如何选择示波器？

简介

 

        对于很多工程师来讲，从市场中上百款不同价格和规格的各种型号的示波器中，选择一台新示波器是一件很挠首的事情。本文就旨在指引你拨开迷雾，希望能帮助你避免付出昂贵的代价。
 

 

重中之重

 

        选择示波器的第一步不是要看那些示波器的广告和规格，而是要你花一些时间认真地考虑一下你打算用来干嘛和用在什么场合。

1.示波器你要用在什么地方（工作台、客户端还是在汽车罩下）？
2.一次性需要同时测试几个信号？
3.你要测试的信号的最大和最小幅值？
4.你要测试的信号的最高频率是多少？
5.你要测试的信号是重复还是单次激发信号？
6.除了要时域显示外，你是否还需要频域显示（频谱分析）？

        根据以上的几个问题，你就可以开始思考一下什么样的示波器才是符合你要求的最佳选择。

模拟vs数字

        本文的重点是放在数字存储示波器（DSOs），它们代表了现在在市场上可以购买到的大部分的示波器。在介绍如何选择一台数字示波器之前，我们很有必要先了解一下模拟示波器。

        我相信大部分的电子工程师都曾经用过模拟示波器，并且对它的结构和操作都很熟悉，但事实上，现在很多的人都会选择购买数字示波器来取代模拟示波器。尽管现在仍然还有一些工程师钟爱于模拟示波器，但是已经很少了，有一些是因为模拟示波器的部分特性是DSO无法超越的。

        如果你仍然对模拟示波器不舍，你会发现你的选择将会很有限，现在只有很少的厂家还在做模拟示 波器，几款目前还在卖的型号都是基于一些很老的技术，而且性能也很有限。买一台二手的模拟示波器最初看起来可能是一个很经济实惠的选择。但是购买之前，先检查一下备件是否可用，否则昂贵的维修费用将会使你的购买成为假节约。

        关于模拟vs数字示波器的争论，现增加了其他一些准则来衡量，DSOs：

1.体积小，方便携带；
2.有很大的带宽；
3.可单次激发；
4.彩屏显示；
5.提供屏显测量；
6.有简单的用户接口；
7.提供存储和打印功能


        现在的数字存储示波器一般都是与PC连接的，可以完全集成在自动测试仪器（ATE）系统中。另外，DSO还常用于高速信号采集系统前端，使每个通道花费的代价更加经济可行。

带宽

        首先要考虑的参数是带宽，带宽可被定义为可通过前端放大器信号的最大频率。因此，示波器的模拟带宽必须大于你要测试信号的最大频率（实时）。

        单是带宽是不足以保证一台数字存储示波器能准确地捕捉高频信号，示波器厂商的目的是设计出一款特定频率响应的示波器，这个响应被定义为最大平封延迟（MFED）。这种类型的频率响应使上冲、下冲和振铃最小，实现了出色的脉冲保真度。然而，因为数字存储示波器是由放大器、衰减器、模/数转换器、连接线和继电器组成的，所以MFED响应只能无限地接近，而不能完全达到。

        大部分的示波器厂商把带宽定义为当一个正弦波的输入信号在示波器中衰减为它原来幅值的71%（-3dB点）时该正弦波的频率，其实这种定义是没什么意义的。或者换句话说，带宽就是允许输入信号的显示轨迹错误地衰减了29%的频率。

        也要记住这一点，如果你的输入信号不是纯正的正弦波，它会含有一些更高频率的谐波。比如说，一个20MHz的纯正方波在20MHz带宽的示波器显示出来的是一个衰减过和失真的波形。作为一个经验法则，尽可能购买一台带宽五倍于所要测试信号最大频率的示波器，但是很不幸，高带宽的示波器非常昂贵，因此你可能要在这方面作出妥协。部分示波器的标定带宽并不在所有电压范围内有效，所以一定要仔细查看下示波器的规格说明。

采样率

        选择模拟示波器总是很简单的：只要带宽能满足你的要求就行了，但对于数字示波器，采样率和存储深度都是同等的重要。对于数字存储示波器，采样率常常是用兆样本每秒（MS/s）和千兆样本每秒（GS/s）表示。尼圭斯特准则规定采样率最少必须两倍于你想要测试信号的最高频率，对于频谱分析仪这可能是足够的，但是对于一个示波器，每个周期至少需要五个样本才能准确地重建波形。

        大部分的示波器都有两个不同的采样率（采样模式）：实时采样率和等效采样率（ETS）——常称为重复采样，这取决于你要测试的信号。然而，ETS只有当你要测试的是稳定和重复的信号时才有用，因为这个模式是通过连续采集来重建波形的。

图1a：用50MHz采样率采集20MHz的方波信号

        例如Pico科技12位的ADC-212/100以实时为100MS/s的采样率采样，或者对于重复信号，以5GS/s的采样率采样。图1a显示了用50MHz采样率采集20MHz的方波信号，对比于图1b显示的同样的波形用5GS/s采样率来讲，这基本上是无可辨别的。尽管5GS/s听起来很大，但是请记住如果你要测的信号是瞬间或不断变化的（比如说是一个视频波形），那么用ETS将会无效，而你又必须依赖于实时（单发）带宽，它的数值一般来说都是低很多的。
 

图1b：用1GS/s采样率采集20MHz的方波信号

        一个建议：示波器厂商都喜欢重点突出它们那些听起来最好的规格的，所以你可能需要仔细阅读一下规格说明，以便弄清楚其标定的采样率可应用于所有信号还是只能用于重复信号，你可能会发现你将要购买的示波器并不合用。

内存深度

        内存深度可能是DSO中最少被了解的一个参数，这对示波器来讲是非常遗憾的一件事，因为它是一个很重要的参数。DSOs会在缓冲的内存空间里存储采集的样本的，因此，如果采样率固定的话，缓冲内存的大小决定了在内存满之前示波器可以采集多长时间的信号。

        采样率跟内存深度之间的关系是很重要的；当一台示波器拥有很高的采样率但内存却很小时，它只能在其前面很短的时基上用全采样率采样。图2a显示了用1k的缓冲内存采集的一段长20µs的视频波形，尽管示波器的采样率可达到100MS/s，但是1k的缓冲内存还是限制了采样率只能为5MS/s（1k/200µs）。
 

图2a：用1k的缓冲内存采集一段200µs的视频波形

        咋一看，这看起来已经采集了令人满意的波形了，然而当波形要被放大到彩色突发信号（如图2b）时，小缓存的限制还是会显露出来的，彩色突发（在“阶梯”的时基上摆动部分）大概持续了5ms，所以在普通视图中只能显示内存中的25个点，但是，当我们要放大时这么少的点就要用来充满整个屏幕。
 

图2b：当波形要放大到彩色突发信号时，小缓存的限制显露出来了

        图2c显示了同样的视频波形的彩色突发部分，但是是以128k的缓存的示波器来采集。现在我们就有多达3000个点，就能有效地重现了彩色突发的部分，它们之间的差别太明显了。
 

图2c：显示同一个波形，这次是用128k的缓存大小

现实中的例子

        要想弄清楚带宽、采样率和内存深度之间的关系，这需要结合一个现实中的例子来看。现在尝试采集USB（1.1）一帧的数据，一帧的数据要持续1ms，数据以20MBPS的速度传输。为了简化我们的分析，我们可以设想成要采集12MHz的方波信号持续1ms。

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• 带宽——为了测试12MHz的信号，我们至少需要12MHz的带宽，然而用这个带宽给出的是一个扭曲的信号，因此我们起码需要至少为50MHz的带宽才是合理的。
• 采样率——为了重构一个12MHz的信号，每个波形周期我们大约需要5个点，因此起码需要60MS/s的采样率
• 内存深度——为了采集1ms的60MS/s的数据，我们需要最小的内存深度为60，000样本

分辨率与精度

        在数字电子中，一个信号变化了1%通常是不会有问题的；但是在音频电子中，0.1%的失真和噪音是不允许的。现在大多数的数字存储示波器在用来测试快速数字信号时进行了优化，提供了8位的分辨率（8位ADC），因此最好的情况下可以分辨0.4%的信号变化（如表）。

        8位的分辨率，可以把电压范围分成256个垂直阶梯级（2^8 = 256），当选择±1V电压范围时，每一级对应了大约8mV的电压，对于观察数字信号这可能是足够的，但是对于观察模拟信号似乎还不太够，特别当用频谱分析功能时（如果有这个功能的话）。对于如音频、噪声、振动和监控传感器（温度、电流、压力）等这样的信号，一个8位的示波器常常是不合适的，你应该考虑在12位或16位这两者中选其一。

        对于一台数字存储示波器的精度，这常常没被重视的。你可以在相对较小的百分比上进行测量（大多数8位的数字存储示波器标定为是3%到5%的精度），但是对于更多的精确测量，你应该要达到万用表的精度。一台更高分辨率的示波器，进行更高精度的测量就变得有可能了（1%或者更好），因此没必要用仪表测量。

        拥有高分辨率（12位或更多）和高直流精度的示波器其实就是所说的高精度示波器。

触发功能

        一台示波器的触发功能同步于信号在一个选定的点上的水平扫描：这对于分析信号的特点是很有必要的。触发控制帮助你稳定重复的波形和抓取单次波形，根据调查不同类型的信号，示波器厂商提供一些触发选项是有必要的。所有的数字示波器都提供了相同的一些基本触发选项（源、电位、斜坡、前/后触发），但在一些高级的触发功能上是不一样的。那些高级触发功能是否有用是取决于所要测量的信号，脉冲触发对数字信号是有用的，在追踪间歇性错误时，自动保存到磁盘/内存选项可能会很有用。

        一些应用中所用到的特殊触发（如磁盘驱动测试）经常作为额外的成本，一般是以软件或固件升级来实现的。如果你可能要用到其中一个这样的额外成本，不要害怕跟供应商谈判，叫他们免费提供这样的“额外选项”以达成协议，这种情况也并不罕见。

输入范围和探头

        一台典型的示波器会提供从±50mV到±50V可选的全刻度输入范围。如一些更高的电压可用10：1和100：1衰减的示波器探头，这时重要的是要检查对于你想要测量的信号，示波器是否在一个足够小的电压范围。如果你经常会测量一些小的信号（小于50mV），考虑买一台拥有12或16位垂直分辨率的示波器，一台16位的示波器的垂直分辨率是8位示波器的256倍，使放大毫伏和微伏水平的信号都成为可能。

        接着还要确认一下你选择的示波器探头，根据示波器的带宽，起码要匹配或者比它好。一些厂商为了节省成本通常提供与示波器配套的不合标准的探头或者只供应一些更高带宽的探头，作为可选组件，这是需要从示波器中选择最好的。大部分的示波器探头可在1：1和10：1的衰减率之间切换，只要有可能，当不小心连到一个高电压时，在测试中用10：1的设置最小化电路载荷或者增加过载保护都是可以的。

        对于每个高速信号（>200MHz），无源探头就开始陷入了由电缆电容引起的信号反射回示波器的问题。主动FET探头的探针配置了一个缓冲放大器，使用它可以有效地解决反射的问题。当测量高电压时，如±100V， 电源 和3相电压，最安全的做法是用差分隔离的示波器探头。

外形尺寸

        数字存储示波器大致可以分为三类：传统的台式、手持式和基于PC的。台式数字示波器通常是指在构建性能最高的示波器，这同时也反映在成本上，其一些特性如FFT频谱分析仪、PC接口、磁盘驱动和打印机，这些都是昂贵的可选配置。

        手持式示波器对于工程师来讲，最明显的优势是其便携性，但是要小心它那可怜的显示屏（很难在阳光下阅读的）和短暂的电池寿命。对于一个给定的性能水平，它们也可能是最昂贵的选择哦。

        而PC示波器，凭借其相对于同等性能的台式示波器那可观的成本节约，正在逐渐流行起来。节约成本的理由是显而易见的，大批量生产的PC早就已经普及开来了，你相当于免费拥用有了一个大的彩色显示屏、快速的处理器、磁盘驱和键盘等有效的设备。只要双击鼠标就能完成数据导入到文档处理器和电子表格中，这也是其一个很大的优势。

        PC示波器归结起来有两种类型：外置的和内置的。内置的PC示波器通常是以PCI形式的插卡，在理论上讲，这种示波器应该是成本最低的，但事实证明这往往是不对的。PC卡最主要的劣势是噪音，PC机箱里面是一个很嘈杂的电子环境，处在其中的插卡就正受其害，另一个问题是其可携性，基于PC卡的示波器都是与一部台式PC挂钩着来用的。

        外置的PC示波器是以一个小盒子为架构，通过USB或并口的形式连接到PC上去，这保证了所有的模拟电子信号处于PC的外部，从而避免了噪音问题。外置的PC示波器的第二个优势是其可携性——它们可在台式电脑或笔记本电脑上使用。

 

小结

 

        在不同的示波器之间进行选择，确认一下以下的几点：

• 先试后买——不要怕对来自不同制造商的不同示波器进行比较，如果供应商不能保证你“不满意退钱”的承诺的话，那你就最好别跟他们打交道。
• 对于较高成本的示波器，想办法弄个演示版来，要不仅能在示波器中显示，并确保用你实际想测量的信号来进行演示。
• 当购买示波器时，问清楚有关升级的问题，还要查清成本之内还包含了些什么。对于PC示波器，确保软件是否含在价格里面，还要问一下软件升级是否需要付费。对于台式示波器，弄清楚连接到电脑/打印机的电缆和软件的成本——它们可能会增加多达50%的总成本。
• 检查一下保修时间，如果你的仪器坏了不能使用，你的供应商会帮你修理仪器的同时会借另一台给你用吗？
• 最后，在互联网上查阅各种示波器的评论，在Google上搜索”oscilloscope review”将是一个很好的开始。

        总之，依先后顺序分别考虑带宽、采样率（实时和等效）和存储深度。但是要注意：对于大多数数字存储示波器来说，带宽和采样率都不是可升级的选项，因此一旦您为一台示波器支付了60，000美元，您就没得后悔了。

By Alan Tong，Pico科技 技术主管