选用示波器所需考虑的10大要素

概述

与德国科学家Karl Ferdinand Braun 于1897 年发明的阴极射线示波器(Cathode ray 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，10 MHz 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1. 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。
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。

=所测得的上升时间；=实际信号上升时间；=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	带宽	分辨率
NI 5152	2	2 GS/s	20 GS/s	300 MHz	8 位
NI 5114	2	250 MS/s	5 GS/s	125 MHz	8 位
NI 5124	2	200 MS/s	4 GS/s	150 MHz	12 位
NI 5122	2	100 MS/s	2 GS/s	100 MHz	14 位
NI 5105	8	60 MS/s	–	60 MHz	12 位
NI 5922	2	500 kS/s 至15 MS/s	–	6 MHz	16 ~ 24 位 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「2^b」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2^b 个步进而划分，而「输入范围/2^b」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10Vpp 输入范围切割成2⁸ = 256 级，每级39 mV；24 位示波器可将10 Vpp 输入范围切割成2²⁴ = 16,777,216 等级，每级596 nV (约为8 位的1/65,000)。

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 and Measurement 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	分辨率	通道数	实时采样率	带宽
NI 5922	16 ~ 24 位 (用户定义)	2	500 kS/s 至15 MS/s	6 MHz
NI 5122	14 位	2	100 MS/s	100 MHz
NI 5124	12 位	2	200 MS/s	150 MHz
NI 5105	12 位	8	60 MS/s	60 MHz

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、NI 5124，与 NI 5114 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。