选用示波器所需考虑的10大要素

概述

与德国科学家Karl Ferdinand Braun 于1897 年创造的阴极射线示波器(Cathode ray oscilloscope) 相较，现有的数字贮存示波器已大不相同。前进的技能不断进步示波器的新特性，更适合让工程师运用。其间最明显进步的功用之一便是示波器进入数字范畴，导入数字信号处理与波形剖析等强壮功用。现在的数字示波器包括高速、低分辨率(一般为8 位) 的模仿数字转化器(ADC)，已界说的操控元与显现功用，且内建的处理器可履行常见丈量操作的软件算法。

别的来说，示波器可利用核算机最新的处理功用与高分辨率显现，并保存高速示波器的其他功用。因为示波器归于核算机架构，让用户能经过软件而界说仪器功用。因而，示波器不只可以用于示波器丈量，也可用于客制化丈量，乃至用于频谱剖析器、频率计数器、超音波接收器，或更多仪器。相较于传统的独立示波器，敞开架构与灵敏软件，均让示波器具有更多优势。但是，示波器(Digitizer) 与高速示波器(Oscilloscope) 有许多相似之处，因而在挑选时也需求考虑多项关键。

本文将评论选用示波器所应考虑的10 大要素。

1. 带宽

带宽代表“输入信号以最小振幅损耗经过模仿前端”的频率规模，即从探针顶级或测验设备直到 ADC 的输入。带宽应为“正弦输入信号振幅衰减至 70.7% 原始振幅时的频率”，也咱们所熟知的 -3dB 点。在一般情况下，示波器的频率应要能超越信号最高频率的 2 倍以上。

示波器常用于丈量信号的上升时刻，如数字脉冲或其他具尖利边际的信号。此种信号均由高频信号组成。为了收集信号的的确形状，则需选用高带宽示波器。举例来说，10 MHz 方波是由 10MHz 正弦波与许多谐波所组成。若要获得该信号的实践形状，则所选示波器的带宽有必要可以收集数个谐波。否则将形成信号失真与过错丈量。

图1. 在收集高频率的波形时，有必要运用高带宽示波器

以下公式可依据上升时刻(即为信号振幅从10% 升至90% 所需的时刻) 核算信号带宽。

图2. 上升时刻为信号从全值的10% 上升至90% 所需时刻。
上升时刻与带宽直接相关，因而上述公式可彼此换算此2 组值。

在抱负情况下，示波器带宽最好可达上述公式所得信号带宽的3 至5 倍。换句话说，为了将信号收集的过错降至最低，示波器的上升时刻应为信号上升时刻的1/5 至1/3。下列公式可反推出信号实践带宽。

=所测得的上升时刻；=实践信号上升时刻；=示波器上升时刻

2.取样率

带宽为示波器的重要规范之一。但若取样率缺乏，带宽再高也是徒然。
带宽代表以最小衰减而数字化的最高频率正弦波，而取样率则为示波器中ADC数字化输入信号的守时速率。请留意，取样率与带宽并无直接的相关性。但此2 项重要规范之间存在着必要联系：

示波器的实时取样率＝ 示波器带宽的3 至4 倍

Nyquist 定理则标明，为了防止失真，示波器取样率至少为受测信号最高频率要素的2 倍。但是，仅达最高频率的2 倍取样率，仍缺乏以准确从头产生时域信号。为了准确数字化输入的信号，示波器的实时取样率至少应为示波器带宽的3 至4 倍。下图即阐明运用者所期望经过示波器看到的数字化信号。

图3. 右图示波器具有有用的高取样率，可准确重建信号并抵达更准确的丈量成果。

尽管上述2 组实践信号均经过了前端模仿电路，但左图的取样率缺乏而导致数字化信号的失真。而右图则具有满意的取样点，可准确重建信号，从而抵达更准确的丈量操作。对时域运用(如上升时刻、过冲，或其他脉冲丈量) 而言，能否清楚出现信号极为重要，所以高取样率的示波器可于此类运用中供给更佳优势。

3.取样形式

取样形式首要可分为2 种：实时取样与等效时刻取样（ETS）。
实时取样率如上所述，除了代表ADC 频率之外，也表明单次收集所能获得信号的最高速率。而ETS 则归于信号重建办法，是以单次收集形式所获得的触发波形为根底。ETS 的长处在于其具有更高的有用取样率，但缺陷却是耗时更长，且仅适用于重复性信号。请留意，ETS 并不会进步示波器的模仿带宽，且仅适用以更高取样率重现信号。常见的ETS 为随机距离采样(RIS)，而大都的NI 示波器均具有该功用。

4.分辨率与动态规模

如上所述，示波器所具有的ADC 可将模仿信号转为数字信号。ADC 所回传的位数便是示波器分辨率。针对任何已知的输入规模，往往以「2b」表明信号数字化的或许离散程度，其间「b」即为示波器分辨率。输入规模是依2b个步从而区分，而「输入规模/2b」则为示波器所能侦测的最小电压。举例来说，8 位示波器可将10Vpp 输入规模切割成28= 256 级，每级39 mV；24 位示波器可将10 Vpp 输入规模切割成224= 16,777,216 等级，每级596 nV (约为8 位的1/65,000)。

选用高分辨率示波器的原因之一，便是要丈量更小信号。有时咱们不由有所一问：为什么不运用低分辨率仪器与较小规模的信号，就可以「缩放」信号而测得低电压呢？问题在于，许多信号一起具有小型信号与大型信号。运用大规模虽可丈量大型信号，但小型信号将藏在大型信号的噪声中。换句话说，运用小规模就有必要紧缩大型信号，而形成丈量失真与过错。因而，针对动态信号的运用(一起具有大、小型电压的信号)，就需求较大动态规模的高分辨率仪器，以测出大型信号中的小型信号。

传统示波器一般运用8 位分辨率的ADC，但较难以满意频谱剖析或动态信号的运用(如调变波形)。此类运用即可选用下表中的高分辨率示波器，包括NI PXI-5922 弹性分辨率示波器，并获颁Test and Measurement World 的2006 年度最佳测验产品。此款模块经过线性化技能，抵达业界最高的示波器动态规模。

5. 触发

一般来说，示波器均用以收集特定事情的信号。仪器的触发功用则可独立出特定事情，以收集事情产生前后的信号。多款示波器均具有模仿边际、数字，与软件触发等功用。其他触发选项还有分窗 (Window)、磁滞，与视讯触发功用 (NI 5122、NI 5124，与 NI 5114 具有该功用)。

高阶示波器可于 2 次触发之间敏捷重启 (Re-arm)，可进入多重记载的收集形式。示波器将依据既定触发而收集特定数量的点，并敏捷重启以等候下次触发。快速重启功用可保证示波器不致错失事情或触发。若仅需收集并贮存特定数据，则多重记载形式可达极高效能；除了可优化内建内存运用状况之外，并可约束核算机总线的活动。

6. 内建内存

一般状况下，数据均由示波器传输至核算机，以利丈量与剖析操作。尽管这些仪器能达最大取样率 (可达数个 GS/s)，但抵达核算机的传输率均将遭到总线 (如PCI、LAN，与 GPIB) 的带宽约束。现在这些总线均难以抵达数个 GS/s 的速率，但 PCI Express 与 PXI Express 却可轻松到达。

若总线接口无法抵达等同于取样率的接连数据传输，仪器内建的内存将以最高速率收集数据，等候核算机进行后续处理。

大容量内存不只可延长收集时刻，也具有频域的相关优势。最常见的频域丈量为高速傅利叶转化(FFT)，可显现信号的频率内容。若FFT 可达更高频率分辨率，也可轻松侦测离散频率。

经过上述方程式，共有2 种方法可进步频率分辨率：下降取样率或添加FFT 中的取样点。因为下降取样率将一起下降频率带宽，因而并不归于抱负的解决方案。因而，最好是能收集更大都据点进行FFT，而这时将需求更大容量的内存。

图4. 内建更多内存可支撑更高取样率，并于更长时刻收集更多点，以更高的频率分辨率核算FFT 成果。

7. 信道密度