如何選擇合適自己需求的“趁手”示波器!
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選擇示波器
示波器自從問(wèn)世以來(lái),它一直是最重要、最常用的電子測(cè)試儀器之一。由于電子技術(shù)的發(fā)展,示波器的能力在不斷提升,其性能與價(jià)格也五花八門(mén),市場(chǎng)參差不齊。示波器看似簡(jiǎn)單,但如何選擇,也存在許多問(wèn)題。本文根據(jù)多年的經(jīng)驗(yàn),從幾個(gè)方面告知您在選擇示波器時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題:
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了解您需要測(cè)試的信號(hào)
您要知道用示波器觀察什么?
您要捕捉并觀察的信號(hào)其典型性能是什么?
您的信號(hào)是否有復(fù)雜的特性?
您的信號(hào)是重復(fù)信號(hào)還是單次信號(hào)?
您要測(cè)量的信號(hào)過(guò)渡過(guò)程的帶寬,或者上升時(shí)間是多大?
您打算用何種信號(hào)特性來(lái)觸發(fā)短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等?
您打算同時(shí)顯示多少信號(hào)?
您對(duì)測(cè)試信號(hào)作何種處理?
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選擇示波器的核心技術(shù)差異
模擬(DRT)、數(shù)字(DSO)、還是數(shù)模兼合(DPO)。傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的控制面板,價(jià)格低廉,因而總覺(jué)得模擬示波器 “ 使用方便 ” 。
但是隨著 A/D 轉(zhuǎn)換器速度逐年提高和價(jià)格不斷降低,以及數(shù)字示波器不斷增加的測(cè)量能力和實(shí)際上不受限制的測(cè)量功能,數(shù)字示波器已獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。
但是數(shù)字示波器顯示具有三維的缺陷、處理連續(xù)性數(shù)據(jù)慢等缺點(diǎn),需要具有數(shù)模兼合技術(shù)的示波器,例 DPO 數(shù)字熒光示波器。
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確定測(cè)試信號(hào)帶寬
帶寬一般定義為正弦波輸入信號(hào)幅度衰減到 -3dB 時(shí)的頻率,即幅度的70.7% 。帶寬決定示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。如果沒(méi)有足夠的帶寬,示波器將無(wú)法測(cè)量高頻信號(hào),幅度將出現(xiàn)失真,邊緣將會(huì)消失,細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失;如果沒(méi)有足夠的帶寬,得到的信號(hào)所有特性,包含響鈴和振鳴等都毫無(wú)意義。
一個(gè)決定您所需要的示波器帶寬有效經(jīng)驗(yàn)—— “5倍經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則”:將您要測(cè)量的信號(hào)最高頻率分量乘以5,使測(cè)量結(jié)果獲得高于2%的精度。
在某些應(yīng)用場(chǎng)合,您不知道你的感興趣的信號(hào)帶寬,但是您知道它的最快上升時(shí)間,這時(shí)頻率響應(yīng)用下面的公式來(lái)計(jì)算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時(shí)間:Bw=0.35/信號(hào)的最快上升時(shí)間。
數(shù)字示波器帶寬有兩種類(lèi)型:重復(fù)(或等效時(shí)間)帶寬和實(shí)時(shí)(或單次)帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)的信號(hào),顯示來(lái)自于多次信號(hào)采集期間的采樣。實(shí)時(shí)帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的最高頻率,且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)或瞬變信號(hào)時(shí)就更為重要,實(shí)時(shí)帶寬與采樣速率緊密聯(lián)系。
帶寬越高越好,但是更高的帶寬往往意味著更高的價(jià)格,因此應(yīng)按照預(yù)算來(lái)選擇您要觀察的信號(hào)頻率成分。
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A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率
單位為每秒采樣次數(shù)( S/s ),指數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)采樣的頻率。示波器的采樣速率越快,所顯示的波形的分辨率和清晰度就高,重要信息和事件丟失的概率就越小。
如果需要觀測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的慢變信號(hào)或低頻信號(hào),最小采樣速率就發(fā)揮了作用,為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數(shù),需要調(diào)整水平控制旋鈕,而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)旋鈕的變化而變化。
如何計(jì)算采樣速率?計(jì)算方法取決于所測(cè)量的波形類(lèi)型,以及示波器所采用的信號(hào)重建方式,例正弦插入法,矢量插入法等。為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)并避免混淆,奈奎斯定理規(guī)定:信號(hào)的采樣速率必須不小于其最高頻率成分的兩倍。
然而,這個(gè)定理的前提是基于無(wú)限長(zhǎng)時(shí)間和周期連續(xù)的信號(hào)。由于示波器不可能提供無(wú)限時(shí)間的記錄長(zhǎng)度,而且從定義上看,低頻干擾是不連續(xù)的,也不是周期的,所以采用兩倍于最高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。
實(shí)際上,信號(hào)的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號(hào)采樣點(diǎn)間隙所采用的插值法,即波形重建。一些示波器會(huì)為操作者提供以下選擇:測(cè)量正弦信號(hào)的正弦插值法,以及測(cè)量矩形波、脈沖和其他信號(hào)類(lèi)型的線(xiàn)性插值法。
有一個(gè)比較采樣速率和信號(hào)帶寬時(shí)很有用的經(jīng)驗(yàn)法則:如果您正在觀察的示波器有內(nèi)插(通過(guò)篩選以便在取樣點(diǎn)間重新生成),則(采樣速率 / 信號(hào)帶寬)的比值至少應(yīng)為 4∶1,無(wú)正弦內(nèi)插時(shí),則應(yīng)采取 10∶1 的比值。
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屏幕刷新率/波形更新速度
所有的示波器都會(huì)閃爍,示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號(hào),在這些測(cè)量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測(cè)量,這就是波形捕獲速率,也稱(chēng)屏幕刷新率,表示為波形數(shù)每秒( wfms/s )。一定要區(qū)分波形捕獲速率與A/D采樣速率的區(qū)別。
采樣速率表示示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi)A/D采樣輸入信號(hào)的頻率;波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。
波形捕獲速率取決于示波器的類(lèi)型和性能級(jí)別,且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會(huì)提供更多的重要信號(hào)特性,并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時(shí)的異常情況,如抖動(dòng)、矮脈沖、低頻干擾和瞬時(shí)誤差的概率。
一般來(lái)講,模擬示波器由于電路簡(jiǎn)單,其屏幕刷新率較高,而數(shù)字存儲(chǔ)示波器( DSO )使用串行處理結(jié)構(gòu)每秒鐘可以捕獲 10 到 5000 個(gè)波形。為了改變數(shù)字示波器屏幕刷新率低的問(wèn)題,數(shù)字熒光示波器采用并行處理結(jié)構(gòu),可以提供更高的波形捕獲速率,有的高達(dá)每秒數(shù)百萬(wàn)個(gè)波形,大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性,并能讓您更快地發(fā)現(xiàn)信號(hào)存在的問(wèn)題。
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選用適當(dāng)存儲(chǔ)深度
存儲(chǔ)深度(也稱(chēng)記錄長(zhǎng)度)是示波器所能存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個(gè)脈沖串,則要求示波器有足夠的存儲(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。
將所要捕捉的時(shí)間長(zhǎng)度除以精確重現(xiàn)信號(hào)所須的采樣速率,可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度。存儲(chǔ)深度與采樣速率密切相關(guān)。您所需要的存儲(chǔ)深度取決于要測(cè)量的總時(shí)間跨度和所要求的時(shí)間分辨率。
現(xiàn)代的示波器允許用戶(hù)選擇記錄長(zhǎng)度,以便對(duì)一些操作中的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。分析一個(gè)十分穩(wěn)定的正弦信號(hào),只需要 500 點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度;但如果要解析一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流,則需要有一百萬(wàn)個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的記錄長(zhǎng)度。
在正確位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā),通??梢詼p小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。
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根據(jù)需要選擇不同觸發(fā)功能
示波器的觸發(fā)能使信號(hào)在正確的位置點(diǎn)同步水平掃描,使信號(hào)特性清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單次波形。
大多數(shù)用示波器的用戶(hù)只采用邊沿觸發(fā)方式,如果擁有其它觸發(fā)能力在某些應(yīng)用上是非常有用的,特別是對(duì)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障查尋,先進(jìn)的觸發(fā)方式可將所關(guān)心的事件分離出來(lái),找出您關(guān)心的非正常問(wèn)題,從而最有效地利用采樣速率和存儲(chǔ)深度。
現(xiàn)今有很多示波器,具有先進(jìn)的觸發(fā)能力。觸發(fā)能力主要圍繞三個(gè)方面:
①有關(guān)垂直方向的幅度,例瞬態(tài)尖峰觸發(fā)、過(guò)脈沖或短脈沖觸發(fā)等
②有關(guān)水平方向的與時(shí)間有關(guān)的觸發(fā),例脈沖寬度、窄脈沖、建立/保持時(shí)間等設(shè)定時(shí)間寬度的觸發(fā)形式
③擴(kuò)展和常規(guī)觸發(fā)功能的組合能力,例對(duì)視頻信號(hào)或其它難以捕捉的信號(hào),通過(guò)時(shí)間和幅度組合設(shè)置觸發(fā)條件進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)能力的提高,可以大提高測(cè)試過(guò)程的靈活性,并簡(jiǎn)化工作,尤其現(xiàn)今的示波器對(duì)數(shù)據(jù)總線(xiàn)的觸發(fā)能力大大提高,例CAN,I2C等
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通道能力
包括通道數(shù)量和通道對(duì)地的懸浮能力和通道之間的隔離能力,您需要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用,對(duì)于通常的經(jīng)濟(jì)型故障查尋應(yīng)用,需要的是雙通道示波器,然而要求觀察若干個(gè)模擬信號(hào)的相互關(guān)系,將需要一臺(tái) 4 通道示波器,許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號(hào)的系統(tǒng)工程師可以選擇混合信號(hào)示波器(MSO),它將邏輯分析儀的通道計(jì)數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時(shí)間相關(guān)顯示的單一儀器中。
如果您測(cè)量三相電,可控硅等有源器件或線(xiàn)路,兩端之間沒(méi)有絕對(duì)的零點(diǎn),即所謂的浮地信號(hào),這時(shí)候從操作安全和精度出發(fā),應(yīng)選用隔離通道示波器;如果比較多通道的時(shí)序和相移,應(yīng)選用兩通道以上示波器,這時(shí)通道之間的隔離更顯重要。
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對(duì)異?,F(xiàn)象的捕獲
三個(gè)主要因素影響著示波器顯示日常測(cè)試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信號(hào)的能力:屏幕刷新速率、波形捕獲方式和觸發(fā)能力。
波形捕獲模式有:采樣模式、峰值檢測(cè)模式、高分辨率模式、包絡(luò)模式、平均值模式等。屏幕刷新速率指給您關(guān)于示波器對(duì)信號(hào)和控制的變化反應(yīng)快慢,使用峰值檢測(cè)有助于在較慢的信號(hào)中捕捉快速信號(hào)的峰值。
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示波器的性能和指標(biāo)
示波器的指標(biāo)有很多:如垂直靈敏度、掃描速度、垂直精度、時(shí)間基準(zhǔn)、垂直分辨率等等。示波器的性能取決品牌的質(zhì)量,關(guān)鍵在于質(zhì)量、穩(wěn)定性和校準(zhǔn)服務(wù)等。
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分析功能有助于您事半功倍
數(shù)字示波器的最大優(yōu)點(diǎn)是它們能得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量,且按一下按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠(chǎng)家和型號(hào)而異,但它們一般包括頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等測(cè)量,有些示波器還提供很多分析模塊,例FFT、功率分析、高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算等超常功能。
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相應(yīng)配套的附件和探頭
容易忘記的一點(diǎn)是,當(dāng)裝上探頭時(shí),它就成為整個(gè)測(cè)試電路的一部分了,結(jié)果探頭將造成電阻性、電容性和電感性負(fù)載,使示波器呈現(xiàn)出與被測(cè)對(duì)象不同的測(cè)量結(jié)果。
因此,針對(duì)不同應(yīng)用配有相應(yīng)的探頭,然后選擇其中一種,使負(fù)載效應(yīng)最小,使信號(hào)得到最精確的復(fù)現(xiàn)。
由于 SMT 元件的發(fā)展,連接更困難,使用不同的附件滿(mǎn)足特殊需要。詳細(xì)見(jiàn)北京海洋興業(yè)科技有限公司專(zhuān)業(yè)文章“走向更好的測(cè)量,合理地選擇探頭和附件”。
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示波器的操作性能
很顯然,如果您不能訪(fǎng)問(wèn)各種功能,或者要花很多時(shí)間去學(xué)習(xí)它們,那么您的示波器將價(jià)值不大,適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和中文操作界面會(huì)使您突破使用上的障礙。
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示波器數(shù)據(jù)管理和通訊能力
對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析非常重要。將信息和測(cè)量結(jié)果在高速通信網(wǎng)絡(luò)中便捷地保存和共享變得日益重要。
示波器的互聯(lián)性提供對(duì)結(jié)果的高級(jí)分析能力并簡(jiǎn)化結(jié)果的存檔和共享。示波器通過(guò)各種接口( GPIB 、 RS-232 、 USB 或以太網(wǎng))和網(wǎng)絡(luò)通信模式提供一系列的功能和控制方式。
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示波器功能的擴(kuò)展性
為了不斷適應(yīng)需求變化。示波器功能最好可以隨機(jī)擴(kuò)展:
增加通道的內(nèi)存以分析更長(zhǎng)的記錄長(zhǎng)度
增加面對(duì)具體應(yīng)用的測(cè)量功能
有一整套兼容的探頭和模塊,加強(qiáng)示波器的能力
同通用第三方的 Windows 兼容的分析軟件協(xié)同工作,例如 OIscope 示波器軟件。
增加附件,如電池組和機(jī)架固定件等
總之,示波器的選擇是一個(gè)看似簡(jiǎn)單而又是您很難處理的問(wèn)題,市場(chǎng)上產(chǎn)品很多,并且技術(shù)各有差異,有時(shí)很難讓您下決定。以上說(shuō)明可能給您一些建議,采用上圖的選擇過(guò)程會(huì)對(duì)您更有益。
根據(jù)多年經(jīng)驗(yàn),選擇示波器有以下“經(jīng)驗(yàn)法則”:
ART模擬示波器,選擇四要素:性?xún)r(jià)比(價(jià)格與產(chǎn)品質(zhì)量品牌的比較優(yōu)勢(shì))、測(cè)試帶寬(5倍經(jīng)驗(yàn)法則)、通道數(shù)量(2或4)、供應(yīng)商能力(售后是否得到保證)。
DSO數(shù)字存儲(chǔ)示波器,在測(cè)試信號(hào)帶寬、示波器帶寬、示波器實(shí)時(shí)采樣率、示波器存儲(chǔ)深度之間找到平衡,有以下經(jīng)驗(yàn)可循:示波器帶寬最好是信號(hào)帶寬的5倍,示波器實(shí)時(shí)采樣速率≥4倍示波器帶寬;存儲(chǔ)深度≥采樣速率×要求最長(zhǎng)保存時(shí)間。
DPO數(shù)模兼合示波器,在基本指標(biāo)要求上與DSO一致,但需要引入二個(gè)能力:屏幕刷新率、波形觸發(fā)與分析能力。
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特殊功能需求
①你如果需要到現(xiàn)場(chǎng)工作,并且需要電池供電,對(duì)儀器的體積要求很?chē)?yán),對(duì)儀器的功能除示波器測(cè)量外還需要其它測(cè)試(例萬(wàn)用表功能),您這時(shí)最好選用手持示波表(HSO)。
②如果您在隔離或懸浮時(shí),安全不能得到保障,并且需要分析功率、相移時(shí),請(qǐng)選用隔離示波器(DIO),尤其是多通道的DIO。
③如果您需要多通道的模擬與數(shù)字信號(hào)混合測(cè)試,您除了選用具有串行總線(xiàn)觸發(fā)功能的示波器外,您最好選用MSO混合示波器。
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