混合信号示波器（MSO）解决了一个基本的难题：逻辑分析仪具有大量的输入通道，但是并不提供模拟分析能力，并且通常难以使用。相比而言，示波器的操作就很直观，但是示波器的通道又不超过4个。MSO则以与示波器相似的形式同时提供了模拟和数字通道。
MSO这个名称最早是由安捷伦（Agilent）公司在10年前MSO刚推出的时候启用的，当时安捷伦公司还是惠普（Hewlett-Packard）公司的一部分。这种仪器集成了2路或4路传统的示波器通道，以及16个逻辑定时通道。当今的工程师和技术员应该感到庆幸的是，术语MSO已经随处可见，耳熟能详。
例如，力科（LeCroy）公司就为自己的WaveSurfer Xs和WaveRunner Xi系列产品提供MS系列MSO选件；横河（Yokogawa）公司没有使用专用的名称，而是直接将DL9710L型作为混合信号示波器；泰克（Tektronix）公司则在其型号名称中增加了MSO前缀。就像该公司已由的TDS和DPO系列产品一样，现在又有了MSO4000系列产品。
除了术语类似之外，用户在所有品牌的MSO中会发现什么共同的特性呢？在主要的4家示波器厂家的产品中，有着明显的相似性，例如图1所示的细节程度，但是依然存在重要的差异。
图1. 具有数字和模拟通道、串行总线解码和折叠总线功能的混合信号屏幕
寻求平衡
厂家一致认为MSO并不是一种逻辑分析仪。例如，泰克公司的资深市场经理Chris Loberg表示：“当今的逻辑分析仪能够采集100个以上的通道，从而应对独特的设计挑战，但是可能需要几个小时的时间进行设置。对于MSO来说，重要的是必须认识到，对于大多数工程师来说，它是一款可快速用于重要而简单的设计验证任务的仪器。”
显而易见，100个通道确实是太多了，但是用户真正需要多少路数字通道呢？安捷伦公司依然提供16路通道，和第一款MSO上的通道数相同；泰克提供16路通道；尽管力科公司的MS-500-36选件是一款36路通道的型号，但其主流提供18路通道；横河则标配32路通道。
数字通道可被分组为总线进行显示和触发。一个非常方便的功能是能够将一路指定的通道分到多个组中。这样用户就能够将多路通道的时序与一路共用信号进行比对。
将几路相关联的通道作为一路折叠总线进行观察，大大简化了多个并发轨迹的显示，并且不丢失信息。横河公司在一组数字通道上提供了一种非常有用的计算DAC功能，可产生一个多电平波形，它表示连续的数字总线值。泰克则提供多通道设置，并支持并行总线的验证。
串行总线解码和触发是首先被应用于MSO所基于的DSO上的重要功能。在全部4个厂家的基本DSO和衍生出的MSO上均可利用一个或多个模拟通道来实现这一目的。能够处理的总线类型包括I2C、CAN、SPI、UART、RS-232、FlexRay和LIN。并不是所有的厂家都能提供所有类型的总线，并且不同厂家提供的单个选件中所包括的总线类型也是不同的。
和安捷伦公司的MSO一样，力科的MS系列MSO也能够对数字通道执行所有的串行总线解码和触发功能。横河很快将提供对I2C和SPI总线的解码和触发功能。泰克的MSO和DSO在这点上没有区别。
20或更多路通道可作为状态和模式触发进行触发。例如，根据安捷伦公司Infiniium 8000系列的产品说明：“对于可被用于进行特定模式或状态触发设置的模拟和数字通道的组合没有任何限制。”
然而，全部4个厂家的产品说明的共同点是缺少关于数字和模拟通道之间的相互影响的详细说明。清晰的说明有助于确定什么可以做，什么不可以做，就向安捷伦的说明一样。
操作
尽管所有的MSO都提供了关于数字和模拟通道之间定时关系的宝贵信息，但是用户需要考虑的操作限制很少。MSO也就是增加了更多数字通道的示波器：集成增加的更多通道彻底改变了一切。
理想情况是，一台MSO提供至少20路尽量一致的通道。模拟通道需要一个具有高阻抗的灵敏前置放大器，以及一个快速的高分辨率ADC；数字通道必须具有足够的带宽和一个高速比较器。目的是创建一种架构，使ADC和比较器之后的数据信号能够得到相当的处理。唯一的不同点是数字输入的分辨率为1 bit，而模拟通道的分辨率为n bit。
在当今的MSO中，数字输入和模拟输入具有不同的特性。最大允许电压范围从泰克产品的 ±15 V，到安捷伦产品的 ±40V 峰值，CAT I。CAT I 安全等级表示瞬态过压能力，在横河的 ±40V额定值中不具备这种能力。力科MS-500的最大额定等级为 ±30 V。
输入阻抗通常也与模拟通道的1 MΩ不同。泰克的技术指标为20 kΩ，安捷伦为100 kΩ//8 pF，力科为100 kΩ//5 pF。横河提供了具有1 MΩ//10 pF阻抗的100 MHz带宽701980型探头。 250 MHz的701981型探头的技术指标为10 kΩ//9 pF。
带宽也各有不同。安捷伦和泰克技术指标规定能够捕获的最小宽度脉冲分别为：泰克为1.5 ns，安捷伦Infiniium 8000系列为2.5 ns。这种宽度分别对应大约330 MHz和200 MHz带宽。
力科提供三款MS系列型号。MS-500有18路通道和500 MHz带宽，最大采样率为2 GS/s；MS-500-36的带宽也是500 MHz，但是最大采样率为1 GS/s，并且当使用两个18通道的探头时，存储器深度缩小为一半；第三款型号为MS-250，其带宽为250 MHz，最大采样率为1 GS/s，每通道仅有10 M点的存储器深度，而MS-500和MS-500-36型的存储器深度为50 M点。
有各种标准的逻辑种类门限可供选择，用户还可根据需要编程自定义的门限值。对于安捷伦、横河和力科的MSO，每个逻辑探头只能选择一个门限值；泰克的产品支持按通道选择门限或编程。
除了这些细节的硬件区别外，所有的MSO架构在模拟和增加的数字通道之间都存在隔离缝。图2所示的简化结构图能够说明一台MSO的不同部件，但是并未能说明其相互影响的详细信息。致于用户能够注意到隔离缝的程度，以及它引起的问题，则取决于特定的MSO型号和使用方式。有许多技术因素均值得商酌，但此处着重介绍更加基础的几项。
图2. MSO的结构简图
混合采样率
例如，一台MSO如何处理混合采样率呢？如果用户同时显示模拟通道和数字通道信号，当将模拟采样率增大至超过最大数字采样率时，会发生什么现象？这是泰克、安捷伦 Infiniium和力科的MSO共有的问题。横河DL9710L的模拟和数字通道维持相同的最大采样率，以及所有的通道共用一个6.25 MW深度的存储器。
MSO的模拟和数字通道总是采集相同的时间。对于实现例如一致缩放这样的操作，一种方式就是采用横河的方法，只需数字通道和模拟通道采用相同的存储长度、相同的采样率。如果采样率不同，则可以选择另一种方式，但是仍然采用相同长度的存储器。
安捷伦的Infiniium 8000系列MSO的数字通道采样率最大为1 GS/s，模拟通道为2 GS/s或4 GS/s。6000系列MSO对一个逻辑探头的8个通道采样时为2 GS/s，当多于8个通道是为1 GS/s。6000系列的模拟和数字通道共享存储器，但是Infiniium 8000并非如此。对于这两个系列的示波器，数字和模拟通道捕获信号的时间量是相等的，并且模拟和数字存储器长度之间的关系是根据需要自动调整的。
在泰克MSO4000系列中，数字通道的采样率最大为500 MS/s。MSO4104的模拟通道采样率最大为5 GS/s。对于所有通道类型，最大存储器长度均为10 MW/通道。
然而，如果同时采集模拟通道，并非所有的数字存储器长度均可被用于高时基设置。当模拟通道的采样率为5 GS/s时，填满10 MW的存储器需要2秒的时间，在其期间，当数字通道采样率为500 MS/s时，仅能捕获1 MW的数字数据。
力科的MS-500逻辑探头输入采样率为最大2 GS/s。WaveSurfer Xs和WaveRunner Xi均可选用MS-500选件，其模拟通道采样率分别高达5 GS/s或10 GS/s。
假如同时显示采样率为 5GS/s的模拟通道和 500 MHz的数字通道，将会观察到什么？回答这一问题需要稍微跑题一下。4个厂家的MSO组合在采样率、采集存储器长度和水平放大方面都存在变化，以达到高达200 ps/div的复合最大时基速率。
200 ps/div的时基设置在5 GS/s速率下仅相对应1采样/格。波形的其它99%都是采用内插获得的。采用XGA显示屏的新DSO通常在最高的时基设置下可显示100点/格。基于100 点/格，采样率为5 GS/s的MSO的最快未扩展时基速率为20 ns/div。
这一时基对应一次1,000个点的捕获，对安捷伦产品来说为8000点，因为其最大采样率为4 GS/s。捕获时间越长，所需的时间也越长，自然就会影响限制波形的刷新率。当捕获的数据被压缩显示时，时基必须进行相应的缩放。例如，为了显示采样率为 5 GS/s的全部1 M个点，就需要20 μs/div的时基设置。这种情况下的波形刷新率从来不会超过5,000/s。
所以，在最大20 ns/div的时基设置下，泰克的MSO4104数字通道将显示10个采样点/格；安捷伦的Infiniium在1 GS/s的采样率下显示20个数据点；力科的数字通道以及安捷伦6000系列的数字通道在20 GS/s的采样率下显示40个数据点，横河示波器在2.5 GS/s采样率下显示50个数据点。此时以及在更快的时基设置下，可以采取一些手段，例如内插或重复采样值，将真实的采样点连接起来。
通道之间的偏移
所有的现代DSO，包括主要厂家的MSO，都能够对模拟通道进行去偏移。通过调用与探头或通道相关的数值，或者手动输入定时校正值，就能够将全部4个输入通道和探头之间的传输延迟差调零。相反，有些MSO并不支持数字通道的去偏移。
力科公司现场应用工程师Mike Hertz介绍说：“数字通道和模拟通道均能以0.5 ps的分辨率进行去偏移控制。每个模拟通道的通道菜单中都提供了本身的去偏移控制。例如，用户可将通道1的去偏移控制设置为相对数字通道 +2.4 ns，将通道3设置为-1.5 ps，将通道4设置为 +100.5 ps。”
“数字通道已经是相匹配的，无需相对于彼此进行去偏移。与采集同步沿时的定时分辨率相比，这些匹配通道之间的偏移变化可忽略不计。”他解释说。
横河公司测试和测量部门的产品经理Joseph Ting介绍：“在DL9710L中，逻辑通道之间的偏移可忽略不计。然而模拟和逻辑通道之间的偏移一般大约为2、3 ns。所以，DL9710L提供了一种偏移调整功能，能够以10 ps的分辨率进行高达80 ns的去偏移，从而将模拟和逻辑通道同步。”
泰克的技术指标说明，在工厂校准过程中已经将通道的去偏移调整为了非常严格的容差，数字通道的偏移典型值为1 ns。这一程序可确保数字通道与采集和触发系统同步。
相比而言，安捷伦说明数字通道之间的偏移典型值为2 ns，最大为3ns。用户能够调整模拟通道之间的偏移，以及模拟通道和数字通道之间的偏移，但是不能调整数字通道本身的偏移。
由于通道和通道之间的偏移要直接加到（或从中减去）数字信号中实际存在的定时关系中，所以非常重要。例如，如果用户需要了解100 MHz逻辑电路的竞态条件，基本的时钟频率以及从其产生的所有信号都相对较慢。
然而，竞态是由于传输延迟差引起的，并且在100 MHz系统中可轻松达到1 ns或更小。如果探测被影响信号的数字通道探头本身的偏移有1 ns或更高，则没有办法能够解决竞态条件。这是一项基本的限制。更加可行的方法是使用一对时序严格一致的模拟通道进行进一步的调查。
隔离采集模式
Tektronix MSO4104提供了一种高速MagniVu采集系统，它能够以触发事件为中心自动捕获每个数字通道的10,000个点。利用这一功能，用户就能够更加细微地检查逻辑通道时序，尤其在以500 MS/s采样时几乎是同时发生的跃迁信号。最高采样率为16.5 GS/s，或者说没60.6 ps采样一次。
如果4000系列数字通道的传输延迟的时间和温度稳定性足够好，MagniVu就是查找信号漂移的理想工具。它能够非常详细地显示相对信号时序的变化。
MSO能够在内部异步时基的信号沿同时采集模拟和数字通道。这意味着，在慢的时基设置下，偏移总有可能造成数字信号像发生在一个完整时基时钟之前或之后。当偏移降低时，发生这种现象的机会将减小。MagniVu技术能将这一概率降至最低。
除了具备诊断故障的洞察力之外，MSO还支持外部时钟定时。逻辑状态显示说明具备这种模式。然而，状态信息通常源自于时序数据，并非来自于独立的同步采集。当状态数据被同步采集，而非时序信息被异步采集时，由于状态在被采集时是稳定的，所以小量的通道和通道间偏移就变得不那么重要。
LeCroy WaveSurfer Xs和WaveRunner Xi均可通过辅助输入使用外部时钟信号。所以，在理论上讲，基于这些仪器的MSO能够执行真正的状态分析。横河公司的DL9000系列示波器可通过通道4使用外部时钟信号来限定由模拟通道1到3上的信号组合形成的状态触发。不清楚对DL9710L逻辑通道采用这种功能进行真正的同步状态采集时是什么情况。
刷新率
很容易理解，高波形采样率会提高捕获间歇性事件的机会。快的刷新率意味着示波器花费较多的时间进行采集和显示信号，花费较少的时间进行内部处理，例如数据传输和重新准备。它大部分的时间在捕获信号，所以能够发现更多的异常。那么什么有利于高刷新率，或者说什么会影响高刷新率呢？
很少采用专用的硬件来提高速率。正如安捷伦公司6000和8000系列的产品经理Joel Woodward所说：“安捷伦公司采用了基于硬件的串行总线解码技术。泰克和力科均采用基于软件的解码，所以，对于串行总线解码的长存储器采集来说，刷新率很慢。相反，安捷伦的刷新率能够保持在100,000波形/秒”。
图3所示为亚稳态波形细节，只有采用高波形刷新率才能够捕获。
图3. 采用高波形刷新率捕获的罕有亚稳态
横河公司的Ting证实，DL9710L型MSO将很快提供逻辑通道输入的串行总线触发功能。尽管该MSO采用了硬件串行总线解码，但DL9710L的技术数据表中说明其刷新率为15波形/秒。
在谈到串行总线解码/触发时，不要忘了用户并不希望使用特定的数字通道功能，即使是现成的。例如。大多数MSO能够对来自于数字通道的串行总线信号进行解码。但是，信号通道仅显示与信号源的单端连接。有些串行总线，例如CAN总线，需要进行差分测量，所以需要使用合适的差分探头连接到一个模拟通道来直接测量总线。
另一种形式的MSO
如果您喜欢MSO的功能，但是可能需要6个模拟通道和多于16个甚至36个数字通道，为什么不能利用模块化仪器搭建一台定制MSO呢？例如，除了同步模拟和数字输入通道外，基于PXI的系统可提供同步输出来激励被测设备（DUT），内置深度存储器，PXI Express总线的高数据传输率，以及几乎不受限制的扩展能力。
NI公司负责高速数字I/O的产品经理Scott Savage介绍了一些PXI的功能：“PXI的所有通道使用相同的时钟，确保模拟和数字的同步接近20 ps。输出信号采用相同的亚纳秒同步，并且可根据引用量身定制系统。”
一套典型的NI系统可能包括一个PXI控制器和多块PXI-5152双通道、2 GS/s数字化仪和PXI-6552型100-MHz、20通道数字I/O模块，这取决于所需通道的数量。总的测试系统功能是由定制的LabVIEW程序决定的。当然，采用自己的测试程序还意味着能够直接解决所有的特殊计算，或者报告产品需求，而这是传统MSO所不具备的。
如果您的应用需要以高于MSO的8 bit的分辨率采集几个模拟通道，那么基于GaGe公司Octopus CompuScope的系统可能更合适。Octopus是一款8通道数字化仪，能够在12或14 bit的分辨率下以125 MS/s的速率对输入波形进行采样。该产品支持高达4 GB的采集存储器。模拟通道数量、分辨率、存储器长度的这种组合是任何MSO所不具备的。
和NI公司一样，GaGe公司的产品可同步数字和模拟通道。具有2 GB存储器的CompuScope CS3200数字输入卡可为多达32个通道提供高达100 MS/s的采样率。支持数值和模拟通道触发，但是通常和集成式MSO仪器不一样，它不以相同的电平进行触发。不过，非常大的内置存储器减小了对复杂触发条件的需求。
结论
随着近期几款型号的推出，MSO的竞争力已经有了提高。这不仅意味着为用户提供了更多选择，而且证明了这类仪器的有效性。混合信号电路和设备已经准备好了，采用这一新的仪器类型来解决混合信号设计和开发的特殊需求，也只是很自然的事情。
总体而言，DSO和MSO在采集模式的数量和类型、触发条件、信号分析功能，以及显示能力，例如折叠总线和PreVu，以及缩放功能，等方面已经具有极大的通用性，如图4所示。
图4. 状态、RS-232和并行总线视图，PreVu和缩放
这些产品的功能是如此丰富，以至于合理规模的数据表不能更加详细地说明可用的功能，甚至都不能说明很有意义的功能。例如，MagniVu是一种从泰克的逻辑分析仪移植过来的MSO功能。相类似，安捷伦的FPGA动态探头功能源自于逻辑分析仪功能。
如果要充分地评估一款仪器的功能特性，您需要利用一周或两周的时间来检查混合信号应用总更具挑战性的工作。要多次阅读仪器的技术数据表，但手头仍然需要保存厂家的技术帮助热线号码。您会用到的，尤其是您希望了解更加复杂的触发和采集模式的限制详情时。
如果您仍然找不到合适的技术指标组合，模块化仪器也许能满足需求。每一代的MSO产品都会出现新的功能，以及特性组合，从而扩展了可满足应用的范围。尽管如此，定制设计的模块化仪器可能会更适合于您的应用需求。
更多详情
安捷伦（Agilent ）公司
6000 系列和Infiniium 8000 系列 MSO
www.rsleads.com/707ee-178
GaGe公司
Octopus CompuScope Board
www.rsleads.com/707ee-179
NI（National Instruments）公司
PXI-5152 数字化仪
www.rsleads.com/707ee-180
力科（LeCroy）公司
MS-500 MSO
www.rsleads.com/707ee-181
泰克（Tektronix）公司
MSO4000 Series MSO
www.rsleads.com/707ee-182
美国横河（Yokogawa）公司
DL9710L MSO
www.rsleads.com/707ee-183
