示波器的用途并不僅限于電子領域。在安裝適當的傳感器時示波器可以測量各類現象。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，它把聲音轉換成電信號。圖1說明了示波器可以采集的科學數據實例。

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據與來自發動機控制單元的串行數據關聯起來。醫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。

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信號完整性的意義

對任何優秀的示波器系統來說，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、不確定的信號發生在高速電路中，RF設計人員還不用擔心這些問題。數字系統開關速度慢，信號以可預測的方式穩定。

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字方式，類似地要求大規模的帶寬。數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)的速率處理數據，某些DDR3存儲設備則使用2 GHz以上的時鐘及上升時間為35pS的數據信號。

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。

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為什么信號完整性是一個問題？

讓我們看一下當前數字設計中信號劣化的部分具體成因。為什么現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”，保持可以接受的數字信號完整性只需注意細節就可以了，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。基于這一原因，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計算的依據。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，反嵌測量系統對信號的影響，顯示邊沿時間及其它信號特點。

同時，預計的信號路徑并沒有以預計的方式工作。地平面和電壓層(如上述信號軌跡)變成電感，工作方式類似于傳輸線，電源解耦的效果大大降低。EMI上升，因為邊沿速度越快，相對于總線長度產生的波長越短，串擾越高。

此外，快速邊沿速度要求整體更高的生成電流。更高的電流一般會導致地電平彈跳，特別是在一次開關多個信號的寬總線上。而且，更高的電流會提高輻射的磁能量及串擾。

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觀察數字信號的模擬原源

這些特點有哪些共同點呢?它們都是典型的模擬現象。為解決信號完整性問題，數字設計人員需要步入模擬領域。為邁出這一步，他們需要工具能夠顯示數字信號和模擬信號怎樣相互影響。

圖2. 顯示波形的X，Y和Z成分

數字錯誤通常源于模擬信號完整性問題。為追蹤數字問題的成因，通常必需打開示波器，示波器可以顯示波形細節、邊沿和噪聲，可以檢測和顯示瞬態信號，可以幫助您精確地測量定時關系，如建立時間和保持時間。通過觸發并行或串行數據流中的具體碼型，顯示在時間上與指定事件對應的模擬信號，現代示波器可以幫助簡化調試過程。

了解示波器內部的每個系統及怎樣應用這些系統，有助于有效地應用示波器，處理具體的測量挑戰。

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