3種常用的示波器

1、分類

按丈量被測(cè)信號(hào)所使用的技術(shù)，它可分為模擬示波器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)和組合示波器(混合信號(hào)示波器，MSO)等幾大類。

1.1模擬示波器

一臺(tái)完整的模擬示波器通常由陰極射線管CRT、Y通道、X通道和電源等幾部分組成。其中CRT主要包括電子槍、熒光屏和偏轉(zhuǎn)板三個(gè)部分。輸進(jìn)的被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大直接加在Y軸偏轉(zhuǎn)板上，同時(shí)用一個(gè)與時(shí)間成正比的鋸齒波電壓加在X軸偏轉(zhuǎn)板上，使電子槍產(chǎn)生的電子束在靜電力的作用下產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，光點(diǎn)就會(huì)在熒光屏上描繪出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的波形。為了顯示多個(gè)被測(cè)信號(hào)，通常在Y通道中插進(jìn)了通道轉(zhuǎn)換器，使它們輪流加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上。為了保證加在X軸偏轉(zhuǎn)板上的鋸齒波電壓每次都從被測(cè)信號(hào)上的一個(gè)確定的點(diǎn)開始掃描，以此穩(wěn)定被顯示的波形，X通道一般都設(shè)有同步觸發(fā)電路。

1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器

數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO)固然也由顯示器或CRT、Y通道、X通道和電源等幾部分組成，但Y通道中插進(jìn)了A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器和數(shù)字存儲(chǔ)器等。丈量過程中運(yùn)用了數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并在單片機(jī)的控制之下有條不紊的工作。首先按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔對(duì)被測(cè)的模擬信號(hào)采樣，然后，通過A/D轉(zhuǎn)換器將這些采樣值轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的數(shù)字量和循環(huán)存進(jìn)存儲(chǔ)器中。需要顯示丈量結(jié)果或分析結(jié)果時(shí)，單片機(jī)從存儲(chǔ)器讀出存進(jìn)的數(shù)據(jù)，處理后以數(shù)字方式或模擬方式將它們轉(zhuǎn)換成模擬波形或要求的形式顯示在顯示器上。由于這種示波器運(yùn)用了采樣量化和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，由此帶來(lái)了很多超越模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)。

1.3組合示波器

組合示波器(混合信號(hào)示波器，MSO)是將DSO和模擬示波器或邏輯分析儀或數(shù)字萬(wàn)用表(DMM)等兩、三種儀器有機(jī)組合在同一機(jī)箱中的混合型儀器，它集成了多臺(tái)儀器的功能和優(yōu)點(diǎn)，以此滿足用戶的更多更高的測(cè)試要求。

Agilent的54832D、54833D、54831D、54830D、54642D、54641D、54622D、54621D示波器，F(xiàn)luke的190系列萬(wàn)用示波表、TK的THS700A系列示波器/數(shù)字萬(wàn)用表等是一些典型的組合型示波器。

2、特性

與模擬示波器比，DSO使用了采樣量化技術(shù)和晶振等器件，因此，具有更高的幅度丈量正確度和時(shí)間丈量正確度。DSO具有豐富的觸發(fā)功能，能存儲(chǔ)觸發(fā)前后的相關(guān)數(shù)據(jù);能有效地丈量單次信號(hào);能在同一時(shí)刻采集、存儲(chǔ)多個(gè)被丈量;能永久存儲(chǔ)測(cè)得的數(shù)據(jù)，包括制作成硬拷貝;能反復(fù)再現(xiàn)測(cè)得的波形;能對(duì)測(cè)得的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，如將測(cè)得的電壓、電流相乘，求得此時(shí)刻的功率，又如對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，求均值、極值、數(shù)字濾波、積分、微分、作FFT運(yùn)算等;DSO具有通用接口;能預(yù)先存儲(chǔ)測(cè)試序列和在微機(jī)的控制之下進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試;對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)能與事先設(shè)置的參考波形或一組波形參數(shù)進(jìn)行比較，如超出限定的范圍，則立即聲光告警或發(fā)中斷信號(hào)給主機(jī)等。

不過，DSO的造價(jià)一般都比模擬示波器高，丈量的實(shí)時(shí)性也不如它。模擬示波器的波形更新速率很高，最高超過400000次/s，它具有“無(wú)窮的分辨率”，每一時(shí)刻都能顯示該時(shí)刻的輸進(jìn)電壓，而DSO在“采集-存儲(chǔ)-再現(xiàn)”之間存在明顯的時(shí)間延遲。由于波形亮度變化正比于信號(hào)在某一特定電平的持續(xù)時(shí)間，因此，一些信號(hào)的變化也會(huì)在模擬示波器上以這種形式表現(xiàn)出來(lái)。DSO缺乏這種顯示效果。

盡管DSO還有一些地方需要改進(jìn)，性價(jià)比還需進(jìn)一步進(jìn)步，但是，它代表了電子示波器的發(fā)展方向。據(jù)前幾年的市場(chǎng)調(diào)查知，DSO的產(chǎn)銷量已占了整個(gè)示波器類產(chǎn)品產(chǎn)銷量的80%以上，而且，此比例還在繼續(xù)增加。

3、選用

3.1類型選擇

DSO是采樣示波器，樣點(diǎn)之間有一定的時(shí)間間隔，丈量是不連續(xù)的，顯示滯后實(shí)際情況，而模擬示波器對(duì)信號(hào)的丈量是連續(xù)進(jìn)行的，屏幕上的顯示是當(dāng)時(shí)正在發(fā)生的情況，而且造價(jià)低。因此，模擬示波器比較適合丈量調(diào)頻、調(diào)幅、視頻、噪聲等信號(hào)，比較適合電子產(chǎn)品檢測(cè)、調(diào)整和維修等應(yīng)用，以及基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)儀器教育使用。

DSO丈量精度高、功能強(qiáng)，具有多種觸發(fā)能力和波形處理能力，能夠進(jìn)行自動(dòng)丈量等，因此，除常規(guī)波形丈量外，還很適合丈量單次、低重復(fù)速率信號(hào)，及在需要預(yù)觸發(fā)和對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析處理等場(chǎng)合使用。如故障檢測(cè)、電源設(shè)計(jì)調(diào)試、通訊產(chǎn)品/電子產(chǎn)品生產(chǎn)線測(cè)試、瞬態(tài)研究測(cè)試等。

假如同時(shí)需要一臺(tái)儀器兼有DSO和邏輯分析儀、DMM等功能特性，或需要組合后形成的新特性，則可選用組合型示波器(混合信號(hào)示波器)。

3.2通道數(shù)目

觀測(cè)一個(gè)信號(hào)，可選用簡(jiǎn)易示波器;同時(shí)觀測(cè)、比較兩個(gè)信號(hào)，可選用雙通道示波器。雙通道示波器是最常用的示波器，因價(jià)格低廉，使用比較方便，已廣泛使用在實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)。假如需要觀測(cè)更多模擬信號(hào)之間的相互關(guān)系，則應(yīng)選用四通道示波器。

隨著被觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)字成分的增加，傳統(tǒng)的雙通道示波器或四通道示波器已難以滿足同時(shí)捕捉足夠通道數(shù)目被測(cè)信號(hào)的要求。這時(shí)，應(yīng)將示波器和邏輯分析儀等組合起來(lái)使用，或者使用一臺(tái)將幾種儀器組合在同一臺(tái)機(jī)箱內(nèi)的組合示波器(如將16通道的分析儀集成在DSO中的混合信號(hào)示波器)，利用邏輯分析儀的觸發(fā)能力幫助示波器采集數(shù)據(jù)，同時(shí)丈量不同類型和不同速度的信號(hào)。使用Agilent 54832D MSO進(jìn)行丈量的一個(gè)例子見“用混合信號(hào)示波器調(diào)試PCI總線”一文。

3.3帶寬和采樣率

帶寬是示波器垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)所具有的通頻帶的寬度。對(duì)模擬示波器來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)能以不低于真實(shí)信號(hào)3dB的幅度來(lái)顯示信號(hào)的最高頻率。示波器的帶寬越寬，能丈量被測(cè)信號(hào)的最高頻率也越高。通常帶寬應(yīng)為被測(cè)信號(hào)最高頻率的3倍以上;比值越高丈量結(jié)果越正確，但噪聲隨之增加。

DSO也有帶寬指標(biāo)(重復(fù)帶寬、模擬帶寬)，這是與示波器的采樣速率相對(duì)應(yīng)的一個(gè)指標(biāo)。為了正確地表示信號(hào)的頻率和幅度，通常要求采樣速率應(yīng)為被測(cè)信號(hào)的最高頻率分量的5~10倍，甚至10倍以上。對(duì)最高頻率為40MHz的信號(hào)，應(yīng)使用最高采樣速率為200MS/s或400MS/s的示波器。

采樣間隔是采樣速率的倒數(shù)，因此，若研究的時(shí)間間隔為10ns，則應(yīng)使用200MS/s的示波器。在觀測(cè)瞬態(tài)特性(如丈量上升時(shí)間)時(shí)，選用的采樣速率應(yīng)保證在它的信號(hào)邊沿上采集到足夠的細(xì)節(jié)信息，也就是說(shuō)，必須采集到比較多的采樣值。

DSO還常給出單次帶寬，其含意是被測(cè)單次信號(hào)中的有效頻率分量應(yīng)小于此頻率，否則，顯示的信號(hào)會(huì)有較明顯的失真。單次帶寬小于即是重復(fù)帶寬。

對(duì)模擬示波器來(lái)說(shuō)，示波器的帶寬與上升時(shí)間的乘積是一個(gè)為0.35~0.45的常數(shù)。帶寬越寬，上升時(shí)間越小。當(dāng)被測(cè)信號(hào)的上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間(包括探頭的上升時(shí)間)的比值較大時(shí)，丈量誤差則較小。當(dāng)此比值>5時(shí)，丈量誤差約為2%。

3.4觸發(fā)能力

模擬示波器常以電平方式或斜率方式觸發(fā)。雖能滿足很多常規(guī)丈量要求，但對(duì)一些特殊的丈量或復(fù)雜的丈量則無(wú)能為力，這時(shí)，必須使用DSO或MSO。如利用DSO的預(yù)觸發(fā)功能，在故障波形發(fā)生時(shí)刻觸發(fā)，觀測(cè)在此之前和故障發(fā)生時(shí)的情況，以便查明導(dǎo)致故障的原因。DSO一般還具有很多很有用的其他觸發(fā)功能。如，串行觸發(fā);用正向或負(fù)向毛刺進(jìn)行觸發(fā)，用一個(gè)寬度大于或小于給定值的脈沖進(jìn)行觸發(fā);以通道間的特殊圖形進(jìn)行觸發(fā);在給定時(shí)間內(nèi)，由沒有任何變化的數(shù)字信號(hào)線觸發(fā)等等。

3.5記錄長(zhǎng)度

記錄長(zhǎng)度指示波器中可以儲(chǔ)存的采樣點(diǎn)數(shù)。這是DSO特有的指標(biāo)，按需要選擇即可。早期的DSO的存儲(chǔ)容量不大，只有幾K、幾十K;現(xiàn)在已發(fā)展到幾百K、幾M，甚至更大。而且，采用專用處理器控制進(jìn)進(jìn)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)流和對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

3.6其他

選用示波器時(shí)還應(yīng)留意其他特性。如，探頭是否與示波器相配，是否適合特定的丈量任務(wù)。示波器使用起來(lái)是否方便，操縱是否簡(jiǎn)單等