、高采样率和高分辨率的实时数字示波器是一项极其困难的挑战。这就是开发等效时间采样方法的原因。

DSO 等效时间采样

等效时间采样利用了大多数高带宽信号波形是重复信号的事实。 这意味着可以在波形的多次采集中进行采样，并且在每次采集期间采集一个或多个样本点。 因此，示波器可以采集包含频率分量比示波器的实时采样率高出许多倍的波形。 此外，较低的采样率意味着等效时间采样通常能够提供比在这些频率下使用的极快实时采样更高的垂直分辨率。 对于PicoScope 9404 SXRTO，垂直分辨率为12位，而不是更常见的8位。

等效时间采样的最常见形式是随机等效时间采样，其中数字转换器使用内部时钟，该内部时钟相对于触发和输入波形异步运行。无论触发位置如何，都会连续进行采样。 然后，通过对触发位置和其中一个样本之间的时间的单独且高精度的测量，相对于触发位置显示它们。 虽然这些样本是连续的，但它们是相对于触发位置随机产生的，因此是技术的一个名称。

随机等效时间采样

由于样本是相对于触发位置随机获取的，因此可以在触发位置之前和之后显示采样波形，这允许设计工程师查看导致触发条件的波形。 捕获和查看预触发信息的能力是故障分析的重要辅助手段，允许设计工程师查看故障状况的原因。

利用等效时间采样获取的数据可以被重建并以与实时DSO显示器类似的方式显示为原始波形或者作为“眼图”显示。 眼图的名称来源于特征显示，类似于眼睛的形状。 该显示用于显示有关输入信号的信息，例如噪声，抖动，失真，信号电平以及通信信号中的码间干扰。 张开的眼图对应于最小信号失真，闭合的眼图对应于由于抖动，噪声和可能导致数据或通信的不可靠或失败恢复的其它效应导致的信号失真。

为了生成眼图，我们使用与数据时钟同步的时钟作为触发器。 这可能是用于生成数据的时钟，或者是由时钟恢复电路从数据中恢复的时钟。

眼图

通过等效时间采样，随着采集窗口的增加，示波器每次触发产生更多采样数量，直到数字转换器成为实时数字转换器并从单个触发器获取整个波形。 相反，随着采集窗口的减少，示波器每次触发得到的采样数量减少，显示完整的波形需要更长的时间。

一些读者，特别是Pico 9300系列仪器的现有客户，将熟悉所谓的采样示波器。 这已经并将继续是捕获超高带宽信号的重要且极具成本效益的工具。 但是，该示波器架构使用顺序等效时间采样机制，通常需要提供单独的触发信号。 信号的采样仅在触发事件之后开始，并且在其之前捕获触发或波形变得困难，不切实际或者可能成为额外的抖动源。

高性能实时采样DSO也可以提供等效时间采样，但高采样率仍然导致了极其昂贵的架构，尤其是在使用高分辨率12位数字转换器时。

下图显示了典型DSO和相同带宽的PicoScope SXRTO之间的架构差异。

典型的 DSO 架构

PicoScope 9404 SXRTO 架构

许多高带宽信号本质上是重复的，PicoScope 9404可实现高达5 GHz带宽、12位垂直/电压分辨率，1 ps水平/时间分辨率和5 GHz内部触发（RMS触发抖动小于2 ps），能够对这些高带宽重复信号实现极高精度测量，所有这些都具有快速显示时间和实惠的价格。

SXRTO确实是一种新型示波器，能够以高垂直和水平分辨率捕获和查看极高带宽信号，而无需典型高性能DSO的成本或采样示波器的测量折衷。

关于比克科技（Pico Technology）

成立于1991年的比克科技（Pico Technology）是基于电脑的测试设备和数据采集领域的全球领先企业。25年来比克科技专注于高性能PC数字示波器和PC数据记录仪的设计、研发和生产。目前PicoScope的PC示波器带宽已高达25GHz，ADC分辨率高达16位，拥有混合信号和可调分辨率型号；TC-08和PT-104温度数据记录仪以及获得多项奖项的汽车示波器套件。比克科技非常自豪于能够研发出创新的、高质量的以及购买得起的传统台式测试测量设备的替代品，并按照ISO9001:2008质量系统进行设计和制造。我们支持全世界超过60多个国家的分销商网络来帮助我们创造和维持我们在行业内的名望。