作者：王梓翔

中國科學技術大學

ScopeArt按語：

王老師是我見過的最狂熱的電子測量儀器的“發燒友”。他對每家示波器的最細節的功能都了如指掌，而且能客觀全面忠實地做出評估。

羅德與施瓦茨（R&S）示波器帶有鮮明的德國工程師的設計風格，對于發燒友來說會成為一種偏愛。第一次收到這篇文章我很吃驚，沒想到我們沒有派任何應用工程師去王老師現場，他將R&S示波器就玩得這么透了。

我們開始并不敢發表此文，怕引起不必要的誤會。但想到王老師那單純的出于對儀器的熱愛的熱情，我們還是秉直地堅持發表此文以回應這樣真正的正直的熱情！

ScopeArt先生一直認為操作的易用性既是主觀的也是客觀的，某些操作特點天生就具有人見人愛的屬性，譬如觸摸屏操作，波形拖拉; 而某些操作特點就會帶有先入為主的習慣屬性— 我就覺得這個車子嘛，它的方向盤在左邊好,  所以您可能覺得觸發的操作按鈕就該擺在過去你用的那臺示波器的那個位置上:-) 

且看王老師是如何評價的。

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本文摒棄了大部分指標，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發調試時的時間，以期收獲符合冰山理論的收益。

示波器除了作為參數和指標的測量手段之外，更是平時進行開發調試的重要工具，所以按筆者的理解，對于用于Debug的測試平臺，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。在這一點上優秀的示波器，對開發環節所能提供的價值很可能符合冰山理論——水面下那90%的看不清道不明的問題，能夠靠一臺優秀的示波器來發現。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發調試過程中，如何快速有效的使用示波器調試。

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的影響。人機交互方面，軟件界面在交互性上是做的很好的主要體現在界面中各種信息的展現方式和交互邏輯，快捷鍵的設置位置，符合使用習慣。

如下圖所示：

可以看到，窗口擺放的自由度很高，不只有簡單的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，充分區分主要和次要的觀察對象。

至于右側的幾個方塊組成的豎向列表，除了用于顯示測量結果外，還可以放置實時刷新的波形， 這意味著，對于不需要一直保留，但又有可能多次喚出的觀察窗口，用戶可以將其放在右側的小方塊列表里最小化顯示，保留一個實時刷新的觀察窗，同時又幾乎不占用屏幕空間；當需要仔細觀察時，將該方塊直接拖動到屏幕上就可以觀察細節了。至于測量的結果（比如幅度的自動測量），同樣可以以一個小方塊的形式放置在右側，再也不會出現測試項和測試值遮擋測試波形的情況。大大提高了有效界面的利用。

當然，很多信號分析軟件都有類似的功能和界面，但R&S軟件界面的易用不僅僅體現在這個顯示界面，還體現在觸發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替代品的觸摸屏，RTO的觸摸屏使用起來更像一塊大平板，下面以界面分屏框圖說明：

上圖是將右側小窗口拖往屏幕顯示時，屏幕位置分布框圖。可以看到拖動時，屏幕被分割成了四個梯形和一個小方塊。事實上，將小窗口拖動到這五個圖形的區域內，會觸發不同的效果，拖動到這五個區域的邊界線上，也會觸發不同的效果。

比如說：

   拖動到左側和右側梯形：將小窗口并列放置在當前窗口的左側或右側
   拖動到上側和下側梯形：將小窗口并排放置在當前窗口的上側或下側
   拖動到上側邊界：將兩個窗口以標簽頁切換形式共用當前窗口
   拖動到中央的方塊內：和當前波形共用同一個窗口
   拖動到右邊欄：縮成小圖并根據放置在列表中拖動停止的位置
   拖動到底邊：將當前小窗口內的波形數據作為x軸坐標，大窗口數據作為y軸坐標，繪制x-y圖（Lissajous曲線等）

此外，當屏幕上已經有多個區域時，每個區域都會分別分成的四個梯形和一個方形，結合預覽功能可以很方便準確的完成多個波形的多層次擺放。實現屏幕上分屏顯示效果再也不需要復雜的菜單設置，靠簡單拖動的手法可能只要幾秒鐘。而且用戶能夠一眼掌握的內容也比常見的界面豐富的多。

1.2、豐富的測量功能

上面談完了這款示波器的交互邏輯，下面來介紹快速的設置和測試測量分析。

首先是簡潔明了的信號處理流程結構框圖

我個人十分喜歡這個界面，與很多產品傳統的參數表格模式不同，這個框圖的布局跟示波器正常工作過程的流程是一致的，并且將參數設置環繞在對應單元的旁邊，這對于基本功不扎實的新手十分有幫助，能減小選錯配置的可能性。我相信大家常常會碰見不小心選錯了輸入阻抗（50 ohms選到了1M ohms，甚至選到了GND）導致測量信號不正確，或者是沒有搞清楚Offset和Position的區別，導致ADC被飽和。那么這種完整給出原理圖的界面就會減小犯這些錯誤的概率。這個界面還有個妙處，就是將標簽頁與標簽頁之間的聯系也表現出來了，注意看上圖中偏右側的部分，可以看到一個Acquisition按鈕，點擊它和點擊頂上的Acqisition標簽頁一樣都能轉向Acquisition界面。這樣，各個子系統之間的關系也表現出來了。

接下來我們就來看看的Acquisition界面。

這個界面所展現出來的一個很重要的優勢在于，這臺示波器對每個通道可以同時顯示當前通道在三種測量模式（普通模式，峰值檢測，高分辨率）下的波形，同時每個波形還允許套用一個自選的波形算法（比如對于峰值檢測模式，就可以套用一下包絡檢測或者幅度解調，直接將每個時間點下的峰值包絡抽取出來）。再強調一下，以上計算和顯示都是同時的，是對同一信號采取不同波形算法計算顯示的波形，便于更好的理解區分不同波形算法的含義。結合前面高自由度的波形顯示界面，這些結果都能夠同時顯示在屏幕上，主次分明，一覽無余。使用者再也沒有必要到處尋找復雜的菜單在各種抽取算法或者波形算法中設置相應算法。

2、硬件

好的軟件界面需要靠好的硬件支撐，比如上面同時顯示一個通道的三種采樣模式外加三種波形算法的示例，如果沒有強大的算法硬件加速能力，而是交給CPU軟件計算實現的話，處理速度非常慢，基本是無法實現的。

當然，硬件的強大更多體現在一些指標性的東西上，比如噪聲幅度等。然而，就像筆者前面說的，本文的主旨是從易用性角度分析這臺示波器，所以與易用性無關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到1 mV/div

有人可能會覺得，一上來就提了個似乎和易用性關系不大的硬件參數。然而，正是這個指標的提升，使得很多小信號的測量變得十分簡單。

以前，將示波器調整到較高的靈敏度時，往往會暴露幾個通病：有的是純數字放大，不提升信噪比；有的會自動限制帶寬，高頻信號一下子就消失了；有的則顯現出了糟糕的基線漂移。

輸入靈敏度能提高，就需要有高增益的模擬信號放大器，而放大器增益變高，其帶寬就很容易受限制；除此之外小信號測量時的噪聲水平也是個關鍵。這些限制正是產生上面這些通病的原因。而羅德施瓦茨的這臺RTO則真正把這些限制都突破了，實現了全帶寬下1 mV/div的輸入靈敏度。所以現在，測量小信號時，幾乎不需要考慮任何的優化，直接將輸入靈敏度調到最高即可。筆者認為這正是對易用性的極大提升。

2.2、基于數字下變頻的快速傅立葉變換

各位可能有過這樣的經歷：打開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采樣時間，直至內存占滿，然后開始漫長的等待，過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，不能實現快速測試分析。

通過基于硬件加速的數字下變頻功能，RTO將內部頻譜分析采用DDC和overlap FFT先進技術，快速準確分析信號細節。數字下變頻的加入以及相應的性能提升確實讓該示波器的頻譜分析功能變得十分實用。更值得一提的是，由于這一切都是基于實時的信號采集，信號的瞬態時域信息都被采集下來了，所以這并非一臺示波器和一臺頻譜儀的簡單結合，而是一臺能夠在時域和頻域進行協同混合分析的設備，與泰克的混合信號示波器側重點不同，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，對應的Nyquist頻率范圍就是DC - 5 GHz （不過，當前這臺示波器的標稱帶寬是2 GHz，RTO系列最大能到4 GHz），設定的RBW最小可以達到300 KHz（這個數值是很多真正的頻譜儀的默認值，在當前這個頻率范圍下已經相當實用）。上述這些設置，在傳統的示波器上，，刷新速率是相當慢。但是在RTO上，卻能夠做到準實時刷新，配合小信號模式下較低的Noise Floor （RBW = 300 KHz時，Noise Floor在-95 dBm左右），甚至可以在一定程度上代替實時頻譜儀。

2.3、10 GSa/s的單核ADC帶來的純凈頻譜

大家都知道，高速ADC的一種常見結構是將多個模擬帶寬較高，但是采樣率較低的Time interleaved ADC 連接在一起，彼此錯開一點時間進行采樣，實現較高的采樣率（比如250 MSa/s的ADC，320個放在一起，每個錯開12.5 ps采集，就實現了一個80 GSa/s的采樣頭）。這種做法有一個很明顯的缺點：由于這些ADC本身的不一致性，采樣結果本身在交界處容易出現偏差，而這一偏差會以250 MHz ×N 為周期重復，在頻譜上就表現為，從直流開始，每隔250 MHz，就會有一個諧波出現，直到40 GHz的Nyquist頻率。于是在小信號測量時，頻譜變得就像是梳狀譜，信號很容易被同頻的干擾掩蓋。事實上，這給調試工作帶來了極大麻煩，很多時候為了區分一個頻率點是來源于干擾還是示波器本身，就比較難以分辨。

為了避免這一問題，羅德施瓦茨使用了單個采樣率達到10 GSa/s的單核ADC來采集信號。底噪做的更低，雜散波分量較小。

如下圖為測試單音10M的信號，示波器開在1 mV/div檔上，頻譜分析功能的參數和上面一樣。

除此之外，還有其他的一些硬件功能上的改良，比如百萬波形捕獲率的實現，或者是數字觸發系統的引入，觸發抖動最小可以到50ps。這些功能有的并非獨有，有的官方已經重點宣傳，在這里就不予展開了。

3、結語

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。總體來說，羅德施瓦茨的RTO系列示波器延續了德國人一貫的扎實作風，并從軟件和硬件兩方面顯著提升了示波器作為調試設備時的易用性，不失為讓人激動的佳作。

對于該款示波器與競品的分析，以及如何降低示波器的購買預算，筆者近期即將發表另一篇相關文章，敬請關注。

來源：微信號“羅德與施瓦茨示波器”