示波器的用途并不僅限于電子領域。在安裝適當?shù)膫鞲衅鲿r示波器可以測量各類現(xiàn)象。傳感器是一種針對物理激勵生成電信號的器件，如聲音、機械壓力、壓力、光或熱。麥克風就是一種傳感器，它把聲音轉(zhuǎn)換成電信號。圖1說明了示波器可以采集的科學數(shù)據(jù)實例。

從物理學家到維修技師，每個人都離不開示波器。汽車工程師使用示波器，把來自傳感器的模擬數(shù)據(jù)與來自發(fā)動機控制單元的串行數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。醫(yī)學研究人員使用示波器測量腦電波。示波器的用途可以說是無窮無盡的。

01

信號完整性的意義

對任何優(yōu)秀的示波器系統(tǒng)來說，準確重建波形的能力都是關鍵，這種能力稱為信號完整性。示波器類似于一臺攝像機，它捕獲信號圖像，然后可以觀察和解釋信號圖像。信號完整性的核心有兩個關鍵問題:

在拍攝時，拍到的是不是實際發(fā)生事件的準確圖像?

圖像清楚還是模糊?

每秒可以拍攝多少張這么準確的圖片?

示波器不同的系統(tǒng)和性能功能結合在一起，影響著其提供最高信號完整性的能力。探頭也影響著測量系統(tǒng)的信號完整性。

信號完整性影響著許多電子設計學科。但直到幾年前，它對數(shù)字設計人員來說還不是什么大問題。設計人員可以依賴邏輯電路，像布爾電路一樣操作。當時，有噪聲的、不確定的信號發(fā)生在高速電路中，RF設計人員還不用擔心這些問題。數(shù)字系統(tǒng)開關速度慢，信號以可預測的方式穩(wěn)定。

此后，處理器的時鐘速率提高了幾個量級。三維圖像、視頻和服務器I/O等計算機應用需要大量的帶寬。當前大部分電信設備都基于數(shù)字方式，類似地要求大規(guī)模的帶寬。數(shù)字高清電視也不例外。當前一代微處理器設備以高達2GS/S、3GS/s、甚至5GS/s(千兆樣點/秒)的速率處理數(shù)據(jù)，某些DDR3存儲設備則使用2 GHz以上的時鐘及上升時間為35pS的數(shù)據(jù)信號。

重要的是，速度的提高一直滲透到汽車、消費電子、機械控制裝置及各類應用使用的常用IC器件。

02

為什么信號完整性是一個問題？

讓我們看一下當前數(shù)字設計中信號劣化的部分具體成因。為什么現(xiàn)在這些問題比過去幾年盛行得多了呢?

答案是速度。在“低速的舊時代”，保持可以接受的數(shù)字信號完整性只需注意細節(jié)就可以了，比如時鐘分配、信號路徑設計、噪聲余量、負荷影響、傳輸線效應、總線端接解耦和配電。

必需指出的是，數(shù)字信號的邊沿速度 -上升時間承載的頻率成分可以高于其重復速率表明的頻率?；谶@一原因，某些設計人員故意尋求上升時間相對“較慢”的IC器件。

集總電路模型一直是預測電路中信號特點使用的大多數(shù)計算的依據(jù)。但是，在邊沿速度比信號路徑延遲快4-6倍時，簡單的集總模型將不再適用。

在使用邊沿速率不到4-6納秒的信號驅(qū)動時，不管周期速率是多少，長僅6英寸的電路板軌跡變成了傳輸線。事實上，其創(chuàng)建了新的信號路徑。這些無形連接并沒有畫在示意圖上，然而卻為信號提供了以不可預測的方式相互影響的手段。

有時候，即使是探頭/儀器組合引入的錯誤也可能會給被測信號帶來重大影響。但是，通過對實測值應用“平方和的均方根”公式，可以確定被測器件是否接近上升時間/下降時間故障。此外，最新的示波器工具采用專用濾波技術，反嵌測量系統(tǒng)對信號的影響，顯示邊沿時間及其它信號特點。