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技術(shù)文章

示波器有關(guān)知識及選型方案

示波器自從問世以來，它一直是*重要、*常用的電子測試儀器之一。由于電子技術(shù)的發(fā)展，示波器的能力在不斷提升，其性能與價格也五花八門，市場參差不齊。示波器看似簡單，但如何選擇，也存在許多問題。本文根據(jù)多年的經(jīng)驗，從幾個方面告知您在選擇示波器時應(yīng)注意的問題：

一、了解您需要測試的信號
您要知道用示波器觀察什么？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(fù)雜的特性？您的信號是重復(fù)信號還是單次信號？您要測量的信號過渡過程的帶寬，或者上升時間是多大？您打算用何種信號特性來觸發(fā)短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等？您打算同時顯示多少信號？您對測試信號作何種處理？

二、選擇示波器的核心技術(shù)差異：模（DRT）、數(shù)字（DSO）、還是數(shù)模兼合（DPO）
傳統(tǒng)的觀點認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的控制面板，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(zhuǎn)換器速度逐年提高和價格不斷降低，以及數(shù)字示波器不斷增加的測量能力和實際上不受限制的測量功能，數(shù)字示波器已獨領(lǐng)風(fēng)騷。但是數(shù)字示波器顯示具有三維的缺陷、處理連續(xù)性數(shù)據(jù)慢等缺點，需要具有數(shù)模兼合技術(shù)的示波器，例 DPO 數(shù)字熒光示波器。

三、確定測試信號帶寬
帶寬一般定義為正弦波輸入信號幅度衰減到 -3dB 時的頻率，即幅度的70.7% 。帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法測量高頻信號，幅度將出現(xiàn)失真，邊緣將會消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失；如果沒有足夠的帶寬，得到的信號所有特性，包含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經(jīng)驗—— “5倍經(jīng)驗準(zhǔn)則”：將您要測量的信號*高頻率分量乘以5，使測量結(jié)果獲得高于2%的精度。在某些應(yīng)用場合，您不知道你的感興趣的信號帶寬，但是您知道它的*快上升時間，這時頻率響應(yīng)用下面的公式來計算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時間： Bw="0".35/信號的*快上升時間。數(shù)字示波器帶寬有兩種類型：重復(fù)（或等效時間）帶寬和實時（或單次）帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)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*高頻率，且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)或瞬變信號時就更為重要，實時帶寬與采樣速率緊密聯(lián)系。帶寬越高越好，但是更高的帶寬往往意味著更高的價格，因此應(yīng)按照預(yù)算來選擇您要觀察的信號頻率成分。

四、A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率（或采樣速度）
單位為每秒采樣次數(shù)（ S/s ），指數(shù)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(nèi)的慢變信號或低頻信號，*小采樣速率就發(fā)揮了作用，為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數(shù)，需要調(diào)整水平控制旋鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)旋鈕的變化而變化。如何計算采樣速率？計算方法取決于所測量的波形類型，以及示波器所采用的信號重建方式，例正弦插入法，矢量插入法等。為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號并避免混淆，奈奎斯定理規(guī)定：信號的采樣速率必須不小于其*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周期連續(xù)的信號。由于示波器不可能提供無限時間的記錄長度，而且從定義上看，低頻干擾是不連續(xù)的，也不是周期的，所以采用兩倍于*高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。實際上，信號的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法，即波形重建。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。有一個比較采樣速率和信號帶寬時很有用的經(jīng)驗法則：如果您正在觀察的示波器有內(nèi)插（通過篩選以便在取樣點間重新生成），則（采樣速率 / 信號帶寬）的比值至少應(yīng)為 4∶1 ；無正弦內(nèi)插時，則應(yīng)采取 10∶1 的比值。

五、屏幕刷新率也稱為波形更新速度
所有的示波器都會閃爍，示波器每秒鐘以特定的次數(shù)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(shù)每秒（ wfms/s ）。一定要區(qū)分波形捕獲速率與A/D采樣速率的區(qū)別。采樣速率表示示波器在一個波形或周期內(nèi)A/D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。一般來講，模擬示波器由于電路簡單，其屏幕刷新率較高，而數(shù)字存儲示波器（ DSO ）使用串行處理結(jié)構(gòu)每秒鐘可以捕獲 10 到 5000 個波形。為了改變數(shù)字示波器屏幕刷新率低的問題，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(fā)現(xiàn)信號存在的問題。

六、選用適當(dāng)?shù)氖静ㄆ鞔鎯ι疃龋卜Q記錄長度
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(xiàn)信號所須的采樣速率，可以計算出所要求的存儲深度。存儲深度與采樣速率密切相關(guān)。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(xiàn)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(xì)節(jié)進行優(yōu)化。分析一個十分穩(wěn)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(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。在正確位置上捕捉信號的有效觸發(fā)，通常可以減小示波器實際需要的存儲量。

七、根據(jù)需要選擇不同的示波器觸發(fā)功能
示波器的觸發(fā)能使信號在正確的位置點同步水平掃描，使信號特性清晰。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)用示波器的用戶只采用邊沿觸發(fā)方式，如果擁有其它觸發(fā)能力在某些應(yīng)用上是非常有用的，特別是對新設(shè)計產(chǎn)品的故障查尋，先進的觸發(fā)方式可將所關(guān)心的事件分離出來，找出您關(guān)心的非正常問題，從而*有效地利用采樣速率和存儲深度。現(xiàn)今有很多示波器，具有先進的觸發(fā)能力。觸發(fā)能力主要圍繞三個方面：①有關(guān)垂直方向的幅度，例瞬態(tài)尖峰觸發(fā)、過脈沖或短脈沖觸發(fā)等；②有關(guān)水平方向的與時間有關(guān)的觸發(fā)，例脈沖寬度、窄脈沖、建立/保持時間等設(shè)定時間寬度的觸發(fā)形式；③擴展和常規(guī)觸發(fā)功能的組合能力，例對視頻信號或其它難以捕捉的信號，通過時間和幅度組合設(shè)置觸發(fā)條件進行觸發(fā)。觸發(fā)能力的提高，可以大提高測試過程的靈活性，并簡化工作，尤其現(xiàn)今的示波器對數(shù)據(jù)總線的觸發(fā)能力大大提高，例CAN，I2C等。

八、通道能力，包括通道數(shù)量和通道對地的懸浮能力和通道之間的隔離能力
您需要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用，對于通常的經(jīng)濟型故障查尋應(yīng)用，需要的是雙通道示波器，然而要求觀察若干個模擬信號的相互關(guān)系，將需要一臺 4 通道示波器，許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號的系統(tǒng)工程師可以選擇混合信號示波器（MSO），它將邏輯分析儀的通道計數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時間相關(guān)顯示的單一儀器中。如果您測量三相電，可控硅等有源器件或線路，兩端之間沒有**的零點，即所謂的浮地信號，這時候從操作**和精度出發(fā)，應(yīng)選用隔離通道示波器；如果比較多通道的時序和相移，應(yīng)選用兩通道以上示波器，這時通道之間的隔離更顯重要。

九、示波器對異常現(xiàn)象的捕獲
三個主要因素影響著示波器顯示日常測試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信號的能力：屏幕刷新速率、波形捕獲方式和觸發(fā)能力。波形捕獲模式有：采樣模式、峰值檢測模式、高分辨率模式、包絡(luò)模式、平均值模式等。屏幕刷新速率指給您關(guān)于示波器對信號和控制的變化反應(yīng)快慢，使用峰值檢測有助于在較慢的信號中捕捉快速信號的峰值。

十、示波器的性能和指標(biāo)
示波器的指標(biāo)有很多：如垂直靈敏度、掃描速度、垂直精度、時間基準(zhǔn)、垂直分辨率等等。示波器的性能取決品牌的質(zhì)量，關(guān)鍵在于質(zhì)量、穩(wěn)定性和校準(zhǔn)服務(wù)等。

十一、分析功能有助于您事半功倍
數(shù)字示波器的*大優(yōu)點是它們能得到的數(shù)據(jù)進行測量，且按一下按鈕即可實現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號而異，但它們一般包括頻率、上升時間、脈沖寬度等測量，有些示波器還提供很多分析模塊，例FFT、功率分析、**數(shù)**算等超常功能。

十二、相應(yīng)配套的附件和探頭
容易忘記的一點是，當(dāng)裝上探頭時，它就成為整個測試電路的一部分了，結(jié)果探頭將造成電阻性、電容性和電感性負(fù)載，使示波器呈現(xiàn)出與被測對象不同的測量結(jié)果。因此，針對不同應(yīng)用配有相應(yīng)的探頭，然后選擇其中一種，使負(fù)載效應(yīng)*小，使信號得到***的復(fù)現(xiàn)。由于 SMT 元件的發(fā)展，連接更困難，使用不同的附件滿足特殊需要。。

十三、示波器的操作性能
很顯然，如果您不能訪問各種功能，或者要花很多時間去學(xué)習(xí)它們，那么您的示波器將價值不大，適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和中文操作界面會使您突破使用上的障礙。

十四、示波器的數(shù)據(jù)管理和通訊能力
對測量結(jié)果的分析非常重要。將信息和測量結(jié)果在高速通信網(wǎng)絡(luò)中便捷地保存和共享變得日益重要。示波器的互聯(lián)性提供對結(jié)果的**分析能力并簡化結(jié)果的存檔和共享。示波器通過各種接口（ GPIB 、 RS-232 、 USB 或以太網(wǎng)）和網(wǎng)絡(luò)通信模式提供一系列的功能和控制方式。

十五、示波器功能的擴展性
為了不斷適應(yīng)需求變化。示波器功能*好可以隨機擴展： ○ 增加通道的內(nèi)存以分析更長的記錄長度 ○ 增加面對具體應(yīng)用的測量功能 ○ 有一整套兼容的探頭和模塊，加強示波器的能力 ○ 同通用第三方的 Windows 兼容的分析軟件協(xié)同工作，例如 OIscope 示波器軟件。 ○ 增加附件，如電池組和機架固定件等。總之，示波器的選擇是一個看似簡單而又是您很難處理的問題，市場上產(chǎn)品很多，并且技術(shù)各有差異，有時很難讓您下決定。以上說明可能給您一些建議，采用下圖的選擇過程會對您更有益。根據(jù)多年經(jīng)驗，選擇示波器有以下“經(jīng)驗法則”：

（一） ART模擬示波器，選擇四要素：性價比（價格與產(chǎn)品質(zhì)量品牌的比較優(yōu)勢）、測試帶寬（5倍經(jīng)驗法則）、通道數(shù)量（2或4）、供應(yīng)商能力（售后是否得到保證）。
（二） DSO數(shù)字存儲示波器，在測試信號帶寬、示波器帶寬、示波器實時采樣率、示波器存儲深度之間找到平衡，有以下經(jīng)驗可循：示波器帶寬*好是信號帶寬的5倍；示波器實時采樣速率≥4倍示波器帶寬；存儲深度≥采樣速率×要求*長保存時間。
（三） DPO數(shù)模兼合示波器，在基本指標(biāo)要求上與DSO一致，但需要引入二個能力：屏幕刷新率、波形觸發(fā)與分析能力。
（四）特殊功能需求。①你如果需要到現(xiàn)場工作，并且需要電池供電，對儀器的體積要求很嚴(yán)，對儀器的功能除示波器測量外還需要其它測試（例萬用表功能），您這時*好選用手持示波表（HSO）。②如果您在隔離或懸浮時，**不能得到保障，并且需要分析功率、相移時，請選用隔離示波器（DIO），尤其是多通道的DIO。③如果您需要多通道的模擬與數(shù)字信號混合測試，您除了選用具有串行總線觸發(fā)功能的示波器外，您*好選用MSO混合示波器。

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