选用示波器所需考虑的10大要素

选用示波器所需考虑的10大要素概述与德国科学家Karl FerdinandBraun于1897年发明的阴极射线示波器Cathoderay oscilloscope相较，现有的数字储存示波器已大不相同进步的技术不断提升示波器的新特性，更适合让工程师使用其中最显著提升的功能之一便是示波器进入数字领域，导入数字信号处理与波形分析等强大功能现在的数字示波器包含高速、低分辨率一般为8位的模拟数字转换器ADC,已定义的控制元与显示功能，且内建的处理器可执行常见测量操作的软件算法另外来说，示波器可利用计算机最新的处理功能与高分辨率显示，并保留高速示波器的其他功能由于示波器属于计算机架构，让用户能通过软件而定义仪器功能因此，示波器不仅能够用于示波器测量，也可用于客制化测量，甚至用于频谱分析器、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，开放架构与灵活软件，均让示波器具备更多优势然而，示波器Digitizer与高速示波器Oscilloscope有许多相似之处，因此在选择时也需要考虑多项要点本文将讨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通过模拟前端”的频率范围，即从探针尖端或测试设备直到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”，也大家所熟知的-3dB点在一般情况下，示波器的频率应要能超过信号最高频率的2倍以上示波器常用于测量信号的上升时间，如数字脉冲或其他具尖锐边缘的信号此种信号均由高频信号组成为了采集信号的确实形状，则需选用高带宽示波器举例来说，10MHz方波是由10MHz正弦波与无数谐波所组成若要取得该信号的实际形状，则所选示波器的带宽必须能够采集数个谐波否则将造成信号失真与错误测量图L在采集高频率的波形时，必须使用高带宽示波器以下公式可根据上升时间（即为信号振幅从10%升至90%所需的时间）计算信号带宽图

2.上升时间为信号从全值的10%上升至90%所需时间5MHz squarewave acqunrdwith5MHz squarewave acquiredwith贬电庇NI PXL5152d itize/s20MHz NIPXL5152d e/$393MHznoise filteron.baitdw idth.上升时间与带宽直接相关，因此上述公式可相互换算此2组值在理想情况下，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，为了将信号采集的错误降至最低，示波器的上升时间应为信号上升时间的1/5至1/3下列公式可反推出信号实际带宽q二所测得的上升时间；十二实际信号上升时间；刀二示波器上升时间

2.取样率带宽为示波器的重要规格之一但若取样率不足，带宽再高也是枉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数字化输入信号的定时速率请注意，取样率与带宽并无直接的相关性但此2项重要规格之间存在着必要关系示波器的实时取样率=示波器带宽的3至4倍Nyquist定理则表明，为了避免失真，示波器取样率至少为受测信号最高频率要素的2倍然而，仅达最高频率的2倍取样率，仍不足以精确重新产生时域信号为了精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倍下图即说明使用者所希望通过示波器看到的数字化信号图

3.右图示波器具备有效的高取样率，可精确重建信号并达到更精确的测量结果尽管上述2组实际信号均通过了前端模拟电路，但左图的取样率不足而导致数字化信号的失真而右图则具备足够的取样点，可精确重建信号，进而达到更精确的测量操作对时域应用（如上升时间、过冲，或其他脉冲测量）而言，能否清楚呈现信号极为重要，所以高取样率的示波器可于此类应用中提供更佳优势

3.取样模式取样模式主要可分为2种实时取样与等效时间取样（ETS）实时取样率如上所述，除了代表ADC频率之外，也表示单次采集所能取得信号的最高速率而ETS则属于信号重建方法，是以单次采集模式所取得的触发波形为基础ETS的优点在于其具备更高的有效取样率，但缺点却是耗时更长，且仅适用于重复性信号请注意，ETS并不会提高示波器的模拟带宽，且仅适用以更高取样率重现信号常见的ETS为随机间隔采样（RIS）,而多数的NI示波器均具备该功能示波器型号通道数实时采样率等时取样率市宽分辨率NI515222GS/s20GS/s300MHz8位NI51142250MS/s5GS/s125MHz8位NI51242200MS/s4GS/s150MHz12位NI51222100MS/s2GS/s100MHz14位NI5105860MS/s60MHz12位—500kS/s至16~24位NI59222—6MHz15MS/s使用者定义

4.分辨率与动态范围如上所述，示波器所具备的ADC可将模拟信号转为数字信号ADC所回传的位数就是示波器分辨率针对任何已知的输入范围，往往以F2bJ表示信号数字化的可能离散程度，其中「b」即为示波器分辨率输入范围是依2b个步进而划分，而「输入范围/2口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lOVpp输入范围切割成2=256级，每级39mV；24位示波器可将10Vpp输入范围切割成2416,777,216等级，每级596nV（约为8位的1/65,000）o=选用高分辨率示波器的原因之一，就是要测量更小信号有时我们不禁有所一问为什么不使用低分辨率仪器与较小范围的信号，就可以「缩放」信号而测得低电压呢？问题在于，很多信号同时具有小型信号与大型信号使用大范围虽可测量大型信号，但小型信号将藏在大型信号的噪声中换句话说，使用小范围就必须压缩大型信号，而造成测量失真与错误因此，针对动态信号的应用（同时具备大、小型电压的信号），就需要较大动态范围的高分辨率仪器，以测出大型信号中的小型信号传统示波器通常使用8位分辨率的ADC,但较难以满足频谱分析或动态信号的应用（如调变波形）此类应用即可选用下表中的高分辨率示波器，包含NI PXI-5922弹性分辨率示波器，并获颁Test andMeasurement World的2006年度最佳测试产品此款模块通过线性化技术，达到业界最高的示波器动态范围示波器型号通道数分辨率实时采样率带宽500kS/s至1516~24位（用NI592226MHz户定义）MS/sNI512214位2100MS/s100MHzNI512412位2200MS/s150MHzNI510512位860MS/s60MHz

5.触发一般来说，示波器均用以采集特定事件的信号仪器的触发功能则可独立出特定事件，以采集事件发生前后的信号多款示波器均具备模拟边缘、数字，与软件触发等功能其他触发选项还有分窗（Window）、磁滞，与视讯触发功能（NI

5122、NI5124,与NI5114具备该功能）高阶示波器可于2次触发之间迅速重启（Re-arm）,可进入多重记录的采集模式示波器将根据既定触发而采集特定数量的点，并迅速重启以等待下次触发快速重启功能可确保示波器不致错过事件或触发若仅需采集并储存特定数据，则多重记录模式可达极高效能；除了可优化内建内存使用状态之外，并可限制计算机总线的活动。