电子示波器应用结论示波器不为人知的十二般武艺|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

示波器不为人知的十二般武艺

示波器是人们设计、制造或修理电子设备不可或缺的工具。在现今这个快节奏的世界里，工程师们需要利用目前最好的工具来快速准确地解决他们所遇到的测量难题。在工程师看来，示波器是成功应对现今测量难题的关键所在。现代数字示波器拥有可帮助节省时间的特性，如深存储和一系列分析工具等，可简化高速数字设计带来的挑战。下文分别细数了示波器或曾不为人知的12项功能。

1. 协议解码

根据示波器波形显示进行串行总线手动解码既耗时又容易出错。在这一相对简单的I2C信号中，可能有问题存在。您能轻松找到这个问题吗？甚至还能说出该信号代表什么吗？要对该数据包进行手动解码，需寻找到包头、数据位及包尾。利用时钟状态（**）对所有数据信号状态（蓝色）进行对照确认，然后将其转换为十六进制数值。

图1：示波器上的I2C信号

在此将手动解码与自动解码示例进行比较。只需定义时钟和数据处于哪些通道上以及定义用于确定逻辑值（“1”和“0”）的阈值，就可以让示波器获悉正通过总线传输的协议。在一瞬间，就可对串行数据进行解码并将其显示出来，说明总线波形显示中的起始位、地址位、数据位和结束位。对I2C总线而言，地址值和数据值能够以十六进制方式显示，或以二进制方式显示。

图2：自动I2C解码

2. 网络分析仪

需测量回波损耗（Sdd11）或插入损耗（Sdd21），但却没有TDR或VNA，怎么办？您可用高带宽示波器进行一些近似于网络分析的测量，尽管这样做好像有些超出其使用范围，而且肯定有某些局限。传统的频率响应时间测试涉及对快脉冲的测量以及对响应FFT的查看。除这种测量外，您还可以通过一些相当基础的设置来测量回波损耗和插入损耗。

例如，一些高速标准（像PCI Express 3.0和USB 3.0）包括有这样的测量，一长串逻辑值“1”后接一长串“0”。这构成一种稳态条件或低频状态。然后，测试图案变为时钟或1010图案，又称为奈奎斯特图。对前后电压电平进行比较，得到一个标称插入损耗值。可采用更先进的技术以及自定义信号激励来提取其他详细信息。在一篇题为“在数字存储示波器上进行以太网微分回波损耗测量”的白皮书（www2.tek.com/cmswpt/tidetails.lotr?cs=wpp&ci=2748）上可找到有关某一程序的技术概览的佳作。

图3：64个“1”及64个“0”后接“1010”的图形

3. 在DVD驱动器上播放影片

大型LCD屏幕还可用作什么呢？可以肯定的是，您可以在示波器上观看信号完整性分析指南，但更令人高兴的是，您还可以观看最近的电影（但是还不能观看3D视频）。

4. 滤波

您是否需要用高带宽示波器测量低频信号但又不想有高频噪音？许多示波器都具有数字信号处理功能，可进行滤波，包括低通滤波。下一次，您想在您12GHz示波器上测量100MHz时钟时，可使用带宽限制功能，以得到更佳的信噪比和更精确的测量值。

5. 宽带雷达测试

数字示波器早已具备FFT功能。随着雷达和其他宽带RF系统进入数字领域，现在示波器已具备瞬态或宽频带宽RF信号分析功能。您可以对无外部降频转频器的宽带雷达、高数据速率卫星链路或跳频通信系统执行脉冲分析、数字解调和EVM测量。

图4：显示宽带雷达信号的示波器

6. 改善垂直分辨率

大部分示波器的A/D分辨率为8个比特。用不同的采集模式，可按如下所述，通过求相邻采样的平均值来提高垂直分辨率。那么，通过求平均值和采用高分辨率模式可将分辨率提高多少呢？理论上讲，增加值为0.5Log2N，其中N为相邻采样的平均数。

实际情况是，2个字节的存储深度限制了这一增加。两个字节为16位。保留其中一位作为符号位，剩余的15位用作数据数值。舍入误差使第14位和第15位成为随机值，从而使实际限值变为13位。因此，改善可从约六个有效位开始，用高度过采样时可增至约13位。

图5：提高垂直分辨率

7. 基于示波器的信号发生器

由于许多示波器都装有计算机I/O端口，比如USB端口或以太网端口，因此可使用这些端口来生成测试信号。只需下载合适的软件（可在许多标准机构的网站上查找到）来激活测试模式，您就拥有了一台信号发生器。

8. 测试文件

如果您想像大多数人那样在示波器上进行分析，则可能还需要有一些测试文件。了解许多集成软件分析工具中的测试报告功能，可为您节约一些时间。想要更高效，您可以通过远程控制仪表指令自动化分析和测试报告的操作。即便是基本型示波器也具备针对文件的省时功能，比如“保存全部”功能，只需按下一个按钮，即可保存截图、波形数据和设置文件。

图6：文件测试报告功能的用途

9. 智能检索

没有正确的检索工具的话，要在很长的波形记录中找到您感兴趣的事件可能会很耗时。如今，记录长度日渐超过100万数据点，要定位您的事件可能意味着需要浏览成千上万个信号活动屏。用软件搜索工具可简化对长记录的浏览。甚至有前置面板控制器，使您可快速进行缩放和平移操作，就像用DVR看视频一样。还可顺便自动标注每个定义事件的发生情况，以便在各事件之间快速移动。

图7：长数据记录中标记的用途

10. 触发

示波器的触发功能可在信号中的正确点进行同步水平扫描，对明确的信号检定而言，是不可缺少的。触发控制器允许您稳定重复波形并捕捉单次触发波形。

在高速调试应用中，您的电路可能会工作99.999%或更长的时间。而正是.001%的时间会造成您的系统崩溃或正是您需要更详细分析波形的一部分。高级触发功能，如AB双重事件触发、窗口触发、逻辑认证等等都有助于隔离问题，速度比在采集后搜索上百万个数据样本快很多。

图8：高级触发模式可减少对长数据记录的搜索

11. 仪器的远程控制

您是否曾有过这样的经历：离开实验室之前忘记检查测量值或保存测试结果？没有特殊软件工具就无法远程访问示波器了吗？幸运地是，只需打开浏览器，输入示波器的IP地址，就可轻松接入示波器。许多示波器，甚至基本型示波器，不仅可在实验室中联网，还可设置为可在线访问的网络服务器。

12. 眼图

什么是眼图？通过眼图，在高速数字设计领域工作的人士可识别多个比特相互叠加，被广为使用的图形。如何才能在不挨个查看的情况下就快速验证上百万个比特呢？在一张瞬态图中，您能大致了解会造成系统运行不可靠的时间变化、噪音、振铃和其他信号完整性的影响。大部分示波器用户都很熟悉这一工具，然而许多人并没有意识到信号处理和可视化技术方面的进步，从而加深对这一基本图形的了解。通过眼图，可基本了解电压电平和边缘速率等参数值。如果再进一步延伸这一概念，您可以用BER轮廓线（BER contours）来推断或预测误码率。下图类似眼图，但其显示的误码率为定时抖动和电压噪声的函数。

结论

示波器简单易学、容易操作，可帮助您高效工作，充分提高生产率，使您可将精力放在设计而非测量工具上。就像世上没有可作为标准的汽车司机一样，世上也没有标准的示波器用户。无论您将示波器用于广泛分析、用于滤波还是用于创建测试文件，最重要的是如何灵活操作您的示波器。

作者Randy White是泰克公司的 串行应用技术营销经理。 在过去几年中，他积极加入到许多针对高速串行标准的工作小组中。

工欲善其事必先利其器——我与Keysight示波器那些事儿

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子曾经曰过：“工欲善其事，必先利其器”（《论语·卫灵公》）。

自从总理明确提出要培育 “工匠精神”的号召以来，工匠精神已经成为目前的一个热点。我的理解是，所谓的工匠精神，其主要内涵就是工程师文化，毕竟现在的工程师，放在以前可不就是工匠么。工匠精神简单的说是一种精益求精，追求完美和卓越的精神。作为电子工程师，这几年我逐渐地体会到了“工欲善其事，必先利其器”也是一个工匠要有的基本精神。一个合格工程师，需要选择合适仪器，熟练且准确的利用它们。这关系到的不止是事半功倍还是事倍功半的问题，有时候更加关系到目标系统能不能做成，能不能做好。示波器作为电子通讯行业的必备仪器，我和Keysight也是结下了不解之缘，以下是过去几年使用Keysight示波器的一些感悟。

0x01 初见

常言道“人生若只如初见”，但是我和示波器的初见却不见得那么美好。和广大学生一样，我第一次接触示波器是大学的相关实验课程上，当时的示波器品牌已经记不清了，只记得是一款低端的模拟示波器（毕竟是学习基本操作，够用了）。当然记得比较清楚的是体验并不好。现在回想，当时的实验非常基本，但是我们调试了很久都没有调好。一方面是初次使用不熟悉仪器，另一方面是设备经常掉链子。印象最深刻的一点是，大概是示波器的旋钮接触不好，导致显示的波形并不稳定。但是对于波形不出现，不稳定的情况，原因实在是太多了。工作点设定不对？导线没固定结实？电源是否稳定？连接是否准确？示波器上各参数是否设定正确？实际上那时的电路规模不大，如果有个合适的“基准”，例如示波器上的数据是值得信赖的，调试起来并不难。所以当时遇到的最大困难是示波器也不稳定，从一个每个环节都可能出问题的系统中debug，实在不是一种痛苦的体验。

所以，某天当发现我要使用如下这台示波器时，一开始我是拒绝的。

这是实验室“标配”：“伊拉克”成色的Agilent 54622D（2通道，100MHz，200 MSa/s）

从外观和标配的软盘驱动器，不难估计它已经是身经百战了。

开机，上校准波形。虽然外观上可能比我当时用的模拟示波器还要破旧，但是简单操作几次后，发现居然没有任何问题，几乎所有的常用功能都是好的，包括我最担心的旋钮和按键会不会接触不好，都一点没发生。波形显示也十分平稳清晰，可谓老当益壮。

上面2张图也是我使用它时，发现它居然还能正常工作时兴奋不已而拍下的照片。

这台示波器，让我注意到了Agilent这个品牌（现在是Keysight），也纠正了我对示波器难用的片面看法。

当时万万没想到的是，这才是我和Keysight故事的开始。

补充：

这个型号的示波器，也是电路仿真软件Multisim中集成的虚拟仪器。其实在Multisim里集成了不少Agilent的仪器。

0x02 进阶

日常简单的测量工作，Agilent 54622D已经基本满足了需求，但是需求总是没有止境的。

有一个实验需要我们复现它的结果，简单的说就是文献里的一个波形。

这个测量需求是我们之前从来没有见过的，测量的是某MCU的瞬时功耗。论文里的结果可以清晰的区分9.5个patterns。但是我们的复现结果全是噪声，啥也看不到，这使我们苦恼不已。

因为借用的是某款看上去够“高级”示波器，从指标上看似乎也是够用的，所以从一开始我们就没有怀疑示波器的问题。日子一天天过去，还是全是噪声，而且示波器本身的底噪就很大。有一天突发奇想决定研究下论文里用的是什么示波器。根据图片上的一点点线索，居然很快锁定到了是Agilent MSO 6000系列的示波器。老师也很快帮我们打听了“隔壁”实验室的设备，刚好有一台Agilent MSO 6054A（4通道，500 MHz，4GSa/s），我们抱着板子就过去测试了。

只用了半天时间，我们就重现了结果，然后拍下了这张（具有历史意义）的照片。上面是我们调试的结果，下面是论文里别人的工作，可见吻合度非常高。这里面用到了带宽限制功能，也就是示波器内置了25MHz的硬件低通滤波器，减少带外的噪声对测量的影响，而有些示波器不带这个硬件滤波器，需要外围系统额外增加一个滤波器。

这个事情最后我们得出的结论是：不是屏幕大，标称的指标高的示波器一定好（虽然也是一个比较知名品牌的产品）。实际测试表明那台屏幕更大，指标更高的示波器的噪声远比Agilent MSO 6000系列来得高（在外围的模拟滤波条件相似的情况下）。而且相似条件下，其波形刷新很慢，显示的效果也没有Agilent MSO 6000系列来得好，这应该是仪器内置的算法不同。

之所以称呼MSO 6000系列是因为“隔壁”实验室的设备我们不能长期借用，而这个测量需求还有很多后续工作要做，老师给我们从合作单位调了一台Agilent MSO6032A（2通道，300 MHz，2GSa/s）

这台示波器后来还完成了诸多测量任务，我们一直身在福中不知福。直到合作方一句话点醒了我们：“这台设备你们可要好好用，在我们那可是当宝贝的”。我们这才知道其实Agilent MSO 6000系列是中端示波器中的中流砥柱。因为用途广泛，网上资料很多，我们才能轻而易举的通过通过一张图片锁定了型号，才能正好在“隔壁”实验室借用到，才能后续碰巧从合作方那里又调到一台同系列的机器啊。

实际上Keysight示波器涉及到广泛的科研和生产领域，后来留心观察发现，甚至稍微专业一点的电子实验室或多或少都有Keysight的产品。

对于MSO 6032A，除了指标够用，我的最大感受是做工好，旋钮的阻尼适中，段落感清晰，按键回弹利落，有确认感，操作起来不费劲，每个机械部件又固定的很结实，没有松松垮垮的感觉。另外一个感受可以用“快”字概括。开机快，电源按钮是开关式的，从上电到就绪只需要短短几秒钟（当然精确测量还是需要预热的），波形刷新很快，大部分场景下可以媲美模拟示波器。菜单，功能的选择反应也很灵敏，特别是“Auto Scale”，也就是自动测量，简直是一键自动档，基本上刷一下就可以调整好并稳定住波形（一般都是先Auto再细调）。而之前提到的另一台“高级”示波器的自动测量功能根本没法比，响应非常慢，需要等待很久才能完成自动量程，有时候甚至还不如手动调节来得快，甚至它的手动调节响应也没有MSO 6032A来得快。“天下武功，唯快不破”，这种差距没有真正操作过很难感受到，在仪器的规格参数里也不好体现，但是确实非常影响测量体验。就好比早几年Android手机还很卡的时候那样，和iOS相比，虽然都能完成一样的功能，但是iOS的操作就更丝般顺滑，用户体验会更好。

0x03 惊喜

这是全面了解示波器的开始。目的主要是做一个全自动的采集，需要十分熟练地利用示波器的采集功能，主要情况可以用如下框图说明。

框图里箭头旁的5个环节都需要编程实现。其中计算机和目标板的双向通信倒是比较常规，使用USB转串口通信就可以。示波器采集目标板上的波形，如果只采集少量波形，只要手动完成就可以了。难的是自动测量，需要协调好几个事件的顺序。计算机在这里充当主控制器，首先配置好示波器各参数，通知示波器准备好，使之处于等待触发的状态，然后控制目标板执行特定程序，等示波器触发后，采集需要的波形，计算机收到回传的波形数据。如此循环数千到数万次（每次目标板上执行的程序参数会略有差异）。

因为循环次数多，整个采集过程会持续半天甚至1天以上，总数据量会有数GB以上，对各软硬件的稳定性都有一定要求。而接手前，我们的已有的成果只停留在勉强能手动控制采集几次，还时常出问题。

在调试示波器的控制和数据回传程序时，我们也尝试使用了不同品牌不同规格的示波器，甚至使用了不同的编程语言，Keysight示波器又体现出了很多优势。

1、首先是性能好。示波器连接计算机通常可以用USB或者以太网，USB2.0理论上有480Mbps速率，以太网根据规格不同有100Mbps或者1000Mbps的速率，都是满足要求的。但是有些示波器在回传波形数据时，速度很慢，或者速度不稳定，有时候一条波形传输需要快1分钟了，这种情况是不能容忍的（想想一天一夜才1440分钟，是不是很短暂）。Keysight的示波器通常在相同环境下，传输速度是最快的，而且速度稳定，稳定的让人觉得手动控制延时都可以。

2、其次触发系统十分可靠。实验中控制目标板的GPIO跳变来产生边沿触发信号，所以只需要简单的边沿触发就可以了。作为最基本的触发模式，当然所有的示波器都支持。但是并不是所有的示波器都能做好，在几千数万次的采集循环中，漏掉触发是常有的事情。这种情况不是很好调试，因为它是随机出现的，而我们不可能守在示波器前一直看着数万次的采集过程。通常一直不触发会产生一个触发超时异常，计算机上的程序可以处理这种情况。如果不触发的情况比较多，我们就要增加准备触发到开始采集的时间间隔，让示波器又足够长的时间做好准备。而每增加1秒钟，1万次的采集就会增加约3小时的采集时间。最坑人的是，偶尔会有示波器反馈给主机已经触发了，实际上并没有。这种情况下，示波器的数据缓冲区里没有波形数据，而计算机认为示波器已经触发，就会去读取波形数据，导致程序出错。或者反馈触发，但是数据缓冲区里的数据是全0,，即数据错误。这些情况是偶尔发生的，越是偶尔，调试起来就越艰难。由于这是示波器内部控制程序的问题，我们没有办法去改进，只能指望厂家的程序能写的健壮一点，这个程序，毫无疑问的是Keysight的产品胜出了。

3、还有一个是文档完善。编写控制示波器的程序是要调用示波器提供的程序接口，而我们对于示波器编程是没有基础的，全靠厂家的文档支持。这一方面，Keysight的文档是最完善的，而且细节也是最丰富的。我记得将Agilent改名为Keysight那段时间，我看到过的几个老示波器的文档很快就把Agilent的标志都换成了Keysight。只是一个小小的符号变化，也体现了Keysight对于用户的负责态度，更是一种有力的提示：Keysight没有忘记老用户，是德科技，即实事求是，以德为本，并不会因为是老产品的文档就放任不管。

因为存储深度的原因，MSO 6000系列不能满足要求，正好有条件可以试用MSO-S系列的示波器，正是这台示波器又一次刷新了我对示波器的认知。

仪器的型号是Agilent MSO-S 804A（4通道，8GHz，20GSa/s，10-bit ADC）。大概是因为试用的关系，规格比较高，模拟带宽和采样率我们其实用不到那么高，但是10-bit的ADC是用上了。确实如宣传所说，10-bit有效地降低了量化噪声，甚至波形放大看，都能看出来明显是更清晰了。有一种从看标清电影转为看高清电影的感觉，但要说起这里面的技术含量，相信每一个做过模拟电路的人都能或多或少的感受到Keysight研发人员付出的无数心血。

回到第一次打开这台机器的时候：

居然是电脑的开机画面，只是LOGO换成了Agilent，

居然是熟悉的Windows 7系统，

试着操作一把，居然是电容触摸屏，这下会用手机就会用示波器了。

后面仔细了解操作后发现，大部分操作都可以通过点按触摸屏完成，当然基本的操作也是可以用右边的按键和旋钮完成的，2种操作重叠的部分是联动的，也就是说通过触摸屏的操作也会反馈到按键的指示灯上。

接口方面，除了示波器必备的信号输入输出端子，计算机的接口也是一应俱全，包括USB、以太网、显示输出等。

计算机的硬件配置也是向高看齐，甚至配备了当时在PC上还没全面普及的固态硬盘（SSD）。

这一切都太熟悉了（常见的PC上都可以有，触摸屏也不是新鲜玩样），又太陌生了（这一切居然是在一台示波器上）。

用触摸操作使得仪器的使用门槛大幅减低，波形缩放拖动非常直观，参数测量也只需要轻点几下。

回到自动采集系统，一流的仪器自然带来了一流的测量体验，我们取消了原来的主控计算机，直接使用示波器内置的计算机完成控制，并根据触摸屏设计了相应的图形界面。

或者外接显示器进行双屏操作：

示波器内部的Windows系统是装好了全套驱动程序的，甚至附了全套文档，我们的程序在PC上调试好，复制过去就能运行，没有遇到任何障碍。

0x04 正轨

MSO-S 804A短暂的试用很快就结束了。后来用过的最接近S系列的示波器是Agilent 的DSO 9000系列。例如这台DSO9404A（4通道，4GHz，20GSa/s）

经历了MSO-S系列的狂热，再看到这样的示波器，我们的内心是平静的，它也真正成为了我们的一个研发利器，编写采集程序，调试电路，一切都进展的井然有序。它和采集程序配合的很好。9000系列的示波器和MSO-S系列很接近，应该是它的前身，但是该有的都有，一点也不含糊。

9000系列偶尔还能充当逻辑分析仪，频谱分析仪，跨界完成一些额外的工作。

这里真心再赞一下Keysight的示波器。采集程序中控制示波器的部分，一开始在MSO6032A上着手开发的，后来换成了MSO-S 804A，再后来换成DSO9404A，这是3个不同系列的产品。通常来说，这种硬件平台不固定，软件要跟着改工作量是非常可观的，也是最令人心累的。但是这次是个例外，Keysight的程序接口定义的非常规范有规律，可以说只要这3个示波器里，调熟悉了任意一台，换个设备只要简单看一下编程手册，针对性地调整命令，很短的时间就可以移植完毕，甚至比MCU换一个系列都要简单的移植都要简单。最后我们的采集程序对台式示波器的支持，是只支持Keysight示波器，一方面是效果好，另一方面Keysight示波器使用广泛，具有普遍意义。

0x05 细节

天下大事，必作于细（《道德经·第六十三章》）。

细节在日常的使用中才能真切感悟，要一时列举还真是困难。这里有一些零散拍摄的照片，可以一窥Keysight在细节上的功力。

对于MSO-S系列或者9000系列这样大小的设备，个人要想搬动还是很麻烦的，好在原厂其实是有配有箱子的，这样搬运的话，还带一个拉杆，一个人就可以搞定啦。

（小伙伴友情出镜）

示波器标配的鼠标还是很耐用的，仔细看看，原来是罗技代工的。看来Keysight对于鼠标这样外围的外设都一点不含糊，可见其用心。

罗技代工的鼠标

使用示波器内置的截图功能，除了会把屏幕上的内容抓下来以外，还会在底下附上示波器的配置参数，这个功能初看没啥技术含量，实际上非常实用。尤其是在截图比较多的情况下，一一记录参数不仅麻烦，还容易搞混，这样直接附在图后面的方式反而简单直接。

最后补几张相关图，是当年为了方便借用仪器拍摄的（记下型号，需要的时候再过去借用）。Keysight的逻辑分析仪，信号分析仪，频谱分析仪等也都是业界标杆。

正在服役的仪器中，有Keysight的前身Agilent，以及爷爷辈HEWLETT PACKARD（HP）。

Keysight新品牌启用没多久，在电子市场看到经销商的牌子也已经换好了，顺手就拍下了这张照片。确实是“电子测试工具的精品”。

0x06 后记

本文只提到了使用Keysight示波器的感悟，但绝不是无脑的夸赞Keysight示波器。事实上市面上主流的几大品牌示波器我都或多或少摸过用过，但是用来用去，大部分的场景里，还是Keysight的最好用。那个采集程序还考虑过使用USB示波器，工业采集卡，最后也是Keysight示波器效果最好。在日常使用时，尤其是对着编程手册写控制程序的时候，看到了Keysight示波器许多的强大之处，有时候真感叹，原来测量还可以这么做。有很多独具匠心的功能大部分时候都只是静静地躺在仪器里，说明文档里，而并没有发光发热。工欲善其事，必先利其器，选择一款合适的示波器，摸透它的脾气，会发现原来时域测量会变得这么得心应手，电路的世界也可以变得这么美好。