4．采样示波器

在信号调试领域，要观察信号的波形，进行眼图和抖动测量，发现电路中的毛刺、数据错误等，最常使用的是实时示波器。实时示波器的原理在前面章节介绍过，主要是用高速的ADC芯片对信号进行连续实时采样，然后在数字域重建和恢复波形。这种实时采样方法看到的信号波形非常直观，但是需要非常高速的ADC芯片，若要实现很高的带宽则成本非常高。另外，实时示波器为了实现高的采样率，其ADC芯片通常是8bit的（现在已经有采用10bit或者12bit ADC芯片的示波器，但带宽有限，未来高带宽示波器也有采用10bit甚至更高分辨率ADC芯片的趋势），量化噪声较大。为了以较低成本实现高带宽并提高测量精度，有些场合下会用到另一种示波器——采样示波器（Sampling Oscilloscope）。

采样示波器最早由HP公司发明，由于带宽宽、成本低、精度高等特点，广泛应用于高速芯片、高速光通信以及计量等领域。图2.12是HP公司在20世纪60年代发明的第一款采样示波器185A，在当时达到了500MHz的带宽。

采样示波器的发明得益于两项新技术的应用：顺序等效采样技术以及SDR（Step-Recovery Diode）阶跃恢复二极管技术。

等效采样技术来源于核物理研究中信号的采样方式，原理如图2.13所示。等效采样技术主要针对周期性或者重复性信号的测试，以一个与被测信号同步的触发信号为基准，对被测信号进行重复。当第1个触发边沿到来时，采样示波器会进行一个样点的采样；当第2个触发边沿到来时，采样示波器会延时一点时间（Sequential Delay）再对信号采样；类似地，当第3个触发边沿到来时，采样示波器会再延时一点时间对信号采样，这次的延时时间会比第2次的延时时间稍长一点。依次类推，每次触发到来时，示波器都对触发信号多延时一点进行采样，如果触发信号和输入的被测信号是同步的（同步的意思是有固定的相位或者时间关系），而且被测信号是重复性的（重复性的含义是每个周期的信号都是一样的），虽然每次采样采到的是波形不同位置的点，但是把这些点按照顺序描绘出来就可以重建信号的波形。

采样示波器相邻两次采样间的时间间隔可以很长，因此其实际采样率很低（一般是几十kHz到几MHz）；但同时每次采样时采样点相对于触发点的延时的调整分辨率可以很小（可以到几十fs以下），所以波形重建时各个采样点间的间隔可以小，相当于其等效采样率很高（上百GHz甚至更高）。

图2.14是实时示波器与采样示波器在结构上的对比。采样示波器以很低的采样率通过多次重复采样实现了很高的等效采样率，因此避免了高带宽测量对于高速ADC的苛刻要求，可以用比较低的成本实现高带宽、高精度的信号测量。但是，采样示波器对于被测信号有严格的要求，最基本要求是被测信号必须是周期性的，并且能够提供一个稳定的与被测信号同步的触发信号。如果没有同步的触发信号，采样示波器无法进行信号采样（这点与实时示波器不一样，实时示波器的采样时钟来源于示波器内部）；而如果信号不是周期性的，采样后不同位置的点叠加在仪器也无法得到清晰的信号波形（用于眼图测量除外）。正是由于这些限制，采样示波器一般不会用于毛刺捕获、随机信号测量、模拟信号测量等场合。但是如果被测信号满足了上述条件，例如是重复脉冲、时钟、数据流，使用采样示波器就有很大的成本和精度优势。

采样示波器的另一个核心技术是前端的SDR采样电路。SDR用于将输入的采样时钟变成非常窄的采样脉冲，实现对被测信号的采样。由于采样示波器的采样电路前面不像实时示波器那样有信号放大和衰减电路来制约带宽（这样做的优点是设备带宽可以做得很高，但其缺点是能够测量的信号幅度量程范围比较有限。现代有些特别高带宽的实时示波器中也省略了放大器、衰减器而直接对信号采样，付出的代价是可用测量量程的压缩），因此整个系统的带宽主要就取决于SDR采样电路的带宽。图2.15是早期和现代的采样示波器中使用的SDR采样电路。

采样示波器的带宽高、测量精度高、固有抖动低，广泛应用于高速芯片、光电器件的测试场合。综合比较起来，使用采样示波器的主要优点如下：

|带宽高：由于采样示波器是通过多次重复采样重建信号的，即使被测信号频率很高，采样示波器也可以通过很低的采样率逐点把信号重建出来。同时由于其采样芯片前面没有模拟放大电路，不会限制信号带宽，因此可以实现比较高的测量带宽（没有模拟放大电路的缺点是能测量的信号幅度范围不像实时示波器那么大）。例如当20世纪初光通信进入10Gbps的时代时，实时示波器的带宽还停留在6GHz以下，而采样示波器的带宽已经可以达到80GHz以上。

|成本低：采样示波器不需要昂贵的高速的ADC芯片，即使现在随着材料和芯片技术的革新，实时示波器的带宽也达到了60GHz以上，但是同样带宽情况下采样示波器的价格远低于实时示波器。

|精度高：由于采样示波器的ADC的采样率可以很低，可以使用比较高位数的ADC芯片。目前，大部分的数字采样示波器使用的ADC芯片的位数都为14位或者更高，远高于实时示波器8位或10位的分辨率，所以采样示波器因其噪声低、波形精度高，大量应用于高速芯片测量以及计量领域。

|可以直接进行光信号测量：采样示波器一般采用模块化结构，有些模块有直接的光口输入，并内建光通信测量时要用到的标注滤波器，因此采样示波器在光通信以及光器件的测量领域也有大量应用。实时示波器虽然也可以通过外加光电转换器进行光信号测量，但使用广泛程度远低于采样示波器。

但是由于工作原理限制，采样示波器的使用场合不像实时示波器那么广泛，最关键的原因是：

|需要同步触发信号：采样示波器在采样时被测件必须提供一个与被测信号同步的时钟或者分频时钟做触发，否则就无法进行测量。在一些高速通信信号测量场合中，如果被测件实在无法提供同步时钟，就需要配置专门的时钟恢复模块，从数据流中恢复出时钟触发采样示波器。对于无法进行时钟恢复同时被测件也无法提供触发信号的场合，采样示波器无法进行测量。图2.16是一种可以用采样示波器对25Gbps的光信号进行测试时进行时钟恢复的例子。

|不适用于捕获单次或者偶发信号：采样示波器是通过多次重复采样重建波形的，触发功能也仅限于边沿触发。因此如果被测信号中有单次瞬态信号（例如毛刺），采样示波器就很难捕获到。或者当有些偶发的信号出现概率很低时，采样示波器需要累积非常长时间的数据才有可能观察到。而实时示波器有非常丰富的触发功能，可以用于复杂信号的调试和故障分析。

|不适用于板上电路调试：采样示波器采用同轴的SMA接口或者光口作信号输入，一般没有探头，虽然也可以通过一些外部的供电和转换电路连接实时示波器的探头，但是使用起来比较麻烦，因此对于PCB板上的信号测试还是以实时示波器为主。

采样示波器是一类特殊的数字示波器产品，由于其带宽高、精度高、成本低、同时支持光/电测试，因此在高速光信号、电信号测量以及计量领域有其独特的应用特点，但同时由于其采样方式的限制使得其在电路调试中用处有限，因此必须把握其特点才能更好地发挥其作用。现代的采样示波器普遍采用模块化的设计，即通过主机箱配合不同功能和带宽的模块完成测试；更新的趋势是把测量模块做成一个个紧凑的测量单元，通过外部计算机的控制和模块搭配完成不同的测试功能。图2.17是一些现代的可通过外部PC控制的采样示波器模块。