1. 引言：采樣示波器的“捷徑”挑戰(zhàn)

當(dāng)傳統(tǒng)的實(shí)時示波器還在帶寬和測試精度上努力突破時，一種“不一樣”的示波器卻早就彎道超車，走上捷徑，甚至讓人懷疑其是否滿足被反復(fù)提及的奈奎斯特采樣定律？

帶寬帶寬，我分分鐘給你飆到100碼，不是，是100GHz！

垂直分辨率，我16位，兄弟你幾位？

——來自采樣示波器的挑戰(zhàn)宣言

上百GHz帶寬的采樣示波器，它的采樣率是多少？你一定會大吃一驚！以是德科技N1046A 電采樣示波器（模塊）為例，帶寬大于100 GHz，而它的硬件采樣率竟然只有250kHz！我們一直熟記的 2N 法則不適用了嗎？

圖1.1 N1046A 采樣示波器（模塊）核心指標(biāo)

小K 先不告訴大家答案，我們繼續(xù)往下看！

2. 更低的采樣率下實(shí)現(xiàn)更高的帶寬

在高速通信領(lǐng)域，信號的帶寬和采樣率是衡量示波器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。實(shí)時示波器雖然能夠捕捉單次事件，但在超高帶寬（如100 GHz以上）場景下，其采樣率和成本往往難以滿足需求。而采樣示波器（也稱等效時間采樣示波器）通過巧妙的技術(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了“低采樣率、高帶寬”的突破。

2.1核心技術(shù)：等效時間采樣原理

采樣示波器的核心在于等效時間采樣技術(shù)（Equivalent-Time Sampling）。與實(shí)時示波器不同，它并非連續(xù)采集信號，而是通過多次觸發(fā)逐步構(gòu)建完整波形。具體步驟如下：

重復(fù)信號觸發(fā)

采樣示波器要求被測信號具有重復(fù)性（如周期性時鐘或數(shù)據(jù)流）。每次觸發(fā)時，儀器在信號周期的不同時間點(diǎn)采集一個樣本點(diǎn)。例如：

?第一次觸發(fā)：在信號上升沿后1 ns處采樣；

?第二次觸發(fā)：在上升沿后1.1 ns處采樣；

?第N次觸發(fā)：在上升沿后1+(N-1)×Δt處采樣。

時間插值重建波形

通過多次觸發(fā)積累足夠多的樣本點(diǎn)后，儀器將這些點(diǎn)按時間順序排列，重建出完整的波形。由于每次采樣點(diǎn)的時間間隔Δt可以非常?。ㄆっ爰墸?，最終等效的采樣率可高達(dá)數(shù)百Gsa/s甚至Tsa/s。

圖2.1 等效采樣工作過程

因此，在等效時間采樣中，需要多次觸發(fā)事件才能構(gòu)建出完整的波形。其分辨率不像實(shí)時采集那樣受限于采樣間隔，而是受限于示波器時基電路的精度，而該電路的精度非常高。

2.2高帶寬實(shí)現(xiàn)：硬件架構(gòu)與信號處理

采樣示波器的高帶寬得益于其獨(dú)特的硬件架構(gòu)和信號處理技術(shù)：

高速采樣頭（Sampler）

?采樣示波器的核心是采樣頭，它使用隧道二極管或階躍恢復(fù)二極管（SRD）實(shí)現(xiàn)皮秒級的采樣窗口。

?例如，Keysight的N1046A 電采樣示波器帶寬高達(dá)100GHz，N1032X光采樣示波器采樣頭帶寬可達(dá)120 GHz，能夠捕捉信號中的高頻分量。

低噪聲與高分辨率

?采樣示波器通常采用高比特?cái)?shù)ADC（如12-16位），相比實(shí)時示波器的8-10位ADC，能提供更精細(xì)的垂直分辨率。

?TDR可以通過多次采樣平均，進(jìn)一步降低噪聲，實(shí)現(xiàn)亞毫伏級的測量精度。

時鐘恢復(fù)與同步

?需要外部同步時鐘或內(nèi)置時鐘恢復(fù)模塊（如Keysight的N107XB）確保采樣點(diǎn)與信號嚴(yán)格對齊。

?高穩(wěn)定度的時基（如Keysight DCA-X的<100 fs抖動）是保證測量精度的關(guān)鍵。

答案揭曉

不是奈奎斯特定理不適用了，而是等效時間采樣通過多次觸發(fā)重建波形，本質(zhì)是‘采樣時間換精度’，不違背奈奎斯特定理對單次采樣的要求，但突破了實(shí)時采樣的帶寬限制。

2.3對比分析：采樣示波器 vs 實(shí)時示波器

是德科技高端示波器可分為兩類：UXR系列實(shí)時示波器和DCA-X系列等效時間（或采樣）示波器。下表重點(diǎn)對比了這兩類示波器的差異。

2.4核心應(yīng)用場景

高速通信測試

?例如800G/1.6T以太網(wǎng)、128G Fibre Channel等，需要>59 GHz帶寬分析信號完整性。

?Keysight DCA-X系列通過模塊化設(shè)計(jì)（如N1046A 電模塊, N1032A光學(xué)模塊）支持此類測試。

眼圖與抖動分析

?采樣示波器的低噪聲特性（如90 fs抖動）使其成為抖動分析的黃金標(biāo)準(zhǔn)。

TDR阻抗測試

?采樣示波器結(jié)合TDR模塊（如Keysight N1055A）可實(shí)現(xiàn)皮秒級上升沿的阻抗測量。

2.5局限性與挑戰(zhàn)

盡管采樣示波器性能卓越，但也有其局限性：

?無法捕捉單次事件：如電源毛刺或突發(fā)錯誤；

?依賴時鐘恢復(fù)：非周期信號看不到眼圖；

3. 結(jié)語：采樣示波器的技術(shù)價值

采樣示波器通過等效時間采樣、高速采樣頭和低噪聲設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了超高帶寬與高精度的平衡，成為高速通信、數(shù)據(jù)中心和AI集群測試的核心工具。

是德科技作為采樣示波器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，提供一系列 DCA 采樣示波器解決方案，包括：

DCA-X 系列：

高性能采樣示波器平臺，例如N1032B支持高達(dá)120 GHz的帶寬和多達(dá)16個通道，N1046A 支持高達(dá)100GHz的帶寬和多達(dá)32個通道。

DCA-M 系列：

經(jīng)濟(jì)型采樣示波器，適用于制造和研發(fā)應(yīng)用。

時鐘數(shù)據(jù)恢復(fù)系列：

用于精確恢復(fù)時鐘信號，并進(jìn)行抖動分析。

FlexDCA 軟件：

用于控制和分析 DCA 采樣示波器的軟件平臺，提供多種軟件工具，例如 FlexEye、FlexPLL 和 FlexRT 等。

FlexOTO 軟件：

用于創(chuàng)建高通道數(shù)的測試系統(tǒng)，提高測試效率和硬件利用率。

DCA 合規(guī)測試軟件：

用于驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合 IEEE、OIF-CEI 和 Fiber Channel 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖3.1 是德科技DCA (采樣示波器)產(chǎn)品圖

關(guān)于是德科技

是德科技（NYSE：KEYS）啟迪并賦能創(chuàng)新者，助力他們將改變世界的技術(shù)帶入生活。作為一家標(biāo)準(zhǔn)普爾 500 指數(shù)公司，我們提供先進(jìn)的設(shè)計(jì)、仿真和測試解決方案，旨在幫助工程師在整個產(chǎn)品生命周期中更快地完成開發(fā)和部署，同時控制好風(fēng)險。我們的客戶遍及全球通信、工業(yè)自動化、航空航天與國防、汽車、半導(dǎo)體和通用電子等市場。我們與客戶攜手，加速創(chuàng)新，創(chuàng)造一個安全互聯(lián)的世界。