示波器的選用方法

如何選用適合的示波器？對(duì)于很多工程師來(lái)講，從市場(chǎng)中上百款不同價(jià)格和規(guī)格的各種型號(hào)的示波器中，選擇一臺(tái)新示波器是一件很撓首的事情。本文就旨在指引你撥開(kāi)迷霧，希望能幫助你避免付出昂貴的代價(jià)。重中之重選擇示波器的第一步不是要看那些示波器的廣告和規(guī)格，而是要你花一些時(shí)間認(rèn)真地考慮一下你打算用來(lái)干嘛和用在什么場(chǎng)合。示波器你要用在什么地方（工作臺(tái)、客戶(hù)端還是在汽車(chē)罩下）？一次性需要同時(shí)測(cè)試幾個(gè)信號(hào)？你要測(cè)試的信號(hào)的最大和最小幅值？你要測(cè)試的信號(hào)的最高頻率是多少？你要測(cè)試的信號(hào)是重復(fù)還是單次激發(fā)信號(hào)？除了要時(shí)域顯示外，你是否還需要頻域顯示（頻譜分析）？根據(jù)以上的幾個(gè)問(wèn)題，你就可以開(kāi)始思考一下什么樣的示波器才是符合你要求的最佳選擇。模擬vs數(shù)字本文的重點(diǎn)是放在數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSOs），它們代表了現(xiàn)在在市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的大部分的示波器。在介紹如何選擇一臺(tái)數(shù)字示波器之前，我們很有必要先了解一下模擬示波器。我相信大部分的電子工程師都曾經(jīng)用過(guò)模擬示波器，并且對(duì)它的結(jié)構(gòu)和操作都很熟悉，但事實(shí)上，現(xiàn)在很多的人都會(huì)選擇購(gòu)買(mǎi)數(shù)字示波器來(lái)取代模擬示波器。盡管現(xiàn)在仍然還有一些工程師鐘愛(ài)于模擬示波器，但是已經(jīng)很少了，有一些是因?yàn)槟M示波器的部分特性是DSO無(wú)法超越的。如果你仍然對(duì)模擬示波器不舍，你會(huì)發(fā)現(xiàn)你的選擇將會(huì)很有限，現(xiàn)在只有很少的廠(chǎng)家還在做模擬示波器，幾款目前還在賣(mài)的型號(hào)都是基于一些很老的技術(shù)，而且性能也很有限。買(mǎi)一臺(tái)二手的模擬示波器最初看起來(lái)可能是一個(gè)很經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。但是購(gòu)買(mǎi)之前，先檢查一下備件是否可用，否則昂貴的維修費(fèi)用將會(huì)使你的購(gòu)買(mǎi)成為假節(jié)約。關(guān)于模擬vs數(shù)字示波器的爭(zhēng)論，現(xiàn)增加了其他一些準(zhǔn)則來(lái)衡量，DSOs：體積小，方便攜帶；有很大的帶寬；可單次激發(fā)；彩屏顯示；提供屏顯測(cè)量；有簡(jiǎn)單的用戶(hù)接口；提供存儲(chǔ)和打印功能現(xiàn)在的數(shù)字存儲(chǔ)示波器一般都是與PC連接的，可以完全集成在自動(dòng)測(cè)試儀器（ATE）系統(tǒng)中。另外，DSO還常用于高速信號(hào)采集系統(tǒng)前端，使每個(gè)通道花費(fèi)的代價(jià)更加經(jīng)濟(jì)可行。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自青華儀器儀表網(wǎng)-帶寬首先要考慮的參數(shù)是帶寬，帶寬可被定義為可通過(guò)前端放大器信號(hào)的最大頻率。因此，示波器的模擬帶寬必須大于你要測(cè)試信號(hào)的最大頻率（實(shí)時(shí)）。單是帶寬是不足以保證一臺(tái)數(shù)字存儲(chǔ)示波器能準(zhǔn)確地捕捉高頻信號(hào)，示波器廠(chǎng)商的目的是設(shè)計(jì)出一款特定頻率響應(yīng)的示波器，這個(gè)響應(yīng)被定義為最大平封延遲（MFED）。這種類(lèi)型的頻率響應(yīng)使上沖、下沖和振鈴最小，實(shí)現(xiàn)了出色的脈沖保真度。然而，因?yàn)閿?shù)字存儲(chǔ)示波器是由放大器、衰減器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、連接線(xiàn)和繼電器組成的，所以MFED響應(yīng)只能無(wú)限地接近，而不能完全達(dá)到。大部分的示波器廠(chǎng)商把帶寬定義為當(dāng)一個(gè)正弦波的輸入信號(hào)在示波器中衰減為它原來(lái)幅值的71%（-3dB點(diǎn)）時(shí)該正弦波的頻率，其實(shí)這種定義是沒(méi)什么意義的。或者換句話(huà)說(shuō)，帶寬就是允許輸入信號(hào)的顯示軌跡錯(cuò)誤地衰減了29%的頻率。也要記住這一點(diǎn)，如果你的輸入信號(hào)不是純正的正弦波，它會(huì)含有一些更高頻率的諧波。比如說(shuō)，一個(gè)20MHz的純正方波在20MHz帶寬的示波器顯示出來(lái)的是一個(gè)衰減過(guò)和失真的波形。作為一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則，盡可能購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)帶寬五倍于所要測(cè)試信號(hào)最大頻率的示波器，但是很不幸，高帶寬的示波器非常昂貴，因此你可能要在這方面作出妥協(xié)。部分示波器的標(biāo)定帶寬并不在所有電壓范圍內(nèi)有效，所以一定要仔細(xì)查看下示波器的規(guī)格說(shuō)明。采樣率選擇模擬示波器總是很簡(jiǎn)單的：只要帶寬能滿(mǎn)足你的要求就行了，但對(duì)于數(shù)字示波器，采樣率和存儲(chǔ)深度都是同等的重要。對(duì)于數(shù)字存儲(chǔ)示波器，采樣率常常是用兆樣本每秒（MS/s）和千兆樣本每秒（GS/s）表示。尼圭斯特準(zhǔn)則規(guī)定采樣率最少必須兩倍于你想要測(cè)試信號(hào)的最高頻率，對(duì)于頻譜分析儀這可能是足夠的，但是對(duì)于一個(gè)示波器，每個(gè)周期至少需要五個(gè)樣本才能準(zhǔn)確地重建波形。大部分的示波器都有兩個(gè)不同的采樣率（采樣模式）：實(shí)時(shí)采樣率和等效采樣率（ETS）——常稱(chēng)為重復(fù)采樣，這取決于你要測(cè)試的信號(hào)。然而，ETS只有當(dāng)你

要測(cè)試的是穩(wěn)定和重復(fù)的信號(hào)時(shí)才有用，因?yàn)檫@個(gè)模式是通過(guò)連續(xù)采集來(lái)重建波形的。圖1a：用50MHz采樣率采集20MHz的方波信號(hào)例如Pico科技12位的ADC-212/100以實(shí)時(shí)為100MS/s的采樣率采樣，或者對(duì)于重復(fù)信號(hào)，以5GS/s的采樣率采樣。圖1a顯示了用50MHz采樣率采集20MHz的方波信號(hào)，對(duì)比于圖1b顯示的同樣的波形用5GS/s采樣率來(lái)講，這基本上是無(wú)可辨別的。盡管5GS/s聽(tīng)起來(lái)很大，但是請(qǐng)記住如果你要測(cè)的信號(hào)是瞬間或不斷變化的（比如說(shuō)是一個(gè)視頻波形），那么用ETS將會(huì)無(wú)效，而你又必須依賴(lài)于實(shí)時(shí)（單發(fā)）帶寬，它的數(shù)值一般來(lái)說(shuō)都是低很多的。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自青華儀器儀表網(wǎng)-圖1b：用1GS/s采樣率采集20MHz的方波信號(hào)一個(gè)建議：示波器廠(chǎng)商都喜歡重點(diǎn)突出它們那些聽(tīng)起來(lái)最好的規(guī)格的，所以你可能需要仔細(xì)閱讀一下規(guī)格說(shuō)明，以便弄清楚其標(biāo)定的采樣率可應(yīng)用于所有信號(hào)還是只能用于重復(fù)信號(hào)，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)你將要購(gòu)買(mǎi)的示波器并不合用。

內(nèi)存深度內(nèi)存深度可能是DSO中最少被了解的一個(gè)參數(shù)，這對(duì)示波器來(lái)講是非常遺憾的一件事，因?yàn)樗且粋€(gè)很重要的參數(shù)。DSOs會(huì)在緩沖的內(nèi)存空間里存儲(chǔ)采集的樣本的，因此，如果采樣率固定的話(huà)，緩沖內(nèi)存的大小決定了在內(nèi)存滿(mǎn)之前示波器可以采集多長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)。采樣率跟內(nèi)存深度之間的關(guān)系是很重要的；當(dāng)一臺(tái)示波器擁有很高的采樣率但內(nèi)存卻很小時(shí)，它只能在其前面很短的時(shí)基上用全采樣率采樣。圖2a顯示了用1k的緩沖內(nèi)存采集的一段長(zhǎng)203的視頻波形，盡管示波器的采樣率可達(dá)到100MS/s，但是1k的緩沖內(nèi)存還是限制了采樣率只能為5MS/s（1k/200ps）。圖2a：用1k的緩沖內(nèi)存采集一段2003的視頻波形咋一看，這看起來(lái)已經(jīng)采集了令人滿(mǎn)意的波形了，然而當(dāng)波形要被放大到彩色突發(fā)信號(hào)（如圖2b）時(shí)，小緩存的限制還是會(huì)顯露出來(lái)的，彩色突發(fā)（在“階梯”的時(shí)基上擺動(dòng)部分）大概持續(xù)了5ms，所以在普通視圖中只能顯示內(nèi)存中的25個(gè)點(diǎn)，但是，當(dāng)我們要放大時(shí)這么少的點(diǎn)就要用來(lái)充滿(mǎn)整個(gè)屏幕。PkLGSEaiKUmWindows-|PkLGSEaiKUmWindows-|KI『11^1制1gm三三AjiZV|AC^j(k5B-OH3|ftCJr||onViiegiign43llcvphirtrdwilhIKbuHcr圖2b：當(dāng)波形要放大到彩色突發(fā)信號(hào)時(shí)，小緩存的限制顯露出來(lái)了圖2c顯示了同樣的視頻波形的彩色突發(fā)部分，但是是以128k的緩存的示波器來(lái)采集?，F(xiàn)在我們就有多達(dá)3000個(gè)點(diǎn)，就能有效地重現(xiàn)了彩色突發(fā)的部分，它們之間的差別太明顯了。圖2c：顯示同一個(gè)波形，這次是用128k的緩存大小現(xiàn)實(shí)中的例子要想弄清楚帶寬、采樣率和內(nèi)存深度之間的關(guān)系，這需要結(jié)合一個(gè)現(xiàn)實(shí)中的例子來(lái)看?，F(xiàn)在嘗試采集USB（1.1）一幀的數(shù)據(jù)，一幀的數(shù)據(jù)要持續(xù)1ms，數(shù)據(jù)以20MBPS的速度傳輸。為了簡(jiǎn)化我們的分析，我們可以設(shè)想成要采集12MHz的方波信號(hào)持續(xù)1ms。帶寬——為了測(cè)試12MHz的信號(hào)，我們至少需要12MHz的帶寬，然而用這個(gè)帶寬給出的是一個(gè)扭曲的信號(hào)，因此我們起碼需要至少為50MHz的帶寬才是合理的。采樣率一一為了重構(gòu)一個(gè)12MHz的信號(hào)，每個(gè)波形周期我們大約需要5個(gè)點(diǎn)，因此起碼需要60MS/s的采樣率內(nèi)存深度——為了采集1ms的60MS/s的數(shù)據(jù)，我們需要最小的內(nèi)存深度為60，000樣本分辨率與精度在數(shù)字電子中，一個(gè)信號(hào)變化了1%通常是不會(huì)有問(wèn)題的；但是在音頻電子中，0.1%的失真和噪音是不允許的。現(xiàn)在大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器在用來(lái)測(cè)試快速數(shù)字信號(hào)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化，提供了8位的分辨率（8位ADC），因此最好的情況下可以分辨0.4%的信號(hào)變化（如表）。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自青華儀器儀表網(wǎng)-8位的分辨率，可以把電壓范圍分成256個(gè)垂直階梯級(jí)（2人8=256），當(dāng)選擇±1V電壓范圍時(shí)，每一級(jí)對(duì)應(yīng)了大約8mV的電壓，對(duì)于觀(guān)察數(shù)字信號(hào)這可能是足夠的，但是對(duì)于觀(guān)察模擬信號(hào)似乎還不太夠，特別當(dāng)用頻譜分析功能時(shí)（如果有這個(gè)功能的話(huà)）。對(duì)于如音頻、噪聲、振動(dòng)和監(jiān)控傳感器（溫度、電流、壓力）等這樣的信號(hào)，一個(gè)8位的示波器常常是不合適的，你應(yīng)該考慮在12位或16位這兩者中選其一。對(duì)于一臺(tái)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的精度，這常常沒(méi)被重視的。你可以在相對(duì)較小的百分比上進(jìn)行測(cè)量（大多數(shù)8位的數(shù)字存儲(chǔ)示波器標(biāo)定為是3%到5%的精度），但是對(duì)于更多的精確測(cè)量，你應(yīng)該要達(dá)到萬(wàn)用表的精度。一臺(tái)更高分辨率的示波器，進(jìn)行更高精度的測(cè)量就變得有可能了（1%或者更好），因此沒(méi)必要用儀表測(cè)量。擁有高分辨率（12位或更多）和高直流精度的示波器其實(shí)就是所說(shuō)的高精度示波器——請(qǐng)看我們這個(gè)應(yīng)用筆記高分辨率示波器和FFT頻譜分析儀。觸發(fā)功能一臺(tái)示波器的觸發(fā)功能同步于信號(hào)在一個(gè)選定的點(diǎn)上的水平掃描：這對(duì)于分析信號(hào)的特點(diǎn)是很有必要的。觸發(fā)控制幫助你穩(wěn)定重復(fù)的波形和抓取單次波形，根據(jù)調(diào)查不同類(lèi)型的信號(hào)，示波器廠(chǎng)商提供一些觸發(fā)選項(xiàng)是有必要的。所有的數(shù)字示波器都提供了相同的一些基本觸發(fā)選項(xiàng)（源、電位、斜坡、前/后觸發(fā)），但在一些高級(jí)的觸發(fā)功能上是不一樣的。那些高級(jí)觸發(fā)功能是否有用是取決于所要測(cè)量的信號(hào)，脈沖觸發(fā)對(duì)數(shù)字信號(hào)是有用的，在追蹤間歇性錯(cuò)誤時(shí)，自動(dòng)保存到磁盤(pán)/內(nèi)存選項(xiàng)可能會(huì)很有用。一些應(yīng)用中所用到的特殊觸發(fā)（如磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)測(cè)試）經(jīng)常作為額外的成本，一般是以軟件或固件升級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果你可能要用到其中一個(gè)這樣的額外成本，不要害怕跟供應(yīng)商談判，叫他們免費(fèi)提供這樣的“額外選項(xiàng)”以達(dá)成協(xié)議，這種情況也并不罕見(jiàn)。輸入范圍和探頭一臺(tái)典型的示波器會(huì)提供從±50mV到±50V可選的全刻度輸入范圍。如一些更高的電壓可用10：1和100：1衰減的示波器探頭，這時(shí)重要的是要檢查對(duì)于你想要測(cè)量的信號(hào)，示波器是否在一個(gè)足夠小的電壓范圍。如果你經(jīng)常會(huì)測(cè)量一些小的信號(hào)（小于50mV），考慮買(mǎi)一臺(tái)擁有12或16位垂直分辨率的示波器，一臺(tái)16位的示波器的垂直分辨率是8位示波器的256倍，使放大毫伏和微伏水平的信號(hào)都成為可能。接著還要確認(rèn)一下你選擇的示波器探頭，根據(jù)示波器的帶寬，起碼要匹配或者比它好。一些廠(chǎng)商為了節(jié)省成本通常提供與示波器配套的不合標(biāo)準(zhǔn)的探頭或者只供應(yīng)一些更高帶寬的探頭，作為可選組件，這是需要從示波器中選擇最好的。大部分的示波器探頭可在1：1和10：1的衰減率之間切換，只要有可能，當(dāng)不小心連到一個(gè)高電壓時(shí)，在測(cè)試中用10：1的設(shè)置最小化電路載荷或者增加過(guò)載保護(hù)都是可以的。對(duì)于每個(gè)高速信號(hào)（＞200MHz），無(wú)源探頭就開(kāi)始陷入了由電纜電容引起的信號(hào)反射回示波器的問(wèn)題。主動(dòng)FET探頭的探針配置了一個(gè)緩沖放大器，使用它可以有效地解決反射的問(wèn)題。當(dāng)測(cè)量高電壓時(shí)，如±100V，電源和3相電壓，最安全的做法是用差分隔離的示波器探頭。外形尺寸數(shù)字存儲(chǔ)示波器大致可以分為三類(lèi)：傳統(tǒng)的臺(tái)式、手持式和基于PC的。臺(tái)式數(shù)字示波器通常是指在構(gòu)建性能最高的示波器，這同時(shí)也反映在成本上，其一些特性如FFT頻譜分析儀、PC接口、磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)和打印機(jī)，這些都是昂貴的可選配置。手持式示波器對(duì)于工程師來(lái)講，最明顯的優(yōu)勢(shì)是其便攜性，但是要小心它那可憐的顯示屏（很難在陽(yáng)光下閱讀的）和短暫的電池壽命。對(duì)于一個(gè)給定的性能水平，它們也可能是最昂貴的選擇哦。而PC示波器，憑借其相對(duì)于同等性能的臺(tái)式示波器那可觀(guān)的成本節(jié)約，正在逐漸流行起來(lái)。節(jié)約成本的理由是顯而易見(jiàn)的，大批量生產(chǎn)的PC早就已經(jīng)普及開(kāi)來(lái)了，你相當(dāng)于免費(fèi)擁用有了一個(gè)大的彩色顯示屏、快速的處理器、磁盤(pán)驅(qū)和鍵盤(pán)等有效的設(shè)備。只要雙擊鼠標(biāo)就能完成數(shù)據(jù)導(dǎo)入到文檔處理器和電子表格中，這也是其一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)。PC示波器歸結(jié)起來(lái)有兩種類(lèi)型：外置的和內(nèi)置的。內(nèi)置的PC示波器通常是以PCI形式的插卡，在理論上講，這種示波器應(yīng)該是成本最低的，但事實(shí)證明這往往是不對(duì)的。PC卡最主要的劣勢(shì)是噪音，PC機(jī)箱里面是一個(gè)很嘈雜的電子環(huán)境，處在其中的插卡就正受其害，另一個(gè)問(wèn)題是其可攜性，基于PC卡的示波器都是與一部臺(tái)式PC掛鉤著來(lái)用的。外置的PC示波器是以一個(gè)小盒子為架構(gòu)，通過(guò)USB或并口的形式連接到PC上去，這保證了所有的模擬電子信號(hào)處于PC的外部，從而避免了噪音問(wèn)題。外置的PC示波器的第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是其可攜性——它們可在臺(tái)式電腦或筆記本電腦上使用。小結(jié)在不同的示波器之間進(jìn)行選擇，確認(rèn)一下以下的幾點(diǎn)：先試后買(mǎi)——不要怕對(duì)來(lái)自不同制造商的不同示波器進(jìn)行比較，如果供應(yīng)商不能保證你“不滿(mǎn)意退錢(qián)”的承諾的話(huà)，那你就最好別跟他們打交道。對(duì)于較高成本的示波器，想辦法弄個(gè)演示版來(lái)，要不僅能在示波器中顯示，并確保用你實(shí)際想測(cè)量的信號(hào)來(lái)進(jìn)行演示。當(dāng)購(gòu)買(mǎi)示波器時(shí)，問(wèn)清楚有關(guān)升級(jí)的問(wèn)題，還要查清成本之內(nèi)還包含了些什么。對(duì)于PC示波器，確保軟件是否含在價(jià)格里面，還要問(wèn)一下軟件升級(jí)是否需要付費(fèi)。對(duì)于臺(tái)式示波器，弄清楚連接到電腦/打印機(jī)的電纜和軟件的成本——它們可能會(huì)增加多達(dá)50%的總成本。檢查一下保修時(shí)間，如果你