如何選擇合適的示波器

2014-09-23

技術(shù)文章

首先是否了解您的信號(hào)？
　　您要知道您用示波器觀察什么？既您要捕捉并觀察的信號(hào)其典型性能是什么？您的信號(hào)是否有復(fù)雜的特性？您的信號(hào)是重復(fù)信號(hào)還是單次信號(hào)？您要測(cè)量的信號(hào)過(guò)渡過(guò)程帶寬，或者上升時(shí)間是多大？您打算用何種信號(hào)特性來(lái)觸發(fā)短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等？您打算同時(shí)顯示多少信號(hào)？
模擬還是數(shù)字？
　　參見(jiàn)前面的《示波器發(fā)展》?？傊?，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的面板控制，價(jià)格低廉，因而總覺(jué)得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉(zhuǎn)換器速度逐年提高和價(jià)格不斷降低，以及數(shù)字示波器不斷增加的測(cè)量能力和實(shí)際上不受限制的各種功能，數(shù)字示波器已。
帶寬如何？
　　帶寬一般定義為正弦輸入信號(hào)幅度衰減到-3dB時(shí)的頻率，即70.7%，帶寬決定示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。隨著信號(hào)頻率的增加，示波器對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確顯示能力將下降，如果沒(méi)有足夠的帶寬，示波器將無(wú)法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真，邊緣將會(huì)消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。如果沒(méi)有足夠的帶寬，得到的關(guān)于信號(hào)的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無(wú)意義。
　　一個(gè)決定您所需要的示波器帶寬有效的經(jīng)驗(yàn)法則是“5倍準(zhǔn)則”；即將您要測(cè)量的信號(hào)zui高頻率分量乘以5。這將會(huì)使您在測(cè)量中獲得高于2%的精度。
　　在某些應(yīng)用場(chǎng)合，您不知道你的感興趣的信號(hào)帶寬，但是您知道它的zui快上升時(shí)間，大多數(shù)字示波器的頻率響應(yīng)用下面的公式來(lái)計(jì)算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時(shí)間：帶寬 = 0.35 ÷ 信號(hào)的zui快上升時(shí)間。
　　帶寬有兩種類(lèi)型：重復(fù)（或等效時(shí)間）帶寬和實(shí)時(shí)（或單次）帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)的信號(hào)，顯示來(lái)自于多次信號(hào)采集期間的采樣。實(shí)時(shí)帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的zui高頻率，且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)要求相當(dāng)苛刻。實(shí)時(shí)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(jià)格，因此應(yīng)對(duì)照你的預(yù)算來(lái)評(píng)定通常要觀察信號(hào)的頻率成分。
采樣速率怎樣？
　　定義為每秒采樣次數(shù)（Sa/s），指數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)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(cè)較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的慢變信號(hào)，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(shù)，需要調(diào)整水平控制按鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)按鈕的調(diào)節(jié)而變化。
　　如何計(jì)算采樣速率？計(jì)算方法取決于所測(cè)量的波形的類(lèi)型，以及示波器所采用的信號(hào)重建方式。
　　為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)并避免混淆，奈奎斯定理規(guī)定：信號(hào)的采樣速率必須不小于其zui高頻率成分的兩倍。然而，這個(gè)定理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的信號(hào)。由于沒(méi)有示波器可以提供無(wú)*的記錄長(zhǎng)度，而且，從定義上看，低頻干擾是不連續(xù)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(shí)際上，信號(hào)的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號(hào)采樣點(diǎn)間隙所采用的插值法。一些示波器會(huì)為操作者提供以下選擇：測(cè)量正弦信號(hào)的正弦插值法，以及測(cè)量矩形波、脈沖和其他信號(hào)類(lèi)型的線性插值法。
　　有一個(gè)在比較取樣速率和信號(hào)帶寬時(shí)很有用的經(jīng)驗(yàn)法則：如果您正在觀察的示波器有內(nèi)插（通過(guò)篩選以便在取樣點(diǎn)間重新生成），則（取樣速率/信號(hào)帶寬）的比值至少應(yīng)為4∶1。無(wú)正弦內(nèi)插時(shí)，則應(yīng)采取10∶1的比值。
屏幕刷新率多快？
　　所有的示波器都會(huì)閃爍。也就是說(shuō)，示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號(hào)，在這些測(cè)量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測(cè)量。這就是波形捕獲速率，也稱(chēng)屏幕刷新率，表示為波形數(shù)每秒（wfms/s）。采樣速率表示的是示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi)，采樣輸入信號(hào)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(lèi)型和性能級(jí)別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會(huì)提供更多的重要信號(hào)特性，并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時(shí)的異常情況，如抖動(dòng)、矮脈沖、低頻干擾和瞬時(shí)誤差的概率。
　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）使用串行處理結(jié)構(gòu)每秒鐘可以捕獲10到5000個(gè)波形。DPO數(shù)字熒光示波器采用并行處理結(jié)構(gòu)，可以提供更高的波形捕獲速率，有的高達(dá)每秒數(shù)百萬(wàn)個(gè)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(fā)現(xiàn)信號(hào)存在的問(wèn)題。
存儲(chǔ)深度是多少？
　　存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個(gè)脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)間長(zhǎng)度除以重現(xiàn)信號(hào)所須的取樣速度，可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度，也稱(chēng)記錄長(zhǎng)度。
　　在正確位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā)，通?？梢詼p小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。
　　存儲(chǔ)深度與取樣速度密切相關(guān)。您所需要的存儲(chǔ)深度取決于要測(cè)量的總時(shí)間跨度和所要求的時(shí)間分辨率。
　　現(xiàn)代的示波器允許用戶選擇記錄長(zhǎng)度，以便對(duì)一些操作中的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。分析一個(gè)十分穩(wěn)定的正弦信號(hào)，只需要500點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度；但如果要解析一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要有一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度。
要求何種觸發(fā)？
　　示波器的觸發(fā)能使信號(hào)在正確的位置點(diǎn)同步水平掃描，決定著信號(hào)特性是否清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單次波形。
　　大多數(shù)通用示波器的用戶只采用邊沿觸發(fā)方式，您可能發(fā)現(xiàn)擁有其它觸發(fā)能力在某些應(yīng)用是有益的。特別是對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障查尋。先進(jìn)的觸發(fā)方式可將所關(guān)心的事件分離出來(lái)，從而zui有效地利用取樣速度和存儲(chǔ)深度。
　　現(xiàn)今有很多示波器，具有先進(jìn)的觸發(fā)能力：您能根據(jù)由幅度定義的脈沖（如短脈沖），由時(shí)間限定的脈沖（脈沖寬度、窄脈沖、轉(zhuǎn)換率、建立/保持時(shí)間）和由邏輯狀態(tài)或圖形描述的脈沖（邏輯觸發(fā)）進(jìn)行觸發(fā)。擴(kuò)展和常規(guī)的觸發(fā)功能組合也幫助顯示視頻和其它難以捕捉的信號(hào)，如此先進(jìn)的觸發(fā)能力，在設(shè)置測(cè)試過(guò)程時(shí)提供了很大程度的靈活性，而且能大大地簡(jiǎn)化工作。
有多少通道？
　　您需要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用。對(duì)于通常的經(jīng)濟(jì)型故障查尋應(yīng)用來(lái)說(shuō)，需要的是雙通道示波器。然而，如果要求觀察若干個(gè)模擬信號(hào)的相互關(guān)系，將需要一臺(tái)4通道示波器。許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號(hào)的系統(tǒng)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(hào)示波器，它將邏輯分析儀的通道計(jì)數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時(shí)間相關(guān)顯示的單一儀器之中。

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