采样示波器和实时示波器的比较

这是一篇Wavecrest的旧文章，最早发表于2004年，当时10G带宽以上的示波器还没问世，示波器3强的主力基本还是6GHz。Wavecrest比较了自家的SIA-3000和Agilent86100，54855A，Tektronix6604，LeCroy6GHz（未指明型号）在测试波形的上升沿和眼图方面的区别。采用Agilent12GHz码型发生器产生2个波形，2.125Gb/s和4.25Gb/s的K28.5码型。

2.125Gb/sK28.5码型上升沿、下降沿均<20ps，以下分别是不同示波器的眼图表现。

Figure1-Agilent20GHzSamplingscopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure2-SIA-30006GHzscopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure3-Agilent6GHzRealTimeScopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure4-Tek6GHzRealTimescopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure5-Lecroy6GHzRealTimescopeEyeDiagramof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure1所示的波形近乎理想，而其他实时示波器则有显著的过冲。因为实时示波器在上升沿或下降沿要比采样示波器有更大的振铃，换句话说，反射更严重。

Figure6-Agilent20GHzsamplingscopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure7-Wavecrest6GHzsamplingscopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure8-AgilentRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure9-TektronixRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figure10-LecroyRealTimescopewaveformcaptureof2.125Gb/sK28.5pattern.

Figures6到10显示了5个示波器上显示出来的眼图，所有的实时示波器在边沿前后都表现出来了过度的振铃，这也表明了实时示波器的阶跃响应不太好。这些实时示波器只具有50ps的分辨率，为了克服这个缺点，采用了Sin(x)/x或sinc内插，这种内插可以很好的再现正弦波，但对方波的效果却不好。今天的串行数据越来越变得像方波，所以评估示波器性能时查看串行信号的表现是极其重要的。

Figure11-OverlayofeyediagramsforAgilent20GHzsamplingscope(DarkBlue),6GHzSIA-3000scope(LightBlue),Agilent6GHz(DarkYellow),Tektronix6604(LightYellow)andtheLecroy6GHzRealTimescope(Red).

Figure11显示了所有5个示波器眼图叠加在一起的结果。深蓝色的是Agilent86100，浅蓝色的是SIA-3000，深黄色是Agilent54855A，浅黄色是Tektronix6604，红色则是LeCroy的6GHz示波器。由于带宽的限制，实时示波器的脉冲响应也不够好，这会使得在高速数字信号的完整性测量中眼图测量的误差加大。

测试2：4.25Gb/s的K28.5码型

4.25Gb/sK28.5码型上升沿、下降沿均<20ps，以下分别是不同示波器的眼图表现。

注：4.25Gb按照1.8xbitarate的要求，需要8GHz带宽的实时示波器，按照3x基波频率要求，6GHz勉强能测试，

但是如果要很好的考察幅度信息，则至少需要5x基波频率，也就是11GHz,才能将频谱分量的能量很好的包含进来。显然用6GHz带宽的示波器测量4.25Gb/s的码流不是很适合。

Figure12-Agilent20GHzsamplingscopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure13-Wavecrest’s6GHzsamplingscopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure14-Agilent6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure15-Tektronix6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure16-Lecroy6GHzRealTimescopewaveformcaptureof4.25Gb/sK28.5pattern.

Figure17-OverlayofeyediagramsforAgilent20GHzsamplingscope(DarkBlue),6GHzSIA-

3000scope(LightBlue),Agilent6GHz(DarkYellow),Tektronix6604(LightYellow)andtheLecroy6GHzRealTimescope(Red)for4.25Gb/sK28.5datastream.

信号保真度

从以上测试可见，示波器模拟带宽是整个系统性能的瓶颈。3个实时示波器和Wavecrest的采样示波器一样具有6GHz的模拟带宽，但是Wavecrest的采样示波器相对来说，具有更好的振铃抑制，非常小的过冲和预冲，可以更好的再现波形。Figure18显示了限制示波器性能的因素。模拟带宽只是其中之一，除此之外，阶跃响应（stepresponse)，分辨率，插值都是制约信号保真度的因素。实时示波器差的阶跃响应和分辨率将导致波形再现的错误。

频响滚将特性也会影响信号保真度。如果仪器的的传递函数在-3dB点或模拟带宽上降落的过快，将会严重衰减高频信号和带来不准确的测量结果。同样非线性也会严重的影响测量系统的信号保真度。Figure19展示了几个具有相同模拟带宽的不同示波器的传递函数，从中可以看出这些频响曲线的差别很大，这将在测量中导致非常不同的结果。

对于高端示波器来说，带内的频响越平坦越好，带外则是越陡越好，一般讲带外滚将陡峭的曲线称为砖墙（brickwall）响应。砖墙响应是低通滤波器极力追求的，但显然就算音频上的砖墙响应，实现起来也并没有那么容易。由于高带宽的示波器采样率最小是带宽的2.5倍，所以近似砖墙的响应则非常重要，否则很容易引起混淆。当然示波器3强早就注意到了这个问题，都采用了独家的解决方案抗混淆，大多数是采用DSP修正。

Fresponsevs.Frequency

Figure19-Oscilloscopetransferfunctionshowssystemfrequencyresponse.

结论

由于实时示波器的缺陷，在测量中会产生一些误差，比如上升沿，下降沿，幅度，眼图，抖动等等，可能会产生误判。模拟带宽并不是决定系统性能的唯一因素，其他的比如阶跃响应，分辨率，插值方式在决定仪器的性能方面同样重要。

采样示波器和实时示波器的区别

实时示波器采样示波器

可以显示单次瞬时事件更低的采样率支持更分辨率的ADC转换

无需显示触发更宽的带宽

无需重复的波形更低的本底噪声

直接测量周期到周期抖动更低的固有抖动

长记录长度/深存储器可更换的前端光学模块

适用于故障诊断情况可以用于TDR以便进行阻抗和S参数测量

更低的拥有成本

由于这篇文章是2004年的旧文，所以不能体现出这几年实时示波器的蓬勃发展。高速串行应用在这几年的迅速普及，直接促进了高带宽示波器的快速发展，DSP，SiGe，InP技术的引入使得高带宽示波器具有更好的频响曲线，更高的采样率，更好的阶跃响应，更低的底噪，更小的本底抖动，文中提到的实时示波器的一些问题已经被大大改善或者消失。

如果Wavecrest能再来一次比拼就好啦，这可以让大家更好的了解当下实时示波器和采样示波器的区别，以及实时示波器的技术进步。可惜的是Wavecrest已经被gigamaxtech收购。在这个寒冬里，抱团取暖或傍上豪门成了小企业的不二之选。