模擬示波器和數(shù)字存儲示波器的選擇和使用 - 全文

1 、分類按測量被測信號所使用的技術，它可分為模擬示波器、數(shù)字存儲示波器（DSO ）和混合示波器（混合信號示波器，MSO ）等幾大類。

　　1.1 模擬示波器一臺完整的模擬示波器通常由陰極射線管CRT 、Y 通道、X通道和電源等幾部分組成。其中CRT 主要包括電子槍、熒光屏和偏轉板三個部分。輸入的被測信號經(jīng)放大直接加在Y 軸偏轉板上，同時用一個與時間成正比的鋸齒波電壓加在X 軸偏轉板上，使電子槍產(chǎn)生的電子束在靜電力的作用下產(chǎn)生偏轉，光點就會在熒光屏上描繪出被測信號隨時間變化的波形。為了顯示多個被測信號，通常在Y 通道中插入了通道轉換器，使它們輪流加到Y 偏轉板上。為了保證加在X 軸偏轉板上的鋸齒波電壓每次都從被測信號上的一個確定的點開始掃描，以此穩(wěn)定被顯示的波形，X 通道一般都設有同步觸發(fā)電路。

　　1.2 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器（DSO ）雖然也由顯示器或CRT 、Y 通道、X 通道和電源等幾部分組成，但Y 通道中插入了A/D 轉換器、D/A 轉換器和數(shù)字存儲器等。測量過程中運用了數(shù)字信號處理技術，并在單片機的控制之下有條不紊的工作。首先按預先設定的時間間隔對被測的模擬信號采樣，然后，通過A/D 轉換器將這些采樣值轉換成對應的數(shù)字量和循環(huán)存入存儲器中。需要顯示測量結果或分析結果時，單片機從存儲器讀出存入的數(shù)據(jù)，處理后以數(shù)字方式或模擬方式將它們轉換成模擬波形或要求的形式顯示在顯示器上。因為這種示波器運用了采樣量化和數(shù)字信號處理技術，由此帶來了許多超越模擬示波器的優(yōu)點。

　　1.3 組合示波器組合示波器（混合信號示波器，MSO ）是將DSO 和模擬示波器或邏輯分析儀或數(shù)字萬用表（DMM ）等兩、三種儀器有機組合在同一機箱中的混合型儀器，它集成了多臺儀器的功能和優(yōu)點，以此滿足用戶的更多更高的測試要求。

　　安捷倫Agilent 的54832D、54833D、54831D、54830D、54642D、54641D、54622D、54621D示波器，F(xiàn)luke 的190 系列萬用示波表、TK的THS700A 系列示波器/ 數(shù)字萬用表等是一些典型的組合型示波器。

　　2 、特性與模擬示波器比，DSO 使用了采樣量化技術和晶振等器件，因此，具有更高的幅度測量準確度和時間測量準確度。DSO 具有豐富的觸發(fā)功能，能存儲觸發(fā)前后的相關數(shù)據(jù)；能有效地測量單次信號；能在同一時刻采集、存儲多個被測量；能永久存儲測得的數(shù)據(jù)，包括制作成硬拷貝；能反復再現(xiàn)測得的波形；能對測得的波形數(shù)據(jù)進行處理，如將測得的電壓、電流相乘，求得此時刻的功率，又如對測得的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，求均值、極值、數(shù)字濾波、積分、微分、作FFT運算等； DSO具有通用接口；能預先存儲測試序列和在微機的控制之下進行自動測試；對測得的數(shù)據(jù)能與事先設置的參考波形或一組波形參數(shù)進行比較，如超出限定的范圍，則立即聲光告警或發(fā)中斷信號給主機等。

　　不過，DSO 的造價一般都比模擬示波器高，測量的實時性也不如它。模擬示波器的波形更新速率很高，最高超過400000次/s，它具有" 無限的分辨率" ，每一時刻都能顯示該時刻的輸入電壓，而DSO 在" 采集- 存儲- 再現(xiàn)" 之間存在明顯的時間延遲。因為波形亮度變化正比于信號在某一特定電平的持續(xù)時間，因此，一些信號的變化也會在模擬示波器上以這種形式表現(xiàn)出來。DSO 缺乏這種顯示效果。

　　盡管DSO 還有一些地方需要改進，性價比還需進一步提高，但是，它代表了電子示波器的發(fā)展方向。據(jù)前幾年的市場調查知，DSO 的產(chǎn)銷量已占了整個示波器類產(chǎn)品產(chǎn)銷量的80% 以上，而且，此比例還在繼續(xù)增加。

　　3 、選用3.1 類型選擇DSO 是采樣示波器，樣點之間有一定的時間間隔，測量是不連續(xù)的，顯示滯后實際情況，而模擬示波器對信號的測量是連續(xù)進行的，屏幕上的顯示是當時正在發(fā)生的情況，而且造價低。因此，模擬示波器比較適合測量調頻、調幅、視頻、噪聲等信號，比較適合電子產(chǎn)品檢測、調整和維修等應用，以及基礎實驗儀器教育使用。

　　DSO 測量精度高、功能強，具有多種觸發(fā)能力和波形處理能力，能夠進行自動測量等，因此，除常規(guī)波形測量外，還很適合測量單次、低重復速率信號，及在需要預觸發(fā)和對信號進行分析處理等場合使用。如故障檢測、電源設計調試、通信產(chǎn)品/ 電子產(chǎn)品生產(chǎn)線測試、瞬態(tài)研究測試等。

　　如果同時需要一臺儀器兼有DSO 和邏輯分析儀、DMM 等功能特性，或需要組合后形成的新特性，則可選用組合型示波器（混合信號示波器）。

　　3.2 通道數(shù)量觀測一個信號，可選用簡易示波器；同時觀測、比較兩個信號，可選用雙通道示波器。雙通道示波器是最常用的示波器，因價格低廉，使用比較方便，已廣泛使用在實驗室和生產(chǎn)現(xiàn)場。如果需要觀測更多模擬信號之間的相互關系，則應選用四通道示波器。

　　隨著被觀測系統(tǒng)數(shù)字成分的增加，傳統(tǒng)的雙通道示波器或四通道示波器已難以滿足同時捕獲足夠通道數(shù)量被測信號的要求。這時，應將示波器和邏輯分析儀等組合起來使用，或者使用一臺將幾種儀器組合在同一臺機箱內的組合示波器（如將16通道的分析儀集成在DSO 中的混合信號示波器），利用邏輯分析儀的觸發(fā)能力幫助示波器采集數(shù)據(jù)，同時測量不同類型和不同速度的信號。使用Agilent54832D MSO進行測量的一個例子見" 用混合信號示波器調試PCI 總線" 一文。

　　3.3 帶寬和采樣率帶寬是示波器垂直偏轉系統(tǒng)所具有的通頻帶的寬度。對模擬示波器來說，對應能以不低于真實信號3dB 的幅度來顯示信號的最高頻率。示波器的帶寬越寬，能測量被測信號的最高頻率也越高。通常帶寬應為被測信號最高頻率的3 倍以上；比值越高測量結果越正確，但噪聲隨之增加。

　　DSO 也有帶寬指標（重復帶寬、模擬帶寬），這是與示波器的采樣速率相對應的一個指標。為了正確地表示信號的頻率和幅度，通常要求采樣速率應為被測信號的最高頻率分量的5~10倍，甚至10倍以上。對最高頻率為40MHz 的信號，應使用最高采樣速率為200MS/s 或400MS/s 的示波器。

　　采樣間隔是采樣速率的倒數(shù)，因此，若研究的時間間隔為10ns，則應使用200MS/s的示波器。在觀測瞬態(tài)特性（如測量上升時間）時，選用的采樣速率應保證在它的信號邊緣上采集到足夠的細節(jié)信息，也就是說，必須采集到比較多的采樣值。

　　DSO 還常給出單次帶寬，其含意是被測單次信號中的有效頻率分量應小于此頻率，否則，顯示的信號會有較明顯的失真。單次帶寬小于等于重復帶寬。

　　對模擬示波器來說，示波器的帶寬與上升時間的乘積是一個為0.35~0.45 的常數(shù)。帶寬越寬，上升時間越小。當被測信號的上升時間與示波器的上升時間（包括探頭的上升時間）的比值較大時，測量誤差則較小。當此比值>5時，測量誤差約為2%. 3.4 觸發(fā)能力模擬示波器常以電平方式或斜率方式觸發(fā)。雖能滿足許多常規(guī)測量要求，但對一些特殊的測量或復雜的測量則無能為力，這時，必須使用DSO 或MSO.如利用 DSO的預觸發(fā)功能，在故障波形發(fā)生時刻觸發(fā)，觀測在此之前和故障發(fā)生時的情況，以便查明導致故障的原因。DSO 一般還具有很多很有用的其他觸發(fā)功能。如，串行觸發(fā)；用正向或負向毛刺進行觸發(fā)，用一個寬度大于或小于給定值的脈沖進行觸發(fā)；以通道間的特殊圖形進行觸發(fā)；在給定時間內，由沒有任何變化的數(shù)字信號線觸發(fā)等等。

　　3.5 記錄長度記錄長度指示波器中可以儲存的采樣點數(shù)。這是DSO 特有的指標，按需要選擇即可。早期的DSO 的存儲容量不大，只有幾K 、幾十K ；現(xiàn)在已發(fā)展到幾百K 、幾M ，甚至更大。而且，采用專用處理器控制進入存儲器的數(shù)據(jù)流和對這些數(shù)據(jù)進行處理。

　　3.6 其他選用示波器時還應注意其他特性。如，探頭是否與示波器相配，是否適合特定的測量任務。示波器使用起來是否方便，操作是否簡單等等。