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。

=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。

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「2b」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/2b」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。

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。

6. 内建内存

一般状态下，数据均由示波器传输至计算机，以利测量与分析操作。尽管这些仪器能达最大取样率 (可达数个 GS/s)，但到达计算机的传输率均将受到总线 (如PCI、LAN，与 GPIB) 的带宽限制。目前这些总线均难以达到数个 GS/s 的速率，但 PCI Express 与 PXI Express 却可轻松达成。

若总线接口无法达到等同于取样率的连续数据传输，仪器内建的内存将以最高速率采集数据，等待计算机进行后续处理。

大容量内存不仅可延长采集时间，也具备频域的相关优势。最常见的频域测量为高速傅利叶转换(FFT)，可显示信号的频率内容。若FFT 可达更高频率分辨率，也可轻松侦测离散频率。

通过上述方程式，共有2 种方式可提升频率分辨率：降低取样率或增加FFT 中的取样点。由于降低取样率将同时降低频率带宽，因此并不属于理想的解决方案。因此，最好是能采集更多数据点进行FFT，而这时将需要更大容量的内存。

图4. 内建更多内存可支持更高取样率，并于更长时间采集更多点，以更高的频率分辨率计算FFT 结果。

7. 信道密度

购买示波器的考虑要素之一即为仪器信道数，或是否可同步多组仪器以提升信道数。多款示波器除了具备 2 或 4 个通道之外，也可通过特定取样率进行同步取样。当使用示波器的所有通道时，必须注意取样率所受影响的程度。目前常见的所谓分时取样 (Time-interleaved sampling)，即是交叉多个通道而达到较高取样率。若示波器使用此技术并搭配所有通道时，就较难以达到最高采集速率。

所需通道数完全根据特定应用而有所不同。传统 2 或 4 信道产品已经难以满足目前的应用需求，而此时有 2 种解决方法。首先是选用高信道密度的产品，如可同步 8 通道的NI 5105 – 12 位、60 MS/s 的 60 MHz示波器。若找不到可满足分辨率、速率，与带宽等需求的仪器，则选用的平台应可精密同步，并可共享触发与频率，以随时调整测试系统。由于 GPIB 或 LAN 具备高潜时、传输量受限，并需要额外接线，因此实际上难以同步化多组箱型示波器;此时 PXI 总线则可为较佳的解决方案。PXI 已成为工业级标准，并针对现有的高速总线 (如 PCI 与 PCI Express) 新增世界级水平的同步技术。

图5. 通过同步化技术，即可建立高通道数示波器。

上图系统可采集最多136 个条相位同调通道。多宿主也可同步化更多通道。

NI 示波器(包含 NI PXI-5105 与 NI PXI-5152) 具备T-Clock 技术，可达十分之一微微秒(Picosecond) 的同步精度。举例来说，单一18 槽式机箱安装多组 NI PXI-5152 示波器，则可达最多34 个同步通道且1 GS/s 取样率。同样的，多组 NI PXI-5105 示波器可同步建构136 个同步信道的系统，且各个信道达60 MS/s 取样率与12 位分辨率(上图)。针对更高通道数，PXI 也可通过时序模块扩充多组机箱，达到最多5,000 个信道的系统。

8. 多重仪器同步化

大多数的自动化测试与多重工作台应用，均需要多类型的仪器，如示波器、信号产生器、数字波形分析器、数字波形产生器，与切换器等。

PXI 与 NI 模块化仪器既有的时序与同步化功能，可同步上述的所有仪器，且不需额外接线。举例来说，示波器 (如NI PXI-5122) 可整合任意波形生成器 (如NI PXI-5421) 而执行参数扫描，针对受测装置 (DUT) 的频率与相位响应进行特性描述操作。整个扫描过程为完全自动，且不需手动设定量表与产生器参数，即可进行后续的脱机分析。PXI 的模块化特性大幅提升了速度，且用户不需再耗时操作，进而提高效率。

9. 混合信号功能

T-Clock 技术仅需单一 PXI 机箱达到 136 个同步化通道，或以多组机箱达到最多 5,000 个通道;当然，该技术也可同步化不同类型的仪器。举例来说，NI 示波器可通过 T-Clock 技术整合信号产生器、数字波形产成器，与数字波形分析器，建构混合式信号系统。

图6. 上图VI 展现混合式信号(模拟与数字输入) 示波器的应用。

此外，数字或模拟输出功能也可新增至应用，以同步化所有仪器。

另外也可使用模块化PXI 示波器搭配任意波形产生器，或数字波形产生器/分析仪，以建构完整的混合式信号应用，可达到示波器与逻辑分析器的优点，而不会仅限于数字化功能的示波器。

10. 软件、分析功能，与可客制化特性

当选择模块化示波器或独立示波器时，软件与分析功能也为考虑要点。

独立示波器是由制造商所定义，而一般示波器可由用户于应用中弹性定义之。箱型示波器具备多项标准功能，可满足工程师的常见需求。而这些标准功能不一定适用于所有应用，针对自动化测试应用尤为如此。若使用者必须定义示波器所将进行的测量操作，则应选用模块化的示波器，可通过计算机架构进而客制化，以满足特殊需求，不致受限于独立示波器的固定功能。

NI 示波器可通过免费的NI-SCOPE 驱动软件进行程序设计。该驱动程序搭配超过50 笔预先撰写的范例程序，且特别强化NI 示波器的完整功能，其中的NI-SCOPE Soft Front Panel 也具备近似于示波器的接口。针对多样应用，同款硬件也可针对常见/客制化测量操作，通过如NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic，与.NET 进行程序设计。且NI-SCOPE 也可于LabVIEW 中支持设定架构的函式。

图7. 使用预先设定的Express 区块，将可迅速设定示波器以采集数据。

NI LabVIEW SignalExpress 为交互式的环境，不需程序设计即可采集、分析，并记录数据。

11. 结论

虽然模块化示波器与独立示波器均可采集电压，但不同仪器具备不同优点。而上述的考虑因素均极为重要。使用者应先考虑应用需求、成本限制、效能，与未来的可扩充性，再选出可满足需求的仪器。