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模擬示波器和數(shù)字示波器 數(shù)字示波器是如何工作的

時間：2020-08-04    來源：儀多多儀器網(wǎng)    作者：儀多多商城     
一、模擬和數(shù)字，各有千秋 

廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，帶寬100MHz的同步示波器開發(fā)成功，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國比較好，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。 

模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器的確從前臺退到后臺。 

但是模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的： 

操作簡單——全部操作都在面板上，波形反應(yīng)及時，數(shù)字示波器往往要較長處理時間。 
垂直分辨率高——連續(xù)而且無限級，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。 
數(shù)據(jù)更新快——每秒捕捉幾十萬波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。 
實(shí)時帶寬和實(shí)時顯示——連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。 

簡而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測試。人類五官中眼睛視覺十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，微細(xì)變化都可感知。因此，模擬示波器深受使用者的歡迎。 

二、數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷 

八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國的TEK公司和HP公司都對數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來甚至停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。 

數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應(yīng)對正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz，甚至10GHz。 

其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同的水平，最高可達(dá)每秒40萬個波形，對觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖就方便多了。 

再次，采用多處理器加快信號處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動測量，使用上與模擬示波器同樣方便。 

最后，數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示，賦于波形的三維狀態(tài)，即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器。 

三、數(shù)字示波器要有模擬功能 

模擬示波器用陰極射線示波管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)的電子運(yùn)動速度與信號頻率成正比，信號頻率越高電子速度越快，示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比，低頻波形的高度高，高頻波形的高度低。利用熒光屏的亮度或灰度容易獲得信號的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效。模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達(dá)到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件。 

數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能，因?yàn)樗菙?shù)字處理，只有兩個狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必需采用專用圖像處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖像處理和存儲等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，采用0.65um的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率2GS/s。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級亮度分級，將波形存儲在500*200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每0.33秒更新一次。由于模擬存儲示波器只能依靠照相底片記錄波形，對數(shù)據(jù)保存并不十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)機(jī)率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)機(jī)率最低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到1GHz帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲示波器。 

四、數(shù)字熒光示器 

去年著名電子示波器制造商TEK公司首先推出數(shù)字熒光示波器兩種系列TDS500（單色）和TDS700（彩色），具有500MHz-2GHz帶寬，取樣率最高2GHz，較多4通道輸入，屬于中高檔數(shù)字示波器，價位在10,000美元以上。今年生產(chǎn)一種TDS3000系列數(shù)字熒光示波器，起價只3,000美元，帶寬500MHz ,取樣率最高5GS/s，受到用戶的歡迎。另一家專門生產(chǎn)數(shù)字示波器的LeCroy公司，今年也推出一種數(shù)字余輝示波器，名稱雖有別于數(shù)字熒光示波器，它們的功能實(shí)際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz，取樣率500MS/s，較多4通道輸入，起價5,999美元。 

以下較詳細(xì)介紹這兩種系列數(shù)字示波器的特點(diǎn): 

普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長時間記錄，然后作信號處理，這種辦法會漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示信號的動態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號，既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號，還要記錄電視信號中的異?，F(xiàn)象，對于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。 

TEK公司的TDS3000數(shù)字熒光示波器提供多種測試模塊，可以從前面板右上角插入四種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā)，以及脈沖參數(shù)（上升、下降邊，寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（NTCS、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應(yīng)，亦可分析諧波分布，并且識別和定位噪聲和干擾來源。 TDS3000系列示波器是便攜式的，重量不到7磅，可由電池供電，特別適于現(xiàn)場使用。 

LeCroy公司的Waverunner系列數(shù)字余輝示波器的余輝時間常數(shù)是可以改變的，因此在使用上與模擬存儲示波器非常相似。它的抖動和定時分析（JTA）軟件包可對屏幕顯示的信號作定量分析，例如，經(jīng)過數(shù)字處理后可在脈沖抖動的波形下面劃出亮線，亮線長度表示抖動范圍，最亮部分表示經(jīng)常出現(xiàn)的抖動區(qū)。積累波形數(shù)目達(dá)10萬個，結(jié)果可繪制成直方圖。 

Waverunner示波器還有兩種測試用軟件包：數(shù)字和測量軟件包，波形分析軟件包。前者可自動測量和分析40種常用參數(shù)（如脈沖上升、下降時間，最大、最小值，偏差值等），預(yù)測某種參數(shù)的趨勢（如測量IC的傳輸延時的變動范圍）。后者包括FFT分析，較多可達(dá)10(6)點(diǎn)的記錄長度；高分辨率方式；包絡(luò)方式；模板測試；合格/不合格測試等。各種測試結(jié)果均利用彩色顯示器的不同顏色不同亮度表示結(jié)果，真正讓使用者的視覺獲得迅速的反應(yīng)，充分發(fā)揮余輝灰度的三維效應(yīng)。  隨著數(shù)字處理電路和液晶屏的采用， 電子工程師日常使用的數(shù)字示波器現(xiàn)在只需1 0 萬～25萬日元(100日元約合7.6元人民幣)就可買到(見圖1)。帶寬為100MHz～300MHz的數(shù)字示波器適合于多種應(yīng)用，從軟件調(diào)試到機(jī)械控制信號及視頻信號的測量等(見圖2)。在不同的應(yīng)用中，它們可以用于進(jìn)行生產(chǎn)線的pass/fail判定，或是用作現(xiàn)場工程師隨身攜帶的測試設(shè)備，甚至還能用在正式的設(shè)計(jì)開發(fā)工作中。


圖1 低價位數(shù)字示波器


圖2低價位示波器適于多種應(yīng)用

新興廠商的產(chǎn)品便宜10%

驅(qū)動低價位數(shù)字示波器市場的是普源精電、固緯電子等活躍在中低端領(lǐng)域的測試測量廠商(見表1)。與示波器行業(yè)的兩大巨頭——安捷倫與泰克的同類產(chǎn)品相比，這些新興廠商的產(chǎn)品的價格要便宜10%(1萬～2萬日元)左右。憑借極具競爭力的價格以及不遜于傳統(tǒng)測試測量廠商的技術(shù)實(shí)力，普源精電和固緯電子在市場上均獲得了較好的銷售實(shí)績：2007年，普源精電數(shù)字示波器年出貨量達(dá)到3萬臺，在同類產(chǎn)品中位居全球第二；固緯電子則在2008年售出了2萬臺模擬示波器和3萬臺數(shù)字示波器。

另外，一些在測試測量儀器領(lǐng)域開發(fā)經(jīng)驗(yàn)相對較少的廠商也推出了自己的示波器產(chǎn)品，其中一個有名的低價品牌就是由原本主營中小尺寸液晶屏與小型電視的利利普電子(Lilliput Electronics)公司推出的OWON品牌。該公司帶寬100MHz的數(shù)字示波器的售價僅為11.8萬日元，比普源精電、固緯電子等測試測量廠商的產(chǎn)品更便宜。

基本性能大致相同

一般來說，選擇數(shù)字示波器時需要考慮的參數(shù)主要有三個：帶寬、采樣率、存儲深度。如果單從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中列明的技術(shù)規(guī)格來比較，那么各公司的低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品之間沒有太大差別(見表2)。安捷倫公司電子測量本部市場營銷中心市場發(fā)展經(jīng)理佐藤利宏也表示：“低價位數(shù)字示波器在基本性能方面幾乎沒有差別。”

帶寬方面，100MHz已成為低價位數(shù)字示波器的標(biāo)準(zhǔn)帶寬。此外，示波器的帶寬至少要達(dá)到被測信號頻率的5倍。也就是說，帶寬100MHz的低價位數(shù)字示波器可以測量的信號頻率最大約為20MHz。

為了避免混疊現(xiàn)象，示波器的采樣率也需要達(dá)到被測信號的10倍以上。如果示波器的帶寬為100MHz，那么采樣率就需要達(dá)到200MS/s。本文涉及的數(shù)字示波器產(chǎn)品均滿足這一要求。

在調(diào)試數(shù)字信號等應(yīng)用中，存儲深度也是工程師必須關(guān)注的性能參數(shù)。不同示波器產(chǎn)品的存儲深度均有所不同，如利利普電子公司OWON品牌中具有邏輯分析功能的MSO7102T可提供每通道4M點(diǎn)的存儲深度。

所需的存儲深度取決于要測量的時間?？梢允歉鶕?jù)采樣率，在能夠滿足測量時間需求的前提下選擇具有最大存儲深度的產(chǎn)品。如泰克公司TDS2022B的捕獲時間為1.25μ s，力科公司W(wǎng)J312A的捕獲時間可達(dá)到500μs。

波形質(zhì)量存在差異

為了進(jìn)一步了解產(chǎn)品的實(shí)際性能，此次，《日經(jīng)電子》雜志社對安捷倫、泰克、力科、普源精電、固緯電子等5家公司帶寬100MHz的低價位數(shù)字示波器樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的測量比較(見表3)。

首先比較的是頻率響應(yīng)。示波器應(yīng)該在可測量范圍內(nèi)具有良好的平坦頻率響應(yīng)。此外，示波器的帶寬被定義為正弦輸入信號的振幅衰減到-3dB時的頻率值。因此，對于帶寬100MHz的示波器來說，當(dāng)頻率為100MHz時，其顯示信號的振幅需大于輸入信號的70.7%。


圖3雖然均滿足要求， 但各產(chǎn)品仍有不同

在實(shí)際測量中，輸入為振幅60mV的正弦波信號，得到了直至200MHz的頻率響應(yīng)特性。由于5款示波器的額定帶寬均為100MHz，所以100MHz時顯示信號的振幅只要大于42.4mV即符合標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測結(jié)果證明5款產(chǎn)品均滿足這一需求(見圖3)。其中，在1MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)具有較佳頻率響應(yīng)特性的是泰克公司的TDS2014B，而所有5款產(chǎn)品的頻率響應(yīng)在20MHz以內(nèi)都具有極好的平坦性。

放大器的性能不同

仔細(xì)分析測量結(jié)果，還是可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品之間的性能差異。具體來說，信號振幅衰減到-3dB時的頻率(即示波器的實(shí)際帶寬)是不同的。在這一點(diǎn)上，性能較佳的是安捷倫公司的DSO1014A，其實(shí)際帶寬接近200MHz。上述差異主要是由于放大器性能的不同而造成的。在以下兩種情況下進(jìn)行測量時，放大器的性能將會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。

一種情況是測試帶寬接近100MHz的信號。如果被測信號的頻率超過20MHz(推薦頻率)，那么在高頻下，具有更大實(shí)際帶寬的數(shù)字示波器能夠顯示出更加準(zhǔn)確的波形。

第二種情況是測量矩形波等上升沿很陡的信號。示波器的實(shí)際帶寬越寬，則越能準(zhǔn)確地測量此類信號。在實(shí)際測量中，向示波器輸入上升沿極陡(700ps)的矩形波，然后使用自動測量功能得到矩形波的上升時間(見圖4)。安捷倫的DSO1014A顯示信號上升時間為1.80ns，而GDS-1102A的結(jié)果則達(dá)到3.19ns。需要指出的是，這些測量超出了產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的推薦應(yīng)用范圍，因此得不到正確值也是正常的。在這5款示波器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中，確?？蓽y量的上升時間的最小值及典型值均為3.5ns。


圖4頻率特性不同，上升時間也有差異

3.5ns這個數(shù)值是根據(jù)100MHz的額定帶寬推算出來的。基于高斯曲線與一階RC濾波電路的頻率響應(yīng)特性，示波器的上升時間和帶寬的關(guān)系式為：上升時間=0.35/帶寬(Hz)。通過此次的實(shí)際測量可知，不同產(chǎn)品具有不同的實(shí)際帶寬，所以可以測量的上升時間有可能短于數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的額定值。

放大器的允許輸入范圍也有所不同。放大垂直軸，使得波形超出屏幕(被稱為“過驅(qū)動”)時，很容易發(fā)現(xiàn)這一差異(見圖5a)。例如，在開關(guān)電源等的開發(fā)過程中，研究IGBT等功率半導(dǎo)體的特性時，為了更好的理解器件在導(dǎo)通情況下的損耗，就需要采用過驅(qū)動的方法進(jìn)行測量。如果放大器的允許輸入范圍不足，放大波形后就會導(dǎo)致放大器飽和或信號失真，于是無法觀測到正確的波形。


圖5波形的顯示能力有差別

數(shù)字電路所引起的顯示差異

除了放大器等模擬電路部分外，示波器的不同也體現(xiàn)在數(shù)字電路部分上。日本一家提供測試測量儀器租賃服務(wù)的公司表示：“不同廠商在數(shù)字示波器的內(nèi)部計(jì)算方面都具有各自的專業(yè)技術(shù)，因此，各產(chǎn)品顯示波形的準(zhǔn)確度也有所不同。”

由于波形更新速度不足時，視頻信號很難重現(xiàn)原有波形，因此，從視頻信號的顯示上很容易就能看出各款產(chǎn)品之間因數(shù)字電路的不同而造成的顯示差異(見圖5b)。

具有超高性能的模擬示波器的波形更新速度可高達(dá)100萬次/秒，普通模擬示波器的波形更新速度也有數(shù)萬至數(shù)十萬次/秒，所以模擬示波器在顯示視頻信號時一般不會因?yàn)椴ㄐ胃滤俣炔蛔愣霈F(xiàn)問題。

數(shù)字示波器的波形更新速度則相對較慢。在顯示捕獲到的數(shù)據(jù)時，示波器需要通過微處理器和DSP等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這個處理所需的時間即決定了示波器的波形更新速度。在數(shù)字示波器中，某些具備高速處理電路的高價位產(chǎn)品也可以提供數(shù)十萬次/秒的波形更新速度。

但對于低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品來說，很多廠商都沒有在數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明產(chǎn)品的波形更新速度。雖然可以通過咨詢廠商而得到該數(shù)值，但通常只有數(shù)十至數(shù)千次/秒，不同產(chǎn)品之間還存在不小的偏差(見表2)。如果利用波形更新速度僅為數(shù)百次/秒的產(chǎn)品來顯示視頻信號，通常無法完整顯示出原有波形。例如，如果只是顯示一張彩色圖表，那么波形更新速度只需1000次/秒即可正常顯示；但如果要顯示模擬視頻信號，就需要1萬～10萬次/秒的波形更新速度。

當(dāng)需要利用示波器來觀測電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件中的PWM(脈寬調(diào)制)、PAW(脈幅調(diào)制)等控制波形時，波形更新速度也非常重要。此次也在100kHz～500kHz的頻率范圍內(nèi)對5款低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品進(jìn)行了測試，令其顯示振幅變化70%的100Hz掃描信號。結(jié)果顯示，波形更新速度低于幾百次/秒的產(chǎn)品無法跟上掃描速度。

除了視頻信號和電機(jī)控制信號以外，示波器在測量傳感器的輸出或低速串行信號等時，也需要較高的波形更新速度。有些傳感器輸出數(shù)字信號，會將模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號脈沖，如果要對其進(jìn)行測量，就需要1000次/秒的波形更新速度。而對于輸出模擬信號的傳感器來說，較低的波形更新速度即可滿足需求。

測量I2C與SPI等低速串行信號時，如果要確認(rèn)數(shù)據(jù)改變的時序，那么也必須選擇波形更新速度為100～1000次/秒的產(chǎn)品。在這種情況下，雖然波形更新速度越高越好，但如果帶寬僅為100MHz，那么速度再高也沒有太大意義。如果想獲得更詳細(xì)的信息，就應(yīng)該選用高價位的示波器產(chǎn)品。

廠商的目標(biāo)應(yīng)用不同

如上所述，各廠商的低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品都有所不同，而且，如果像選擇模擬示波器一樣去選購數(shù)字示波器產(chǎn)品，有可能會達(dá)不到自己想要的測量效果。不過，低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品的差別通常只會體現(xiàn)在非常規(guī)測量中，在普通應(yīng)用中基本可以認(rèn)為它們沒有差別。

在示波器走向數(shù)字化之后，雖然大部分主要部件都可以選用通用產(chǎn)品，但由于各廠商的目標(biāo)應(yīng)用不同，因此在元器件選擇、電路設(shè)計(jì)等其它方面也有差別。在極限測量情況下，波形質(zhì)量也會不同。

目前的趨勢是，主要生產(chǎn)低價位產(chǎn)品的新興廠商希望能夠提供更多的功能及更好的性能，而巨頭廠商則希望能夠?qū)?yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分。泰克(日本)公司市場經(jīng)理柴崎裕士表示：“我們提供用于觀測波形的低價位示波器，其功能僅限于觀測信號值(電壓)、頻率、周期等。如果需要進(jìn)行更多分析，我們則可提供波形更新速度更快、存儲深度更大的產(chǎn)品?！卑步輦惞镜淖籼倮暌脖硎荆骸叭绻枰獪y量模擬電視信號，我們推薦波形更新速度高達(dá)10萬次/秒的高端產(chǎn)品?！?

在選擇低價位數(shù)字示波器時，用戶必須充分了解自己的測量需求。低價位示波器的目標(biāo)應(yīng)用通?？梢苑譃閮深悾活愂怯糜谠谡{(diào)試嵌入式軟件時觀測低速數(shù)字信號的波形以確認(rèn)高電平/低電平時序，另一類是用于取代具有同樣帶寬的模擬示波器。

對于第一類應(yīng)用，由于波形質(zhì)量不太重要，因此只要選擇帶寬合適的示波器即可。此外，有些數(shù)字示波器產(chǎn)品是專門針對這種應(yīng)用開發(fā)的，這些產(chǎn)品沒有采用具有較高性能的部件，從而降低了整體成本。廠商還可將節(jié)約的部件成本用來擴(kuò)大存儲深度或增加通道，以確保測量時間。對于第二類應(yīng)用，就像在過驅(qū)動測量與視頻信號測量的例子中所看到的那樣，不是所有產(chǎn)品都具有足夠的性能以應(yīng)對必需的測量要求。

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