如何選擇合適的示波器

2014-09-23

技術文章

首先是否了解您的信號？
　　您要知道您用示波器觀察什么？既您要捕捉并觀察的信號其典型性能是什么？您的信號是否有復雜的特性？您的信號是重復信號還是單次信號？您要測量的信號過渡過程帶寬，或者上升時間是多大？您打算用何種信號特性來觸發短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等？您打算同時顯示多少信號？
模擬還是數字？
　　參見前面的《示波器發展》。總之，傳統的觀點認為模擬示波器具有熟悉的面板控制，價格低廉，因而總覺得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉換器速度逐年提高和價格不斷降低，以及數字示波器不斷增加的測量能力和實際上不受限制的各種功能，數字示波器已。
帶寬如何？
　　帶寬一般定義為正弦輸入信號幅度衰減到-3dB時的頻率，即70.7%，帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準確顯示能力將下降，如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現失真，邊緣將會消失，細節數據將被丟失。如果沒有足夠的帶寬，得到的關于信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無意義。
　　一個決定您所需要的示波器帶寬有效的經驗法則是“5倍準則”；即將您要測量的信號zui高頻率分量乘以5。這將會使您在測量中獲得高于2%的精度。
　　在某些應用場合，您不知道你的感興趣的信號帶寬，但是您知道它的zui快上升時間，大多數字示波器的頻率響應用下面的公式來計算關聯帶寬和儀器的上升時間：帶寬 = 0.35 ÷ 信號的zui快上升時間。
　　帶寬有兩種類型：重復（或等效時間）帶寬和實時（或單次）帶寬。重復帶寬只適用于重復的信號，顯示來自于多次信號采集期間的采樣。實時帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的zui高頻率，且當捕捉的事件不是經常出現時要求相當苛刻。實時帶寬與采樣速率在一起。
　　由于更寬的帶寬往往意味著更高的價格，因此應對照你的預算來評定通常要觀察信號的頻率成分。
采樣速率怎樣？
　　定義為每秒采樣次數（Sa/s），指數字示波器對信號采樣的頻率。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丟失的概率就越小。
　　如果需要觀測較長時間范圍內的慢變信號，則zui小采樣速率就變得較為重要。為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數，需要調整水平控制按鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調節按鈕的調節而變化。
　　如何計算采樣速率？計算方法取決于所測量的波形的類型，以及示波器所采用的信號重建方式。
　　為了準確地再現信號并避免混淆，奈奎斯定理規定：信號的采樣速率必須不小于其zui高頻率成分的兩倍。然而，這個定理的前提是基于無限長時間和連續的信號。由于沒有示波器可以提供無*的記錄長度，而且，從定義上看，低頻干擾是不連續的，所以采用兩倍于zui高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。
　　實際上，信號的準確再現取決于其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法。一些示波器會為操作者提供以下選擇：測量正弦信號的正弦插值法，以及測量矩形波、脈沖和其他信號類型的線性插值法。
　　有一個在比較取樣速率和信號帶寬時很有用的經驗法則：如果您正在觀察的示波器有內插（通過篩選以便在取樣點間重新生成），則（取樣速率/信號帶寬）的比值至少應為4∶1。無正弦內插時，則應采取10∶1的比值。
屏幕刷新率多快？
　　所有的示波器都會閃爍。也就是說，示波器每秒鐘以特定的次數捕獲信號，在這些測量點之間將不再進行測量。這就是波形捕獲速率，也稱屏幕刷新率，表示為波形數每秒（wfms/s）。采樣速率表示的是示波器在一個波形或周期內，采樣輸入信號的頻率; 波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會提供更多的重要信號特性，并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時的異常情況，如抖動、矮脈沖、低頻干擾和瞬時誤差的概率。
　　數字存儲示波器（DSO）使用串行處理結構每秒鐘可以捕獲10到5000個波形。DPO數字熒光示波器采用并行處理結構，可以提供更高的波形捕獲速率，有的高達每秒數百萬個波形，大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性，并能讓您更快地發現信號存在的問題。
存儲深度是多少？
　　存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以重現信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱記錄長度。
　　在正確位置上捕捉信號的有效觸發，通常可以減小示波器實際需要的存儲量。
　　存儲深度與取樣速度密切相關。您所需要的存儲深度取決于要測量的總時間跨度和所要求的時間分辨率。
　　現代的示波器允許用戶選擇記錄長度，以便對一些操作中的細節進行優化。分析一個十分穩定的正弦信號，只需要500點的記錄長度；但如果要解析一個復雜的數字數據流，則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。
要求何種觸發？
　　示波器的觸發能使信號在正確的位置點同步水平掃描，決定著信號特性是否清晰。觸發控制按鈕可以穩定重復的波形并捕獲單次波形。
　　大多數通用示波器的用戶只采用邊沿觸發方式，您可能發現擁有其它觸發能力在某些應用是有益的。特別是對新設計產品的故障查尋。先進的觸發方式可將所關心的事件分離出來，從而zui有效地利用取樣速度和存儲深度。
　　現今有很多示波器，具有先進的觸發能力：您能根據由幅度定義的脈沖（如短脈沖），由時間限定的脈沖（脈沖寬度、窄脈沖、轉換率、建立/保持時間）和由邏輯狀態或圖形描述的脈沖（邏輯觸發）進行觸發。擴展和常規的觸發功能組合也幫助顯示視頻和其它難以捕捉的信號，如此先進的觸發能力，在設置測試過程時提供了很大程度的靈活性，而且能大大地簡化工作。
有多少通道？
　　您需要的通道數取決于您的應用。對于通常的經濟型故障查尋應用來說，需要的是雙通道示波器。然而，如果要求觀察若干個模擬信號的相互關系，將需要一臺4通道示波器。許多工作于模擬與數字兩種信號的系統的工程師也考慮采用4通道示波器。還有一種較新的選擇，即所謂混合信號示波器，它將邏輯分析儀的通道計數及觸發能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時間相關顯示的單一儀器之中。