本文摒棄了大部分指標(biāo)，從易用性角度介紹了Rohde & Schwarz RTO1024型示波器為什么能夠幫助使用者減少硬件開(kāi)發(fā)調(diào)試時(shí)的時(shí)間，以期收獲符合冰山理論的收益。

示波器除了作為參數(shù)和指標(biāo)的測(cè)量手段之外，更是平時(shí)進(jìn)行開(kāi)發(fā)調(diào)試的重要工具，所以按筆者的理解，對(duì)于用于Debug的測(cè)試平臺(tái)，示波器的易用性有著與示波器性能同等甚至更加重要的地位。在這一點(diǎn)上優(yōu)秀的示波器，對(duì)開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)所能提供的價(jià)值很可能符合冰山理論——水面下那90%的看不清道不明的問(wèn)題，能夠靠一臺(tái)優(yōu)秀的示波器來(lái)發(fā)現(xiàn)。所以，今天筆者就把易用性放在第一位，討論一下這款示波器在開(kāi)發(fā)調(diào)試過(guò)程中，如何快速有效的使用示波器調(diào)試。

1、軟件

1.1、基于觸摸屏的交互邏輯

首先是軟件的易用性帶來(lái)的影響。人機(jī)交互方面，軟件界面在交互性上是做的很好的主要體現(xiàn)在界面中各種信息的展現(xiàn)方式和交互邏輯，快捷鍵的設(shè)置位置，符合使用習(xí)慣。

如下圖所示：

可以看到，窗口擺放的自由度很高，不只有簡(jiǎn)單的4×1或者2×2這種表格形式堆疊，而是允許更多不同尺寸的窗口混拼，充分區(qū)分主要和次要的觀察對(duì)象。

至于右側(cè)的幾個(gè)方塊組成的豎向列表，除了用于顯示測(cè)量結(jié)果外，還可以放置實(shí)時(shí)刷新的波形， 這意味著，對(duì)于不需要一直保留，但又有可能多次喚出的觀察窗口，用戶(hù)可以將其放在右側(cè)的小方塊列表里最小化顯示，保留一個(gè)實(shí)時(shí)刷新的觀察窗，同時(shí)又幾乎不占用屏幕空間;當(dāng)需要仔細(xì)觀察時(shí)，將該方塊直接拖動(dòng)到屏幕上就可以觀察細(xì)節(jié)了。至于測(cè)量的結(jié)果(比如幅度的自動(dòng)測(cè)量)，同樣可以以一個(gè)小方塊的形式放置在右側(cè)，再也不會(huì)出現(xiàn)測(cè)試項(xiàng)和測(cè)試值遮擋測(cè)試波形的情況。大大提高了有效界面的利用。

當(dāng)然，很多信號(hào)分析軟件都有類(lèi)似的功能和界面，但R&S軟件界面的易用不僅僅體現(xiàn)在這個(gè)顯示界面，還體現(xiàn)在觸發(fā)這些界面的操作邏輯上。相比早期的觸摸屏示波器那塊只作為鼠標(biāo)替代品的觸摸屏，RTO的觸摸屏使用起來(lái)更像一塊大平板，下面以界面分屏框圖說(shuō)明：

上圖是將右側(cè)小窗口拖往屏幕顯示時(shí)，屏幕位置分布框圖?？梢钥吹酵蟿?dòng)時(shí)，屏幕被分割成了四個(gè)梯形和一個(gè)小方塊。事實(shí)上，將小窗口拖動(dòng)到這五個(gè)圖形的區(qū)域內(nèi)，會(huì)觸發(fā)不同的效果，拖動(dòng)到這五個(gè)區(qū)域的邊界線(xiàn)上，也會(huì)觸發(fā)不同的效果。

比如說(shuō)：

拖動(dòng)到左側(cè)和右側(cè)梯形：將小窗口并列放置在當(dāng)前窗口的左側(cè)或右側(cè)

拖動(dòng)到上側(cè)和下側(cè)梯形：將小窗口并排放置在當(dāng)前窗口的上側(cè)或下側(cè)

拖動(dòng)到上側(cè)邊界：將兩個(gè)窗口以標(biāo)簽頁(yè)切換形式共用當(dāng)前窗口

拖動(dòng)到中央的方塊內(nèi)：和當(dāng)前波形共用同一個(gè)窗口

拖動(dòng)到右邊欄：縮成小圖并根據(jù)放置在列表中拖動(dòng)停止的位置

拖動(dòng)到底邊：將當(dāng)前小窗口內(nèi)的波形數(shù)據(jù)作為x軸坐標(biāo)，大窗口數(shù)據(jù)作為y軸坐標(biāo)，繪制x-y圖(Lissajous曲線(xiàn)等)

此外，當(dāng)屏幕上已經(jīng)有多個(gè)區(qū)域時(shí)，每個(gè)區(qū)域都會(huì)分別分成的四個(gè)梯形和一個(gè)方形，結(jié)合預(yù)覽功能可以很方便準(zhǔn)確的完成多個(gè)波形的多層次擺放。實(shí)現(xiàn)屏幕上分屏顯示效果再也不需要復(fù)雜的菜單設(shè)置，靠簡(jiǎn)單拖動(dòng)的手法可能只要幾秒鐘。而且用戶(hù)能夠一眼掌握的內(nèi)容也比常見(jiàn)的界面豐富的多。

1.2、豐富的測(cè)量功能

上面談完了這款示波器的交互邏輯，下面來(lái)介紹快速的設(shè)置和測(cè)試測(cè)量分析。

首先是簡(jiǎn)潔明了的信號(hào)處理流程結(jié)構(gòu)框圖

我個(gè)人十分喜歡這個(gè)界面，與很多產(chǎn)品傳統(tǒng)的參數(shù)表格模式不同，這個(gè)框圖的布局跟示波器正常工作過(guò)程的流程是一致的，并且將參數(shù)設(shè)置環(huán)繞在對(duì)應(yīng)單元的旁邊，這對(duì)于基本功不扎實(shí)的新手十分有幫助，能減小選錯(cuò)配置的可能性。我相信大家常常會(huì)碰見(jiàn)不小心選錯(cuò)了輸入阻抗(50 ohms選到了1M ohms，甚至選到了GND)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不正確，或者是沒(méi)有搞清楚Offset和Position的區(qū)別，導(dǎo)致ADC被飽和。那么這種完整給出原理圖的界面就會(huì)減小犯這些錯(cuò)誤的概率。這個(gè)界面還有個(gè)妙處，就是將標(biāo)簽頁(yè)與標(biāo)簽頁(yè)之間的聯(lián)系也表現(xiàn)出來(lái)了，注意看上圖中偏右側(cè)的部分，可以看到一個(gè)Acquisition按鈕，點(diǎn)擊它和點(diǎn)擊頂上的Acqisition標(biāo)簽頁(yè)一樣都能轉(zhuǎn)向Acquisition界面。這樣，各個(gè)子系統(tǒng)之間的關(guān)系也表現(xiàn)出來(lái)了。

接下來(lái)我們就來(lái)看看的Acquisition界面。

這個(gè)界面所展現(xiàn)出來(lái)的一個(gè)很重要的優(yōu)勢(shì)在于，這臺(tái)示波器對(duì)每個(gè)通道可以同時(shí)顯示當(dāng)前通道在三種測(cè)量模式(普通模式，峰值檢測(cè)，高分辨率)下的波形，同時(shí)每個(gè)波形還允許套用一個(gè)自選的波形算法(比如對(duì)于峰值檢測(cè)模式，就可以套用一下包絡(luò)檢測(cè)或者幅度解調(diào)，直接將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)下的峰值包絡(luò)抽取出來(lái))。再?gòu)?qiáng)調(diào)一下，以上計(jì)算和顯示都是同時(shí)的，是對(duì)同一信號(hào)采取不同波形算法計(jì)算顯示的波形，便于更好的理解區(qū)分不同波形算法的含義。結(jié)合前面高自由度的波形顯示界面，這些結(jié)果都能夠同時(shí)顯示在屏幕上，主次分明，一覽無(wú)余。使用者再也沒(méi)有必要到處尋找復(fù)雜的菜單在各種抽取算法或者波形算法中設(shè)置相應(yīng)算法。

2、硬件

好的軟件界面需要靠好的硬件支撐，比如上面同時(shí)顯示一個(gè)通道的三種采樣模式外加三種波形算法的示例，如果沒(méi)有強(qiáng)大的算法硬件加速能力，而是交給CPU軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)的話(huà)，處理速度非常慢，基本是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)然，硬件的強(qiáng)大更多體現(xiàn)在一些指標(biāo)性的東西上，比如噪聲幅度等。然而，就像筆者前面說(shuō)的，本文的主旨是從易用性角度分析這臺(tái)示波器，所以與易用性無(wú)關(guān)的硬件改良我就先不涉及了。

2.1、全帶寬下輸入靈敏度仍然可以達(dá)到1 mV/div

有人可能會(huì)覺(jué)得，一上來(lái)就提了個(gè)似乎和易用性關(guān)系不大的硬件參數(shù)。然而，正是這個(gè)指標(biāo)的提升，使得很多小信號(hào)的測(cè)量變得十分簡(jiǎn)單。

以前，將示波器調(diào)整到較高的靈敏度時(shí)，往往會(huì)暴露幾個(gè)通病：有的是純數(shù)字放大，不提升信噪比;有的會(huì)自動(dòng)限制帶寬，高頻信號(hào)一下子就消失了;有的則顯現(xiàn)出了糟糕的基線(xiàn)漂移。

輸入靈敏度能提高，就需要有高增益的模擬信號(hào)放大器，而放大器增益變高，其帶寬就很容易受限制;除此之外小信號(hào)測(cè)量時(shí)的噪聲水平也是個(gè)關(guān)鍵。這些限制正是產(chǎn)生上面這些通病的原因。而羅德施瓦茨的這臺(tái)RTO則真正把這些限制都突破了，實(shí)現(xiàn)了全帶寬下1 mV/div的輸入靈敏度。所以現(xiàn)在，測(cè)量小信號(hào)時(shí)，幾乎不需要考慮任何的優(yōu)化，直接將輸入靈敏度調(diào)到最高即可。筆者認(rèn)為這正是對(duì)易用性的極大提升。

2.2、基于數(shù)字下變頻的快速傅立葉變換

各位可能有過(guò)這樣的經(jīng)歷：打開(kāi)示波器的頻譜分析功能，為了提高頻譜的分辨率(Resolution Bandwidth, RBW)而在不減小采樣率的情況下盡可能延長(zhǎng)采樣時(shí)間，直至內(nèi)存占滿(mǎn)，然后開(kāi)始漫長(zhǎng)的等待，過(guò)了十幾秒鐘終于看到頻譜刷新了一幀。頻譜分析處理速度之慢，不能實(shí)現(xiàn)快速測(cè)試分析。

通過(guò)基于硬件加速的數(shù)字下變頻功能，RTO將內(nèi)部頻譜分析采用DDC和overlap FFT先進(jìn)技術(shù)，快速準(zhǔn)確分析信號(hào)細(xì)節(jié)。數(shù)字下變頻的加入以及相應(yīng)的性能提升確實(shí)讓該示波器的頻譜分析功能變得十分實(shí)用。更值得一提的是，由于這一切都是基于實(shí)時(shí)的信號(hào)采集，信號(hào)的瞬態(tài)時(shí)域信息都被采集下來(lái)了，所以這并非一臺(tái)示波器和一臺(tái)頻譜儀的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是一臺(tái)能夠在時(shí)域和頻域進(jìn)行協(xié)同混合分析的設(shè)備，與泰克的混合信號(hào)示波器側(cè)重點(diǎn)不同，但卻有著異曲同工之妙。

下圖是一張頻譜分析功能的演示，采樣率是10 GSa/s，對(duì)應(yīng)的Nyquist頻率范圍就是DC - 5 GHz (不過(guò)，當(dāng)前這臺(tái)示波器的標(biāo)稱(chēng)帶寬是2 GHz，RTO系列最大能到4 GHz)，設(shè)定的RBW最小可以達(dá)到300 KHz(這個(gè)數(shù)值是很多真正的頻譜儀的默認(rèn)值，在當(dāng)前這個(gè)頻率范圍下已經(jīng)相當(dāng)實(shí)用)。上述這些設(shè)置，在傳統(tǒng)的示波器上，，刷新速率是相當(dāng)慢。但是在RTO上，卻能夠做到準(zhǔn)實(shí)時(shí)刷新，配合小信號(hào)模式下較低的Noise Floor (RBW = 300 KHz時(shí)，Noise Floor在-95 dBm左右)，甚至可以在一定程度上代替實(shí)時(shí)頻譜儀。

2.3、10 GSa/s的單核ADC帶來(lái)的純凈頻譜

大家都知道，高速ADC的一種常見(jiàn)結(jié)構(gòu)是將多個(gè)模擬帶寬較高，但是采樣率較低的Time interleaved ADC 連接在一起，彼此錯(cuò)開(kāi)一點(diǎn)時(shí)間進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)較高的采樣率(比如250 MSa/s的ADC，320個(gè)放在一起，每個(gè)錯(cuò)開(kāi)12.5 ps采集，就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)80 GSa/s的采樣頭)。這種做法有一個(gè)很明顯的缺點(diǎn)：由于這些ADC本身的不一致性，采樣結(jié)果本身在交界處容易出現(xiàn)偏差，而這一偏差會(huì)以250 MHz ×N 為周期重復(fù)，在頻譜上就表現(xiàn)為，從直流開(kāi)始，每隔250 MHz，就會(huì)有一個(gè)諧波出現(xiàn)，直到40 GHz的Nyquist頻率。于是在小信號(hào)測(cè)量時(shí)，頻譜變得就像是梳狀譜，信號(hào)很容易被同頻的干擾掩蓋。事實(shí)上，這給調(diào)試工作帶來(lái)了極大麻煩，很多時(shí)候?yàn)榱藚^(qū)分一個(gè)頻率點(diǎn)是來(lái)源于干擾還是示波器本身，就比較難以分辨。

為了避免這一問(wèn)題，羅德施瓦茨使用了單個(gè)采樣率達(dá)到10 GSa/s的單核ADC來(lái)采集信號(hào)。底噪做的更低，雜散波分量較小。

如下圖為測(cè)試單音10M的信號(hào)，示波器開(kāi)在1 mV/div檔上，頻譜分析功能的參數(shù)和上面一樣。

除此之外，還有其他的一些硬件功能上的改良，比如百萬(wàn)波形捕獲率的實(shí)現(xiàn)，或者是數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的引入，觸發(fā)抖動(dòng)最小可以到50ps。這些功能有的并非獨(dú)有，有的官方已經(jīng)重點(diǎn)宣傳，在這里就不予展開(kāi)了。

3、結(jié)語(yǔ)

本文分別從軟件和硬件方面分別作了分析，介紹RTO示波器在使用操作上的便捷性?？傮w來(lái)說(shuō)，羅德施瓦茨的RTO系列示波器延續(xù)了德國(guó)人一貫的扎實(shí)作風(fēng)，并從軟件和硬件兩方面顯著提升了示波器作為調(diào)試設(shè)備時(shí)的易用性，不失為讓人激動(dòng)的佳作。