選用示波器所需考慮的10大要素

概述

與德國(guó)科學(xué)家Karl Ferdinand Braun 于1897 年發(fā)明的陰極射線示波器(Cathode ray oscilloscope) 相較，現(xiàn)有的數(shù)字儲(chǔ)存示波器已大不相同。進(jìn)步的技術(shù)不斷提升示波器的新特性，更適合讓工程師使用。其中最顯著提升的功能之一便是示波器進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域，導(dǎo)入數(shù)字信號(hào)處理與波形分析等強(qiáng)大功能?，F(xiàn)在的數(shù)字示波器包含高速、低分辨率(一般為8 位) 的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)，已定義的控制元與顯示功能，且內(nèi)建的處理器可執(zhí)行常見測(cè)量操作的軟件算法。

另外來說，示波器可利用計(jì)算機(jī)最新的處理功能與高分辨率顯示，并保留高速示波器的其他功能。由于示波器屬于計(jì)算機(jī)架構(gòu)，讓用戶能通過軟件而定義儀器功能。因此，示波器不僅能夠用于示波器測(cè)量，也可用于客制化測(cè)量，甚至用于頻譜分析器、頻率計(jì)數(shù)器、超音波接收器，或更多儀器。相較于傳統(tǒng)的獨(dú)立示波器，開放架構(gòu)與靈活軟件，均讓示波器具備更多優(yōu)勢(shì)。然而，示波器(Digitizer) 與高速示波器(Oscilloscope) 有許多相似之處，因此在選擇時(shí)也需要考慮多項(xiàng)要點(diǎn)。

本文將討論選用示波器所應(yīng)考慮的10 大要素。

1. 帶寬

帶寬代表“輸入信號(hào)以最小振幅損耗通過模擬前端”的頻率范圍，即從探針尖端或測(cè)試設(shè)備直到 ADC 的輸入。帶寬應(yīng)為“正弦輸入信號(hào)振幅衰減至 70.7% 原始振幅時(shí)的頻率”，也大家所熟知的 -3dB 點(diǎn)。在一般情況下，示波器的頻率應(yīng)要能超過信號(hào)最高頻率的 2 倍以上。

示波器常用于測(cè)量信號(hào)的上升時(shí)間，如數(shù)字脈沖或其他具尖銳邊緣的信號(hào)。此種信號(hào)均由高頻信號(hào)組成。為了采集信號(hào)的確實(shí)形狀，則需選用高帶寬示波器。舉例來說，10 MHz 方波是由 10MHz 正弦波與無數(shù)諧波所組成。若要取得該信號(hào)的實(shí)際形狀，則所選示波器的帶寬必須能夠采集數(shù)個(gè)諧波。否則將造成信號(hào)失真與錯(cuò)誤測(cè)量。

圖1. 在采集高頻率的波形時(shí)，必須使用高帶寬示波器

以下公式可根據(jù)上升時(shí)間(即為信號(hào)振幅從10% 升至90% 所需的時(shí)間) 計(jì)算信號(hào)帶寬。

圖2. 上升時(shí)間為信號(hào)從全值的10% 上升至90% 所需時(shí)間。

上升時(shí)間與帶寬直接相關(guān)，因此上述公式可相互換算此2 組值。

在理想情況下，示波器帶寬最好可達(dá)上述公式所得信號(hào)帶寬的3 至5 倍。換句話說，為了將信號(hào)采集的錯(cuò)誤降至最低，示波器的上升時(shí)間應(yīng)為信號(hào)上升時(shí)間的1/5 至1/3。下列公式可反推出信號(hào)實(shí)際帶寬。

=實(shí)際信號(hào)上升時(shí)間;

=示波器上升時(shí)間

2. 取樣率

帶寬為示波器的重要規(guī)格之一。但若取樣率不足，帶寬再高也是枉然。

帶寬代表以最小衰減而數(shù)字化的最高頻率正弦波，而取樣率則為示波器中ADC數(shù)字化輸入信號(hào)的定時(shí)速率。請(qǐng)注意，取樣率與帶寬并無直接的相關(guān)性。但此2 項(xiàng)重要規(guī)格之間存在著必要關(guān)系：

示波器的實(shí)時(shí)取樣率= 示波器帶寬的3 至4 倍

Nyquist 定理則表明，為了避免失真，示波器取樣率至少為受測(cè)信號(hào)最高頻率要素的2 倍。然而，僅達(dá)最高頻率的2 倍取樣率，仍不足以精確重新產(chǎn)生時(shí)域信號(hào)。為了精確數(shù)字化輸入的信號(hào)，示波器的實(shí)時(shí)取樣率至少應(yīng)為示波器帶寬的3 至4 倍。下圖即說明使用者所希望通過示波器看到的數(shù)字化信號(hào)。

圖3. 右圖示波器具備有效的高取樣率，可精確重建信號(hào)并達(dá)到更精確的測(cè)量結(jié)果。

盡管上述2 組實(shí)際信號(hào)均通過了前端模擬電路，但左圖的取樣率不足而導(dǎo)致數(shù)字化信號(hào)的失真。而右圖則具備足夠的取樣點(diǎn)，可精確重建信號(hào)，進(jìn)而達(dá)到更精確的測(cè)量操作。對(duì)時(shí)域應(yīng)用(如上升時(shí)間、過沖，或其他脈沖測(cè)量) 而言，能否清楚呈現(xiàn)信號(hào)極為重要，所以高取樣率的示波器可于此類應(yīng)用中提供更佳優(yōu)勢(shì)。

3. 取樣模式

取樣模式主要可分為2 種：實(shí)時(shí)取樣與等效時(shí)間取樣(ETS)。

實(shí)時(shí)取樣率如上所述，除了代表ADC 頻率之外，也表示單次采集所能取得信號(hào)的最高速率。而ETS 則屬于信號(hào)重建方法，是以單次采集模式所取得的觸發(fā)波形為基礎(chǔ)。ETS 的優(yōu)點(diǎn)在于其具備更高的有效取樣率，但缺點(diǎn)卻是耗時(shí)更長(zhǎng)，且僅適用于重復(fù)性信號(hào)。請(qǐng)注意，ETS 并不會(huì)提高示波器的模擬帶寬，且僅適用以更高取樣率重現(xiàn)信號(hào)。常見的ETS 為隨機(jī)間隔采樣(RIS)，而多數(shù)的NI 示波器均具備該功能。

4. 分辨率與動(dòng)態(tài)范圍

如上所述，示波器所具備的ADC 可將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。ADC 所回傳的位數(shù)就是示波器分辨率。針對(duì)任何已知的輸入范圍，往往以「2b」表示信號(hào)數(shù)字化的可能離散程度，其中「b」即為示波器分辨率。輸入范圍是依2b 個(gè)步進(jìn)而劃分，而「輸入范圍/2b」則為示波器所能偵測(cè)的最小電壓。舉例來說，8 位示波器可將10Vpp 輸入范圍切割成28 = 256 級(jí)，每級(jí)39 mV;24 位示波器可將10 Vpp 輸入范圍切割成224 = 16,777,216 等級(jí)，每級(jí)596 nV (約為8 位的1/65,000)。

選用高分辨率示波器的原因之一，就是要測(cè)量更小信號(hào)。有時(shí)我們不禁有所一問：為什么不使用低分辨率儀器與較小范圍的信號(hào)，就可以「縮放」信號(hào)而測(cè)得低電壓呢?問題在于，很多信號(hào)同時(shí)具有小型信號(hào)與大型信號(hào)。使用大范圍雖可測(cè)量大型信號(hào)，但小型信號(hào)將藏在大型信號(hào)的噪聲中。換句話說，使用小范圍就必須壓縮大型信號(hào)，而造成測(cè)量失真與錯(cuò)誤。因此，針對(duì)動(dòng)態(tài)信號(hào)的應(yīng)用(同時(shí)具備大、小型電壓的信號(hào))，就需要較大動(dòng)態(tài)范圍的高分辨率儀器，以測(cè)出大型信號(hào)中的小型信號(hào)。

傳統(tǒng)示波器通常使用8 位分辨率的ADC，但較難以滿足頻譜分析或動(dòng)態(tài)信號(hào)的應(yīng)用(如調(diào)變波形)。此類應(yīng)用即可選用下表中的高分辨率示波器，包含NI PXI-5922 彈性分辨率示波器，并獲頒Test and Measurement World 的2006 年度最佳測(cè)試產(chǎn)品。此款模塊通過線性化技術(shù)，達(dá)到業(yè)界最高的示波器動(dòng)態(tài)范圍。

5. 觸發(fā)

一般來說，示波器均用以采集特定事件的信號(hào)。儀器的觸發(fā)功能則可獨(dú)立出特定事件，以采集事件發(fā)生前后的信號(hào)。多款示波器均具備模擬邊緣、數(shù)字，與軟件觸發(fā)等功能。其他觸發(fā)選項(xiàng)還有分窗 (Window)、磁滯，與視訊觸發(fā)功能 (NI 5122、NI 5124，與 NI 5114 具備該功能)。

高階示波器可于 2 次觸發(fā)之間迅速重啟 (Re-arm)，可進(jìn)入多重記錄的采集模式。示波器將根據(jù)既定觸發(fā)而采集特定數(shù)量的點(diǎn)，并迅速重啟以等待下次觸發(fā)。快速重啟功能可確保示波器不致錯(cuò)過事件或觸發(fā)。若僅需采集并儲(chǔ)存特定數(shù)據(jù)，則多重記錄模式可達(dá)極高效能;除了可優(yōu)化內(nèi)建內(nèi)存使用狀態(tài)之外，并可限制計(jì)算機(jī)總線的活動(dòng)。

6. 內(nèi)建內(nèi)存

一般狀態(tài)下，數(shù)據(jù)均由示波器傳輸至計(jì)算機(jī)，以利測(cè)量與分析操作。盡管這些儀器能達(dá)最大取樣率 (可達(dá)數(shù)個(gè) GS/s)，但到達(dá)計(jì)算機(jī)的傳輸率均將受到總線 (如PCI、LAN，與 GPIB) 的帶寬限制。目前這些總線均難以達(dá)到數(shù)個(gè) GS/s 的速率，但 PCI Express 與 PXI Express 卻可輕松達(dá)成。

若總線接口無法達(dá)到等同于取樣率的連續(xù)數(shù)據(jù)傳輸，儀器內(nèi)建的內(nèi)存將以最高速率采集數(shù)據(jù)，等待計(jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。

大容量?jī)?nèi)存不僅可延長(zhǎng)采集時(shí)間，也具備頻域的相關(guān)優(yōu)勢(shì)。最常見的頻域測(cè)量為高速傅利葉轉(zhuǎn)換(FFT)，可顯示信號(hào)的頻率內(nèi)容。若FFT 可達(dá)更高頻率分辨率，也可輕松偵測(cè)離散頻率。

通過上述方程式，共有2 種方式可提升頻率分辨率：降低取樣率或增加FFT 中的取樣點(diǎn)。由于降低取樣率將同時(shí)降低頻率帶寬，因此并不屬于理想的解決方案。因此，最好是能采集更多數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行FFT，而這時(shí)將需要更大容量的內(nèi)存。

圖4. 內(nèi)建更多內(nèi)存可支持更高取樣率，并于更長(zhǎng)時(shí)間采集更多點(diǎn)，以更高的頻率分辨率計(jì)算FFT 結(jié)果。

7. 信道密度

購買示波器的考慮要素之一即為儀器信道數(shù)，或是否可同步多組儀器以提升信道數(shù)。多款示波器除了具備 2 或 4 個(gè)通道之外，也可通過特定取樣率進(jìn)行同步取樣。當(dāng)使用示波器的所有通道時(shí)，必須注意取樣率所受影響的程度。目前常見的所謂分時(shí)取樣 (Time-interleaved sampling)，即是交叉多個(gè)通道而達(dá)到較高取樣率。若示波器使用此技術(shù)并搭配所有通道時(shí)，就較難以達(dá)到最高采集速率。

所需通道數(shù)完全根據(jù)特定應(yīng)用而有所不同。傳統(tǒng) 2 或 4 信道產(chǎn)品已經(jīng)難以滿足目前的應(yīng)用需求，而此時(shí)有 2 種解決方法。首先是選用高信道密度的產(chǎn)品，如可同步 8 通道的NI 5105 – 12 位、60 MS/s 的 60 MHz示波器。若找不到可滿足分辨率、速率，與帶寬等需求的儀器，則選用的平臺(tái)應(yīng)可精密同步，并可共享觸發(fā)與頻率，以隨時(shí)調(diào)整測(cè)試系統(tǒng)。由于 GPIB 或 LAN 具備高潛時(shí)、傳輸量受限，并需要額外接線，因此實(shí)際上難以同步化多組箱型示波器;此時(shí) PXI 總線則可為較佳的解決方案。PXI 已成為工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并針對(duì)現(xiàn)有的高速總線 (如 PCI 與 PCI Express) 新增世界級(jí)水平的同步技術(shù)。

圖5. 通過同步化技術(shù)，即可建立高通道數(shù)示波器。

上圖系統(tǒng)可采集最多136 個(gè)條相位同調(diào)通道。多宿主也可同步化更多通道。

NI 示波器(包含 NI PXI-5105 與 NI PXI-5152) 具備T-Clock 技術(shù)，可達(dá)十分之一微微秒(Picosecond) 的同步精度。舉例來說，單一18 槽式機(jī)箱安裝多組 NI PXI-5152 示波器，則可達(dá)最多34 個(gè)同步通道且1 GS/s 取樣率。同樣的，多組 NI PXI-5105 示波器可同步建構(gòu)136 個(gè)同步信道的系統(tǒng)，且各個(gè)信道達(dá)60 MS/s 取樣率與12 位分辨率(上圖)。針對(duì)更高通道數(shù)，PXI 也可通過時(shí)序模塊擴(kuò)充多組機(jī)箱，達(dá)到最多5,000 個(gè)信道的系統(tǒng)。

8. 多重儀器同步化

大多數(shù)的自動(dòng)化測(cè)試與多重工作臺(tái)應(yīng)用，均需要多類型的儀器，如示波器、信號(hào)產(chǎn)生器、數(shù)字波形分析器、數(shù)字波形產(chǎn)生器，與切換器等。

PXI 與 NI 模塊化儀器既有的時(shí)序與同步化功能，可同步上述的所有儀器，且不需額外接線。舉例來說，示波器 (如NI PXI-5122) 可整合任意波形生成器 (如NI PXI-5421) 而執(zhí)行參數(shù)掃描，針對(duì)受測(cè)裝置 (DUT) 的頻率與相位響應(yīng)進(jìn)行特性描述操作。整個(gè)掃描過程為完全自動(dòng)，且不需手動(dòng)設(shè)定量表與產(chǎn)生器參數(shù)，即可進(jìn)行后續(xù)的脫機(jī)分析。PXI 的模塊化特性大幅提升了速度，且用戶不需再耗時(shí)操作，進(jìn)而提高效率。

9. 混合信號(hào)功能

T-Clock 技術(shù)僅需單一 PXI 機(jī)箱達(dá)到 136 個(gè)同步化通道，或以多組機(jī)箱達(dá)到最多 5,000 個(gè)通道;當(dāng)然，該技術(shù)也可同步化不同類型的儀器。舉例來說，NI 示波器可通過 T-Clock 技術(shù)整合信號(hào)產(chǎn)生器、數(shù)字波形產(chǎn)成器，與數(shù)字波形分析器，建構(gòu)混合式信號(hào)系統(tǒng)。

圖6. 上圖VI 展現(xiàn)混合式信號(hào)(模擬與數(shù)字輸入) 示波器的應(yīng)用。

此外，數(shù)字或模擬輸出功能也可新增至應(yīng)用，以同步化所有儀器。

另外也可使用模塊化PXI 示波器搭配任意波形產(chǎn)生器，或數(shù)字波形產(chǎn)生器/分析儀，以建構(gòu)完整的混合式信號(hào)應(yīng)用，可達(dá)到示波器與邏輯分析器的優(yōu)點(diǎn)，而不會(huì)僅限于數(shù)字化功能的示波器。

10. 軟件、分析功能，與可客制化特性

當(dāng)選擇模塊化示波器或獨(dú)立示波器時(shí)，軟件與分析功能也為考慮要點(diǎn)。

獨(dú)立示波器是由制造商所定義，而一般示波器可由用戶于應(yīng)用中彈性定義之。箱型示波器具備多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)功能，可滿足工程師的常見需求。而這些標(biāo)準(zhǔn)功能不一定適用于所有應(yīng)用，針對(duì)自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用尤為如此。若使用者必須定義示波器所將進(jìn)行的測(cè)量操作，則應(yīng)選用模塊化的示波器，可通過計(jì)算機(jī)架構(gòu)進(jìn)而客制化，以滿足特殊需求，不致受限于獨(dú)立示波器的固定功能。

NI 示波器可通過免費(fèi)的NI-SCOPE 驅(qū)動(dòng)軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)程序搭配超過50 筆預(yù)先撰寫的范例程序，且特別強(qiáng)化NI 示波器的完整功能，其中的NI-SCOPE Soft Front Panel 也具備近似于示波器的接口。針對(duì)多樣應(yīng)用，同款硬件也可針對(duì)常見/客制化測(cè)量操作，通過如NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic，與.NET 進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。且NI-SCOPE 也可于LabVIEW 中支持設(shè)定架構(gòu)的函式。

圖7. 使用預(yù)先設(shè)定的Express 區(qū)塊，將可迅速設(shè)定示波器以采集數(shù)據(jù)。

NI LabVIEW SignalExpress 為交互式的環(huán)境，不需程序設(shè)計(jì)即可采集、分析，并記錄數(shù)據(jù)。

11. 結(jié)論

雖然模塊化示波器與獨(dú)立示波器均可采集電壓，但不同儀器具備不同優(yōu)點(diǎn)。而上述的考慮因素均極為重要。使用者應(yīng)先考慮應(yīng)用需求、成本限制、效能，與未來的可擴(kuò)充性，再選出可滿足需求的儀器。