示波器的原理與選型
示波器自從誕生以來(lái)，它一直是最重要、最常用的電子測(cè)試儀器之一。由于電子技術(shù)的發(fā)展，示波器的檢測(cè)能力在不斷提升，其性能與價(jià)格也五花八門，市場(chǎng)參差不齊。示波器看似簡(jiǎn)單，但如何選擇，也存在許多問(wèn)題。本文根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合揚(yáng)州拓普電氣科技有限公司產(chǎn)品選型指南，從幾個(gè)方面告知您在選擇示波器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。
一、了解您需要測(cè)試的信號(hào)
一、了解您需要測(cè)試的信號(hào)
您要知道用示波器觀察什么？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)程的帶寬，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)？您對(duì)測(cè)試信號(hào)作何種處理？
二、選擇示波器的核心技術(shù)差異：模擬（DRT）、數(shù)字（DSO）、還是數(shù)模兼合（DPO）
傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的控制面板，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)際上不受限制的測(cè)量功能，數(shù)字示波器已獨(dú)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(diǎn)，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(cè)試信號(hào)帶寬
三、確定測(cè)試信號(hào)帶寬
帶寬一般定義為正弦波輸入信號(hào)幅度衰減到 -3dB 時(shí)的頻率，即幅度的70.7% 。帶寬決定示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。如果沒(méi)有足夠的帶寬，示波器將無(wú)法測(cè)量高頻信號(hào)，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，得到的信號(hào)所有特性，包含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經(jīng)驗(yàn)——“5倍經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則”：將您要測(cè)量的信號(hào)最高頻率分量乘以5，使測(cè)量結(jié)果獲得高于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，但是您知道它的最快上升時(shí)間，這時(shí)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： Bw=0.35/信號(hào)的最快上升時(shí)間。
數(shù)字示波器帶寬有兩種類型：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最高頻率，且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)或瞬變信號(hào)時(shí)就更為重要，實(shí)時(shí)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(jià)格，因此應(yīng)按照預(yù)算來(lái)選擇您要觀察的信號(hào)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(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)或低頻信號(hào)，最小采樣速率就發(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(jì)算采樣速率？計(jì)算方法取決于所測(cè)量的波形類型，以及示波器所采用的信號(hào)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(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最高頻率成分的兩倍。然而，這個(gè)定理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和周期連續(xù)的信號(hào)。由于示波器不可能提供無(wú)限時(shí)間的記錄長(zhǎng)度，而且從定義上看，低頻干擾是不連續(xù)的，也不是周期的，所以采用兩倍于最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，即波形重建。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)類型的線性插值法。
有一個(gè)比較采樣速率和信號(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（采樣速率 / 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。
五、屏幕刷新率也稱為波形更新速度
所有的示波器都會(huì)閃爍，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(gè)波形或周期內(nèi)A/D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。
一般來(lái)講，模擬示波器由于電路簡(jiǎn)單，其屏幕刷新率較高，而數(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。為了改變數(shù)字示波器屏幕刷新率低的問(wèn)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(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。
六、選用適當(dāng)?shù)拇鎯?chǔ)深度，也稱記錄長(zhǎng)度
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)度除以精確重現(xiàn)信號(hào)所須的采樣速率，可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度。
存儲(chǔ)深度與采樣速率密切相關(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。在正確位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā)，通常可以減小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。
七、根據(jù)需要選擇不同的觸發(fā)功能
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，使信號(hào)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(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)，找出您關(guān)心的非正常問(wèn)題，從而最有效地利用采樣速率和存儲(chǔ)深度。
現(xiàn)今有很多示波器，具有先進(jìn)的觸發(fā)能力。觸發(fā)能力主要圍繞三個(gè)方面：①有關(guān)垂直方向的幅度，例瞬態(tài)尖峰觸發(fā)、過(guò)脈沖或短脈沖觸發(fā)等；②有關(guān)水平方向的與時(shí)間有關(guān)的觸發(fā)，例脈沖寬度、窄脈沖、建立/保持時(shí)間等設(shè)定時(shí)間寬度的觸發(fā)形式；③擴(kuò)展和常規(guī)觸發(fā)功能的組合能力，例對(duì)視頻信號(hào)或其它難以捕捉的信號(hào)，通過(guò)時(shí)間和幅度組合設(shè)置觸發(fā)條件進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)能力的提高，可以大提高測(cè)試過(guò)程的靈活性，并簡(jiǎn)化工作，尤其現(xiàn)今的示波器對(duì)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(duì)地的懸浮能力和通道之間的隔離能力
八、通道能力，包括通道數(shù)量和通道對(duì)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(duì)于通常的經(jīng)濟(jì)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(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)工程師可以選擇混合信號(hào)示波器（MSO），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)顯示的單一儀器中。如果您測(cè)量三相電，可控硅等有源器件或線路，兩端之間沒(méi)有絕對(duì)的零點(diǎn)，即所謂的浮地信號(hào)，這時(shí)候從操作安全和精度出發(fā)，應(yīng)選用隔離通道示波器；如果比較多通道的時(shí)序和相移，應(yīng)選用兩通道以上示波器，這時(shí)通道之間的隔離更顯重要。
九、對(duì)異常現(xiàn)象的捕獲
三個(gè)主要因素影響著示波器顯示日常測(cè)試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信號(hào)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(cè)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(duì)信號(hào)和控制的變化反應(yīng)快慢，使用峰值檢測(cè)有助于在較慢的信號(hào)中捕捉快速信號(hào)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(shí)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)字示波器的最大優(yōu)點(diǎn)是它們能得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，且按一下按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號(hào)而異，但它們一般包括頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等測(cè)量，有些示波器還提供很多分析模塊，例FFT、功率分析、高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)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(diǎn)是，當(dāng)裝上探頭時(shí)，它就成為整個(gè)測(cè)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(cè)對(duì)象不同的測(cè)量結(jié)果。因此，針對(duì)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)最小，使信號(hào)得到最精確的復(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。詳細(xì)見(jiàn)北京海洋興業(yè)科技有限公司專業(yè)文章“走向更好的測(cè)量，合理地選擇探頭和附件”。
十三、示波器的操作性能
很顯然，如果您不能訪問(wèn)各種功能，或者要花很多時(shí)間去學(xué)習(xí)它們，那么您的示波器將價(jià)值不大，適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和中文操作界面會(huì)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(duì)測(cè)量結(jié)果的分析非常重要。將信息和測(cè)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(duì)結(jié)果的高級(jí)分析能力并簡(jiǎn)化結(jié)果的存檔和共享。示波器通過(guò)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(kuò)展性
為了不斷適應(yīng)需求變化。示波器功能最好可以隨機(jī)擴(kuò)展：
1、增加通道的內(nèi)存以分析更長(zhǎng)的記錄長(zhǎng)度
2、增加面對(duì)具體應(yīng)用的測(cè)量功能
3、有一整套兼容的探頭和模塊，加強(qiáng)示波器的能力
4、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。
5、增加附件，如電池組和機(jī)架固定件等。
總之，示波器的選擇是一個(gè)看似簡(jiǎn)單而又是您很難處理的問(wèn)題，市場(chǎng)上產(chǎn)品很多，并且技術(shù)各有差異，有時(shí)很難讓您下決定。以上說(shuō)明可能給您一些建議，采用上圖的選擇過(guò)程會(huì)對(duì)您更有益。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，選擇示波器有以下“經(jīng)驗(yàn)法則”：
1、 ART模擬示波器，選擇四要素：性價(jià)比（價(jià)格與產(chǎn)品質(zhì)量品牌的比較優(yōu)勢(shì)）、測(cè)試帶寬（5倍經(jīng)驗(yàn)法則）、通道數(shù)量（2或4）、供應(yīng)商能力（售后是否得到保證）。
2、 DSO數(shù)字存儲(chǔ)示波器，在測(cè)試信號(hào)帶寬、示波器帶寬、示波器實(shí)時(shí)采樣率、示波器存儲(chǔ)深度之間找到平衡，有以下經(jīng)驗(yàn)可循：示波器帶寬最好是信號(hào)帶寬的5倍；示波器實(shí)時(shí)采樣速率≥4倍示波器帶寬；存儲(chǔ)深度≥采樣速率×要求最長(zhǎng)保存時(shí)間。
3、 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(gè)能力：屏幕刷新率、波形觸發(fā)與分析能力。
4、特殊功能需求。①你如果需要到現(xiàn)場(chǎng)工作，并且需要電池供電，對(duì)儀器的體積要求很嚴(yán)，對(duì)儀器的功能除示波器測(cè)量外還需要其它測(cè)試（例萬(wàn)用表功能），您這時(shí)最好選用手持示波表（HSO）。②如果您在隔離或懸浮時(shí)，安全不能得到保障，并且需要分析功率、相移時(shí)，請(qǐng)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(hào)混合測(cè)試，您除了選用具有串行總線觸發(fā)功能的示波器外，您最好選用MSO混合示波器。
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1、增加通道的內(nèi)存以分析更長(zhǎng)的記錄長(zhǎng)度
2、增加面對(duì)具體應(yīng)用的測(cè)量功能
3、有一整套兼容的探頭和模塊，加強(qiáng)示波器的能力
4、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。
5、增加附件，如電池組和機(jī)架固定件等。
總之，示波器的選擇是一個(gè)看似簡(jiǎn)單而又是您很難處理的問(wèn)題，市場(chǎng)上產(chǎn)品很多，并且技術(shù)各有差異，有時(shí)很難讓您下決定。以上說(shuō)明可能給您一些建議，采用上圖的選擇過(guò)程會(huì)對(duì)您更有益。根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn)，選擇示波器有以下“經(jīng)驗(yàn)法則”：
1、 ART模擬示波器，選擇四要素：性價(jià)比（價(jià)格與產(chǎn)品質(zhì)量品牌的比較優(yōu)勢(shì)）、測(cè)試帶寬（5倍經(jīng)驗(yàn)法則）、通道數(shù)量（2或4）、供應(yīng)商能力（售后是否得到保證）。
2、 DSO數(shù)字存儲(chǔ)示波器，在測(cè)試信號(hào)帶寬、示波器帶寬、示波器實(shí)時(shí)采樣率、示波器存儲(chǔ)深度之間找到平衡，有以下經(jīng)驗(yàn)可循：示波器帶寬最好是信號(hào)帶寬的5倍；示波器實(shí)時(shí)采樣速率≥4倍示波器帶寬；存儲(chǔ)深度≥采樣速率×要求最長(zhǎng)保存時(shí)間。
3、 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(gè)能力：屏幕刷新率、波形觸發(fā)與分析能力。
4、特殊功能需求。①你如果需要到現(xiàn)場(chǎng)工作，并且需要電池供電，對(duì)儀器的體積要求很嚴(yán)，對(duì)儀器的功能除示波器測(cè)量外還需要其它測(cè)試（例萬(wàn)用表功能），您這時(shí)最好選用手持示波表（HSO）。②如果您在隔離或懸浮時(shí)，安全不能得到保障，并且需要分析功率、相移時(shí)，請(qǐng)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(hào)混合測(cè)試，您除了選用具有串行總線觸發(fā)功能的示波器外，您最好選用MSO混合示波器。
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