4．采樣示波器

在信號調試領域，要觀察信號的波形，進行眼圖和抖動測量，發現電路中的毛刺、數據錯誤等，最常使用的是實時示波器。實時示波器的原理在前面章節介紹過，主要是用高速的ADC芯片對信號進行連續實時采樣，然后在數字域重建和恢復波形。這種實時采樣方法看到的信號波形非常直觀，但是需要非常高速的ADC芯片，若要實現很高的帶寬則成本非常高。另外，實時示波器為了實現高的采樣率，其ADC芯片通常是8bit的（現在已經有采用10bit或者12bit ADC芯片的示波器，但帶寬有限，未來高帶寬示波器也有采用10bit甚至更高分辨率ADC芯片的趨勢），量化噪聲較大。為了以較低成本實現高帶寬并提高測量精度，有些場合下會用到另一種示波器——采樣示波器（Sampling Oscilloscope）。

采樣示波器最早由HP公司發明，由于帶寬寬、成本低、精度高等特點，廣泛應用于高速芯片、高速光通信以及計量等領域。圖2.12是HP公司在20世紀60年代發明的第一款采樣示波器185A，在當時達到了500MHz的帶寬。

采樣示波器的發明得益于兩項新技術的應用：順序等效采樣技術以及SDR（Step-Recovery Diode）階躍恢復二極管技術。

等效采樣技術來源于核物理研究中信號的采樣方式，原理如圖2.13所示。等效采樣技術主要針對周期性或者重復性信號的測試，以一個與被測信號同步的觸發信號為基準，對被測信號進行重復。當第1個觸發邊沿到來時，采樣示波器會進行一個樣點的采樣；當第2個觸發邊沿到來時，采樣示波器會延時一點時間（Sequential Delay）再對信號采樣；類似地，當第3個觸發邊沿到來時，采樣示波器會再延時一點時間對信號采樣，這次的延時時間會比第2次的延時時間稍長一點。依次類推，每次觸發到來時，示波器都對觸發信號多延時一點進行采樣，如果觸發信號和輸入的被測信號是同步的（同步的意思是有固定的相位或者時間關系），而且被測信號是重復性的（重復性的含義是每個周期的信號都是一樣的），雖然每次采樣采到的是波形不同位置的點，但是把這些點按照順序描繪出來就可以重建信號的波形。

采樣示波器相鄰兩次采樣間的時間間隔可以很長，因此其實際采樣率很低（一般是幾十kHz到幾MHz）；但同時每次采樣時采樣點相對于觸發點的延時的調整分辨率可以很小（可以到幾十fs以下），所以波形重建時各個采樣點間的間隔可以小，相當于其等效采樣率很高（上百GHz甚至更高）。

圖2.14是實時示波器與采樣示波器在結構上的對比。采樣示波器以很低的采樣率通過多次重復采樣實現了很高的等效采樣率，因此避免了高帶寬測量對于高速ADC的苛刻要求，可以用比較低的成本實現高帶寬、高精度的信號測量。但是，采樣示波器對于被測信號有嚴格的要求，最基本要求是被測信號必須是周期性的，并且能夠提供一個穩定的與被測信號同步的觸發信號。如果沒有同步的觸發信號，采樣示波器無法進行信號采樣（這點與實時示波器不一樣，實時示波器的采樣時鐘來源于示波器內部）；而如果信號不是周期性的，采樣后不同位置的點疊加在儀器也無法得到清晰的信號波形（用于眼圖測量除外）。正是由于這些限制，采樣示波器一般不會用于毛刺捕獲、隨機信號測量、模擬信號測量等場合。但是如果被測信號滿足了上述條件，例如是重復脈沖、時鐘、數據流，使用采樣示波器就有很大的成本和精度優勢。

采樣示波器的另一個核心技術是前端的SDR采樣電路。SDR用于將輸入的采樣時鐘變成非常窄的采樣脈沖，實現對被測信號的采樣。由于采樣示波器的采樣電路前面不像實時示波器那樣有信號放大和衰減電路來制約帶寬（這樣做的優點是設備帶寬可以做得很高，但其缺點是能夠測量的信號幅度量程范圍比較有限。現代有些特別高帶寬的實時示波器中也省略了放大器、衰減器而直接對信號采樣，付出的代價是可用測量量程的壓縮），因此整個系統的帶寬主要就取決于SDR采樣電路的帶寬。圖2.15是早期和現代的采樣示波器中使用的SDR采樣電路。

采樣示波器的帶寬高、測量精度高、固有抖動低，廣泛應用于高速芯片、光電器件的測試場合。綜合比較起來，使用采樣示波器的主要優點如下：

|帶寬高：由于采樣示波器是通過多次重復采樣重建信號的，即使被測信號頻率很高，采樣示波器也可以通過很低的采樣率逐點把信號重建出來。同時由于其采樣芯片前面沒有模擬放大電路，不會限制信號帶寬，因此可以實現比較高的測量帶寬（沒有模擬放大電路的缺點是能測量的信號幅度范圍不像實時示波器那么大）。例如當20世紀初光通信進入10Gbps的時代時，實時示波器的帶寬還停留在6GHz以下，而采樣示波器的帶寬已經可以達到80GHz以上。

|成本低：采樣示波器不需要昂貴的高速的ADC芯片，即使現在隨著材料和芯片技術的革新，實時示波器的帶寬也達到了60GHz以上，但是同樣帶寬情況下采樣示波器的價格遠低于實時示波器。

|精度高：由于采樣示波器的ADC的采樣率可以很低，可以使用比較高位數的ADC芯片。目前，大部分的數字采樣示波器使用的ADC芯片的位數都為14位或者更高，遠高于實時示波器8位或10位的分辨率，所以采樣示波器因其噪聲低、波形精度高，大量應用于高速芯片測量以及計量領域。

|可以直接進行光信號測量：采樣示波器一般采用模塊化結構，有些模塊有直接的光口輸入，并內建光通信測量時要用到的標注濾波器，因此采樣示波器在光通信以及光器件的測量領域也有大量應用。實時示波器雖然也可以通過外加光電轉換器進行光信號測量，但使用廣泛程度遠低于采樣示波器。

但是由于工作原理限制，采樣示波器的使用場合不像實時示波器那么廣泛，最關鍵的原因是：

|需要同步觸發信號：采樣示波器在采樣時被測件必須提供一個與被測信號同步的時鐘或者分頻時鐘做觸發，否則就無法進行測量。在一些高速通信信號測量場合中，如果被測件實在無法提供同步時鐘，就需要配置專門的時鐘恢復模塊，從數據流中恢復出時鐘觸發采樣示波器。對于無法進行時鐘恢復同時被測件也無法提供觸發信號的場合，采樣示波器無法進行測量。圖2.16是一種可以用采樣示波器對25Gbps的光信號進行測試時進行時鐘恢復的例子。

|不適用于捕獲單次或者偶發信號：采樣示波器是通過多次重復采樣重建波形的，觸發功能也僅限于邊沿觸發。因此如果被測信號中有單次瞬態信號（例如毛刺），采樣示波器就很難捕獲到。或者當有些偶發的信號出現概率很低時，采樣示波器需要累積非常長時間的數據才有可能觀察到。而實時示波器有非常豐富的觸發功能，可以用于復雜信號的調試和故障分析。

|不適用于板上電路調試：采樣示波器采用同軸的SMA接口或者光口作信號輸入，一般沒有探頭，雖然也可以通過一些外部的供電和轉換電路連接實時示波器的探頭，但是使用起來比較麻煩，因此對于PCB板上的信號測試還是以實時示波器為主。

采樣示波器是一類特殊的數字示波器產品，由于其帶寬高、精度高、成本低、同時支持光/電測試，因此在高速光信號、電信號測量以及計量領域有其獨特的應用特點，但同時由于其采樣方式的限制使得其在電路調試中用處有限，因此必須把握其特點才能更好地發揮其作用。現代的采樣示波器普遍采用模塊化的設計，即通過主機箱配合不同功能和帶寬的模塊完成測試；更新的趨勢是把測量模塊做成一個個緊湊的測量單元，通過外部計算機的控制和模塊搭配完成不同的測試功能。圖2.17是一些現代的可通過外部PC控制的采樣示波器模塊。