1.1.2  实时示波器与采样示波器

采样示波器的工作原理

  图1.4示意了实时示波器和采样示波器的原理框图。采样示波器和实时示波器相比最大的区别是前端没有放大器。信号输入后直接进入采样保持电路，其带宽可以高达100GHz，模拟信号经过14位的低速ADC（采样率最大只有10MS/s）转换为数字信号。采样示波器的带宽很高但实时采样率却很低，这是一个矛盾。采样示波器采用了顺序采样方式来解决这个问题，其工作原理如图1.5所示。

          图1.4  实时示波器和采样示波器工作原理示意图

       图1.5   顺序采样模式工作原理

    采样示波器的被测对象必须是“周期性的重复性的”码形，顺序采样模式下将采集N个周期的波形“重组”成一个周期的波形，因此用户看到的波形并不代表实际电路工作中的实时波形。正确的“重组”至关重要。为了使多个周期重组的结果能反应出原始信号的波形而不是混乱的无意义的采样点，就要有一个外部的触发信号来实现采样过程的“同步”。当第一个触发信号到来时，经过时间周期T采样第一个点，第二个触发信号到来时，经过T+delt(t)之后的那个时刻采样第二个点，第三个触发信号到来时，经过T+2delt(T)之后的那个时刻采样第三个点，如此类推。 相邻两次采样之间的时间间隔比实时示波器要长得多，市场上有的采样示波器的采样率只有200KS/s，每隔5us才采样一个点。重组后的波形点和点之间的间隔为delt(t)，其倒数被称为等效采样率，可以高达100GS/s以上。触发信号一般是由CDR模块对被测串行信号恢复产生的时钟信号，有时侯也可以在DUT中找到和被测信号同步的时钟信号。

采样示波器由主机，采样模块和CDR模块组成。主机中可以插入四个模块。采样模块有电采样模块和光采样模块。其中有一种电采样模块同时具有发送快沿信号（上升时间达到18ps甚至更小）和采集信号的功能，带有这种模块的采样示波器有另外一个名称叫TDR（Time Domain  Reflectmeter），时域反射计。  带有光采样模块的采样示波器在有些公司内部有一个说法叫眼图仪，主要用来测量光信号的眼图。
      

采样示波器的主要应用

     采样示波器只能用来测量周期性重复性的码型，因此又被称为“验证型”测试仪器，其主要通途是：

1， 验证无源PCB链路如高速背板。           

10年前就有10Gbps的高速背板，但那时候还没有可以用于测量10Gbps信号的20GHz以上带宽的实时示波器。为了验证高速背板，除了用网络分析仪来测量频域的S参数之外，用基于采样示波器的TDR来测量特性阻抗的连续性，还会用码型发生器和采样示波器一起来测量时域的眼图：在背板的一端施加信号速率和待测背板速率要求一致的周期性的重复性的PRBS信号源，在另外一端通过采样示波器来测量眼图，眼图的好坏在时域上可以很直观地判断背板的性能。

2， 作为TDR使用，测量PCB板,电缆，连接器等特性阻抗。                         

TDR的基本工作原理如图1.6所示。TDR模块发送上升时间达ps级的入射阶跃信号，这种快沿信号遇到阻抗不匹配的传输线、连接器或负载就会产生反射，一部分信号继续保持原来的方向传播，另外一部分信号被反射回来。采样示波器将采集到反射回来的信号和入射的信号叠加后的效果，可直观看出阶跃信号传播过程中的阻抗连续性，还可以具体测量出不同传输介质的具体阻抗大小。 对于不连续点，可以根据传输线的介电常数计算出其距离入射点的距离。图1.7表示了TDR测量出传输线上按顺序存在100欧、62欧和100欧的阶段。 

                   图1.6  TDR工作原理框图

   图1.7   TDR测量结果

3,光信号的测量。         

利用光采样模块来测量光信号是采样示波器的一个重要的应用。应用最多的行业是光模块厂商和使用光模块的光通信厂商。当然这种应用中同样要求被测量的光信号是连续的周期性的重复性的。如果光模块发出的不是连续的光信号，就无法用采样示波器进行测量。

采样示波器的优缺点

    采样示波器由于没有前端放大器，其带宽仅受限于输入通道前端无源器件的带宽，早已达到100GHz。此外，由于没有前端放大器，仪器本身的本底噪声比实时示波器也要小。而且因为它的ADC位数高达14位，对幅值的测量精度更高。

采样示波器能接受的电压的动态范围很小（最大只有2V），使用范围有限。通道很容易静电损坏。 只能用于测量周期性重复性的信号，不能捕获突发毛刺。 在测量眼图时一定需要有同步时钟，测量起来很麻烦。其采样原理决定了它测量眼图的速度很慢，效率很低。