數(shù)字示波器與數(shù)字化儀的對比分析

示波器的實質(zhì)是什么呢?的確，特性如顯示分辨率、亮度、易于使用是必須具備的，取樣速度、觸發(fā)、帶寬也是重要參考。某些數(shù)字化儀提供大部分特性，但最好表示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或瞬態(tài)記錄儀。某些示波器并不提供所有上述特性，但它們顯然仍是示波器，雖然速度較慢或難以使用。

牛頓出版社的電信辭典把數(shù)字化儀定義為把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示的器件，轉(zhuǎn)換功能通常由規(guī)定的速率對模擬信號取樣來實現(xiàn)，并且每個樣本編碼成樣本幅值的數(shù)字表示。

該字典把示波器定義為能夠顯示波形和其它信息在電視那樣的陰極射線管上的器件。示波器與數(shù)字化儀有根本的差別，因為它是測試用的模擬儀器。波形顯示是最重要的因素。

數(shù)字化儀是嵌入式模塊，例如由VXI總線或相似測試系統(tǒng)的系統(tǒng)計算機來控制的模塊。小型數(shù)字化儀在實體上和電氣上嵌入到膝上型計算機，可提供與示波器相似的效能，但虛擬用戶界面卻沒有實際旋鈕和按鈕那樣易懂和易用。但是，數(shù)據(jù)分析和報告中在同一儀器完成，數(shù)字化的波形在數(shù)字屏上顯示。

示波器

觸發(fā)掃描的模擬示波器仍然每年售出數(shù)以萬臺計。它們的價格非常實惠和速度快速，容易觀察兩個以上輸人信號的相互關(guān)系。為了模擬示波器的使用，信號必須是接近重復(fù)性的。

如果信號完全不是重復(fù)性的，情況會變成怎么樣?或者信號變化很慢，用1秒/格耐基顯示的信號 波形只是一個慢移動的光點?數(shù)字存儲示波器(DSO)可以解決這兩個特殊情況。

DSO的取樣率可以比被測信號所含有的頻率高得多，無需重復(fù)出現(xiàn)就可捕捉到單次的瞬變，類似刷新陰極射線管的顯示熒光體那樣。在DSO中，數(shù)字化的數(shù)據(jù)連續(xù)從半導(dǎo)體存儲器重放，其速度由顯示器件要求的產(chǎn)生波形圖像的時間來決定。

早期的DSO通過驅(qū)動每個軸的數(shù)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)換器把波形顯示在靜電陰級射線示波管上。許多這種儀器同樣作為普通模擬示波器使用。工程師不完全相信DSO的功能，需要轉(zhuǎn)換至模擬方式來驗證他看到的波形是否正確。

還有更好的理由，模擬示波器可對多種信號提供優(yōu)異特性。的確，采用掃跡增強或彩色來增強DSO的顯示信息密度克服一部分缺點。但是，甚高的觸發(fā)率，高的垂直顯示分辨率、高的水平和亮度分辨率、甚高的瞬時響應(yīng)控制都是模擬示波器的高超特性。當(dāng)觀察調(diào)制、復(fù)雜信號時更為明顯，對DSO的數(shù)據(jù)采集、壓縮和顯示能力提出難以解決的問題。

DSO的長處是顯示低或高速信號，此時模擬示波器受到需要采用特殊陰極射線示波管的限制。模擬示波器綜合有易于使用、高的時間和幅度顯示分辨率、顯示包絡(luò)特性有重要作用的調(diào)制波形等優(yōu)勢。如果要求存檔或進一步分析數(shù)字化信號，則DSO是唯一有效的解決方案，即使模擬示波器具有更好的波形表示。

DSO的最大改進是增加了取樣率，保證大多數(shù)信號都具有足夠的過取樣。因而，顯示在現(xiàn)代DSO的波形通常就是輸入信號，而不是使人感興趣的但卻是完全虛假的混疊信號。當(dāng)然，信號亦變得更快，混疊還會出現(xiàn)。早期有DSO取樣率低，經(jīng)常出現(xiàn)混疊，導(dǎo)致工程師要花數(shù)小時去尋找不存在的問題。

今天的DSO采用完善的數(shù)字信號處理來平衡用戶所需的長存儲器和快速顯示刷新率，而不會產(chǎn)生空間或時間的虛假混疊信號。需要同時采用高采集率的情況下問題就更嚴重了。

信號完整性是廿世紀九十年代叫得最響亮的術(shù)語，正好符合數(shù)字數(shù)據(jù)通信和元線服務(wù)的爆炸性增長。快速觸發(fā)電路允許DSO只捕捉非正常的信號特性，因而示波器只要處理很少的信息。由于完善的通信鏈路的誤碼率非常低，在觸發(fā)產(chǎn)生前必須檢驗大量的信息。結(jié)果是，應(yīng)汩的采集率仍然引人注目。

許多DSO的設(shè)計需要折衷，因為示波器仍然是可視的測試儀器。示波器根據(jù)定義是以顯示為重點，但是采集的波形數(shù)據(jù)亦可傳輸至外部器件，例如打印機或計算機。隨著更多的計算能力添加到DSO來提高其功能，示波器板上測量和分析結(jié)果亦可在數(shù)據(jù)I/O口上獲得。

示波器的誤差

信號完整性與示波器及其輸入有關(guān)。大多數(shù)DSO的增益不準(zhǔn)確度是1%至5%，這是對直流來說的。對于高頻的絕對增益很少有所規(guī)定，但是示波器的整個高斯型滾降特性保證瞬態(tài)響應(yīng)是良好的。DSO顯示的相對增益準(zhǔn)確度受前置放大器、衰減器和模傲轉(zhuǎn)換器(ADC)的影響，除非采用模擬示波器的靜電偏轉(zhuǎn)或陰極射線示波管，準(zhǔn)確度不受顯示系統(tǒng)的影響。模擬示波器由于偏轉(zhuǎn)放大器和陰極射線示波管有誤差引人，總的增益誤差達到2%至3%。

LCD屏和磁偏轉(zhuǎn)陰極射線示波管以電視的速率驅(qū)動，復(fù)合信號包括全部標(biāo)志、菜單文本、圖形和波形。因而，波形至格子的相對準(zhǔn)確度不受顯示器件線性度的影響。

格子線的絕對準(zhǔn)確度可能有誤差，但是信號會準(zhǔn)確定位在每條格子線上。相反地，模擬示波器的靜電偏轉(zhuǎn)陰極射線管的格子是腐蝕在玻璃上的，因此，任何偏轉(zhuǎn)放大器或陰極射線管的非線性都會增加總的增益誤差。

大多數(shù)民婦只有8位分辨率，少數(shù)DSO提供10或12位。例如對于生物醫(yī)學(xué)信號，由于含有未知的偏移電壓，采用10或12位系統(tǒng)的較大動態(tài)范圍是有好處的。如果復(fù)雜信號要求垂直放大以便檢驗微細的部分，也需要更高的分辨率。

更高分辨率可由平均方式來獲得，這種方式的根據(jù)是大量無機噪聲出現(xiàn)在處理過程中，產(chǎn)生典型的均方根關(guān)系，例如采集信號16次可使信號分辨率改善4倍。

一種更可靠的辦法是加入定量的特別加權(quán)噪聲來擾動ADC輸入。在每次取樣過程中，ADC輸入從實際輸入信號值偏移一點點，擾動的偏移量、方向和分布是預(yù)置的，以便保證擾動過程的平均高分辨率數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生頻譜失真。

帶來的問題是擾動使ADC的峰一峰值范圍降低，其幅值與擾動信號值相等。因為分辨率的改善程度與擾動信號和求平均的樣本數(shù)成正比，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的改進有一定限制。

數(shù)字化儀

數(shù)字化儀的輸出數(shù)據(jù)進行分析可發(fā)現(xiàn)趨勢、異常、參數(shù)分布、以及最大最小值。數(shù)字化儀的設(shè)計著重信號的可信度、數(shù)據(jù)傳輸率或通道數(shù)，對某些應(yīng)用會特別適用。數(shù)字化儀設(shè)有顯示部分。

示波器與數(shù)字化儀的用途是不同的，示波器是最有用的尋找故障工具，通常用于研發(fā)環(huán)境。利用示波器可觀察實時信號和確定被測器件的性能表現(xiàn)。波形數(shù)字化儀在問題已經(jīng)知曉和需要更多的特殊信息時起更大的作用。

數(shù)字化儀和ADC的基礎(chǔ)是ADC。對較慢的甚高分辨率的應(yīng)用，Σ-Δ轉(zhuǎn)換器可提供20位以主的分辨率，即1ppm。當(dāng)然，噪聲和放大器非線性會迅速降低性能至16位以下，即使這樣，16位分辨率也比8位分辨率的示波器高出256倍。

典型的20MS/s數(shù)字化儀具有0.5%基本精度，68dB共模抑制比(CMRR)。12位分辨率。相對地，有代表性的100MHz、8位DSO的通道隔離指標(biāo)是在0-20MfZ時大于40dB，精度是1.5%。

數(shù)字化儀采用有限帶寬濾波器，輸入時最適于時域或頻域使用。使用突變的帶通產(chǎn)帶阻濾波器，例如切比雪夫濾波器非常有效地減少混疊，但在時域引人振鈴。

在頻域內(nèi)與濾波器有關(guān)的誤差可修正，從而獲得精確的頻譜。突變較慢的貝塞爾濾波器在時域具有好得多的信號特性，無需修正，但不能完全抑制混疊。

示波器作為數(shù)字化儀使用

最快的示波器和數(shù)字化儀通常都采用并行的閃速轉(zhuǎn)換器和8位的分辨率。8位或256級數(shù)字化足夠表達一個比較平滑和容易了解的波形顯示。因此，為何不用DSO作為數(shù)字化儀，特別對于高速信號，兩種儀器都難以獲得8位以上的分辨率。

事實上，這樣做的結(jié)果是滿意的，但是也有例外。示波器是非連續(xù)采集儀器而數(shù)字化儀可以不是那樣。示波器捕獲信號后再捕獲更多信號之前要有地方放置數(shù)據(jù)，除非采用類似電視幀速率的連續(xù)波形采集把數(shù)據(jù)存人像素映像。這樣的采集和等效顯示率很高，但數(shù)據(jù)格式使進一步的外部分析數(shù)據(jù)量非常巨大。

除上述特殊處理外，示波器只能以很低速度連續(xù)采集和顯示信號。數(shù)字化儀可獲得連續(xù)的100MS/s或更高的吞吐率，只受存儲器總線速度的限制。例如一種PCI總線的數(shù)字化插卡，數(shù)據(jù)傳輸率達到100MB/s，PCI總線可工作至66MS/s(132MB/s)。

示波器的吞吐率受較慢、低的I/O能力的數(shù)據(jù)處理速度的限制。速度較慢的數(shù)字化儀和數(shù)據(jù)記錄器可將數(shù)據(jù)直接寫人硬盤，存檔幾GB的數(shù)據(jù)，而示波器一般最高只有16MB。如果從另一方面看數(shù)據(jù)傳輸率，許多應(yīng)用只需要捕捉偶發(fā)性數(shù)據(jù)，但這些突發(fā)信號可能很接近。這時快速地傳輸數(shù)據(jù)記錄就十分重要，這類信號有高重復(fù)脈沖頻率(PRF)的掃描雷達、時間分辨的超聲聲納、飛行時間的質(zhì)譜儀、以及核子計數(shù)等應(yīng)用。