如何選擇一個(gè)示波器？哪些參數(shù)是必須關(guān)注的？

市場(chǎng)上如此多種類(lèi)的示波器，該選擇哪一款呢?示波器的廣告宣傳中，往往會(huì)凸顯帶寬和采樣率兩個(gè)非常重要的參數(shù)。但是，還有哪些隱藏在說(shuō)明書(shū)中的參數(shù)需要我們關(guān)注呢?

選擇示波器的時(shí)候，我做了詳細(xì)的記錄，這里想跟大家分享一下，我是如何選擇一臺(tái)示波器的!我研究了市場(chǎng)上幾個(gè)品牌的示波器，最后，選擇了一款Pico示波器，所以，相對(duì)于其他示波器，我將會(huì)重點(diǎn)介紹這款示波器。但是，內(nèi)容可能有些簡(jiǎn)單，因?yàn)槲覜](méi)有太多的示波器，所以不能將拍成照片放在文章中。我也不是Pico的員工，在這里我會(huì)嘗試著放以一些其他有這個(gè)系列產(chǎn)品的供應(yīng)商的例子來(lái)保持平衡。

這個(gè)系列由四個(gè)專(zhuān)題組成。下次專(zhuān)題二，我在討論寬帶和采樣率。本次專(zhuān)題一將介紹示波器的物理特性：臺(tái)式示波器和PC示波器的探頭類(lèi)型和數(shù)字輸入。下一次，我將會(huì)討論示波器的核心參數(shù)，像帶寬、采樣率、模數(shù)轉(zhuǎn)換的分辨率。之后，我將會(huì)介紹運(yùn)行在示波器上的軟件和一些細(xì)節(jié)，比如遠(yuǎn)程控制，快速傅立葉變換(FFT)，數(shù)字解碼和緩存。最后，將會(huì)介紹其他的一些參數(shù)，像外部觸發(fā)和時(shí)鐘同步，還有總結(jié)一下我已經(jīng)介紹過(guò)的示波器參數(shù)。

Ⅰ：如何選擇一個(gè)示波器?先談?wù)勈静ㄆ鞯奈锢硖匦?/p>

一、你是想要PC示波器的還是臺(tái)式示波器?

這是兩種不同的設(shè)備類(lèi)型，可根據(jù)需要去選擇示波器的類(lèi)型。很多人喜歡用臺(tái)式示波器，因?yàn)樗梢灾苯臃旁谠囼?yàn)臺(tái)上測(cè)試電路信號(hào)，而不需要配置一臺(tái)電腦才能使用。也有人喜歡PC示波器，通過(guò)USB來(lái)連接到電腦上使用。我一直以來(lái)都比較喜歡于PC示波器。首先是它只需要占用很小的地方，例如，我可以將示波器垂直地放在桌子，這樣就可以節(jié)省了一些地方(如圖1所示)。

圖1 垂直放置示波器

我喜歡PC示波器的另一個(gè)原因是，它能夠用電腦的鍵盤(pán)和鼠標(biāo)來(lái)設(shè)置示波器，尤其是在用高級(jí)觸發(fā)時(shí)，鍵盤(pán)和鼠標(biāo)更加方便。另外，當(dāng)你想要進(jìn)行屏幕截圖或者存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，直接在用鼠標(biāo)在電腦上操作就行，而不必先保存在示波器內(nèi)，然后再通過(guò)一個(gè)U盤(pán)或者其他類(lèi)似設(shè)備將其拷貝到電腦上。

當(dāng)然USB示波器也有一些缺點(diǎn)。人們抱怨最多的可能就是沒(méi)有按鈕控制功能，不過(guò)這個(gè)也是很容易解決的。

圖2中你可以看到USB的“旋鈕板”，那是我自己做的。旋鈕的每次旋轉(zhuǎn)都會(huì)發(fā)送一次“鍵擊命令”，只要你的PC示波器激活自定義快捷鍵、改變輸入范圍和時(shí)基等功能。一般情況下，我還是用鍵盤(pán)和鼠標(biāo)，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)有時(shí)他們比旋鈕好用。如果你喜歡這個(gè)設(shè)計(jì)，你可以在我的博客上找得到。

圖2 自制示波器旋鈕

擁有一款PC示波器也意味著你能夠擁有一個(gè)大尺寸的屏幕。一款高端的示波器可以在12.1英寸的屏幕上顯示，但是你可以用200美元或者更低的價(jià)格為你的電腦購(gòu)買(mǎi)一個(gè)22寸的顯示屏來(lái)顯示波形。如果你的示波器的軟件支持多個(gè)窗口的話，那你就可以像圖3中那樣來(lái)設(shè)置多個(gè)顯示界面。

圖3 軟件顯示多個(gè)窗口

對(duì)于我個(gè)人來(lái)說(shuō)，我更加喜歡我的電腦上一次只顯示一個(gè)界面。當(dāng)然，如果你不想用你的電腦來(lái)配套示波器使用的話，這時(shí)你也許需要的就是一臺(tái)臺(tái)式示波器。

二、地線在哪里?

對(duì)PC示波器，人們抱怨最多的是它探頭的地線跟USB的地線是連接在一起的!所以你需要確保在測(cè)試時(shí)，PC示波器和電腦的地線間沒(méi)電壓差。

其實(shí)，大多數(shù)示波器在進(jìn)行測(cè)試時(shí)都需要考慮這個(gè)情況，不管臺(tái)式示波器還是PC示波器。如果你用歐姆表來(lái)檢測(cè)一下，你會(huì)發(fā)現(xiàn)那個(gè) “探頭地線”實(shí)際上也是和臺(tái)式示波器的系統(tǒng)地連接在一起。至少我曾經(jīng)測(cè)試我購(gòu)買(mǎi)的幾臺(tái)其他品牌的示波器，都是這樣的情況。因此對(duì)PC示波器存在抱怨是不太公平的。

你也可以選用差分或者隔離示波器，他們主要用來(lái)消除在不同輸入端之間的接地回路問(wèn)題。他們也能給您更多的測(cè)量靈活性。比如說(shuō)，如果你想要測(cè)試經(jīng)過(guò)“高側(cè)分流電阻”的電壓，你就可以用差分示波器來(lái)測(cè)量了，TiePieHS4 DIFF差分示波器就可以實(shí)現(xiàn)這種測(cè)量。當(dāng)然，你也可以給普通單端示波器購(gòu)買(mǎi)差分探頭，同樣可以實(shí)現(xiàn)差分測(cè)量。大多數(shù)的供應(yīng)商都制作這樣的探頭(安捷倫、泰克、PicoTech和Rigol等)。

三、輸入信號(hào)類(lèi)型

幾乎所有的示波器都有直流耦合和交流耦合的輸入，你有時(shí)可能想要去對(duì)比示波器的最小量程和最大量程。其實(shí)，不要太過(guò)考慮那些所謂的上限和下限，除非您有很特殊的要求。當(dāng)您考慮示波器的最大輸入范圍時(shí)，請(qǐng)記住你很有可能需要用到10:1的探頭，這就意味著一個(gè)有±20V的輸入范圍的示波器可以在10:1的探頭的幫助下變成范圍為±200V。

當(dāng)考慮示波器的最小輸入范圍時(shí)，噪聲是完全可以讓你抓狂的!例如，示波器有一個(gè)1mV/div的范圍，那么你就必須要考慮噪聲的影響。測(cè)量一個(gè)非常小的信號(hào)時(shí)，一般不要在測(cè)量端使用有源探頭。比如，你想要測(cè)經(jīng)過(guò)分流器的電流的時(shí)候，是完全可以用差分放大芯片自己動(dòng)手制作一個(gè)。

除了真正的測(cè)量范圍，你可能也會(huì)對(duì)“偏置范圍”感興趣。在DC耦合時(shí)，大多數(shù)示波器都能夠去掉一個(gè)固定的電壓(用偏置功能)。例如，你可以在一個(gè)最大1.0V的輸入范圍下測(cè)試1.2V的輸入電壓，因?yàn)槭静ㄆ魇强梢韵葘⑿盘?hào)上減少1V。當(dāng)然，當(dāng)你需要在一些固定的電壓上去掉更小的信號(hào)時(shí)，將會(huì)更加方便。

另一種常見(jiàn)的輸入類(lèi)型是50Ω阻抗輸入。正常情況下，這就意味著示波器可以在AC、DC和DC50輸入類(lèi)型間切換。DC50的意思就是輸入是有50Ω的阻抗的。一般用到更高模擬帶寬的示波器上有這個(gè)功能。例如，它可以測(cè)量一個(gè)50Ω阻抗SMA連接器端輸出的時(shí)鐘信號(hào)。另外，50Ω的輸入阻抗可以簡(jiǎn)化示波器與其他的實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行連接的步驟(不用額外配置1MΩ轉(zhuǎn)50歐阻抗轉(zhuǎn)換器)。如果你也想要用一個(gè)低噪聲的放大器去測(cè)量一個(gè)非常小的信號(hào)，那也是沒(méi)有問(wèn)題的，因?yàn)槟憧梢詼?zhǔn)確地將低噪聲放大器的輸出關(guān)閉。

如果你最后需要DC50的終端，你可以購(gòu)買(mǎi)一個(gè)50Ω的直通端子，最高配套1GHz 帶寬的示波器使用。可以直接連接在示波器前端，從而獲得50Ω的輸入阻抗。

一個(gè)大型的示波器公司往往會(huì)有不同帶寬、不同輸入范圍，不同型號(hào)的產(chǎn)品。比如說(shuō)，Pico5000系列最高帶寬200MHz， DCAC高阻抗輸入。Pico6000系列的示波器500MHz帶寬及其以下的型號(hào)輸入類(lèi)型有DCACDC50。6000系列1000MHz帶寬的示波器下只有50Ω的輸入阻抗。其他的供應(yīng)商幾乎也是這樣：在最高的帶寬下也是有50Ω的輸入阻抗，中等帶寬的示波器有DCACDC50三種輸入類(lèi)型，低帶寬示波器只有DCAC模式。

四、探頭的質(zhì)量和類(lèi)型

在日復(fù)一日的使用中，沒(méi)有什么東西能夠跟你的示波器的探頭質(zhì)量那樣影響著你。這是你與示波器的互動(dòng)橋梁。

大多數(shù)“標(biāo)準(zhǔn)”的示波器探頭是跟圖4中的照片一樣的。

圖4 通用探頭

它們是可調(diào)檔位從1:1到10:1的衰減，10:1是對(duì)輸入信號(hào)衰減10倍。值得注意的一點(diǎn)是，在1:1的模式下，大多數(shù)的示波器擁有非常有限的帶寬—一般是小于10MHz。然而在10：1模式下可能會(huì)有300MHz的帶寬!另外，10:1模式下的負(fù)載更小。更高帶寬的探頭通常只有10:1模式。我猜想是因?yàn)楦哳l時(shí)，頻繁的切換探頭衰減檔位會(huì)損壞。

首先要檢查的是探頭的頂尖是否是可以移除的。如果你弄壞了頂尖，它是很方便的換一個(gè)頂尖，而不是把整個(gè)探頭都更換了。如果你是在探測(cè)一個(gè)PCB板，它可以很容易探測(cè)測(cè)量點(diǎn)。當(dāng)然，一般的探頭都會(huì)有一個(gè)適配器，用于專(zhuān)門(mén)測(cè)試PCB的，而不是只有一個(gè)探頭尖端。老款的安捷倫的1160A探頭就是有這樣一個(gè)尖端。

我很喜歡的一款是帶彈簧夾的探頭(圖4中)。它的尖端比標(biāo)準(zhǔn)探頭小一些，彈簧支撐的作用讓它更加容易地與焊接接頭相連。你可以使用一些力氣來(lái)戳穿氧化層，彈簧支撐的器件可以讓你準(zhǔn)確地觸摸到接頭。另外，你甚至可以這樣做—將探頭穿過(guò)焊錫表面。它上面也有一些塑料的防護(hù)層，這些可以將標(biāo)準(zhǔn)的接口器件規(guī)格(例如1.27mm,1mm,0.5mm,0.8mm)加到TQFPSOICTSSOP封裝形式的探頭。

圖4是Pico6000系列標(biāo)配的探頭，可以有通過(guò)型號(hào)區(qū)分：TA150(350MHz帶寬)或者TA133(500MHz帶寬)。但是我要說(shuō)明的是，安捷倫也在賣(mài)一款同樣的探頭—型號(hào)為N287xA—作為一種附件。相似的，力科也在賣(mài)類(lèi)似的探頭—PP007，羅德與施瓦茨也賣(mài)類(lèi)似的型號(hào)—RTM-ZP10，同樣也有相似的附件。但是我懷疑他們的探頭出來(lái)自同一個(gè)供應(yīng)商。根據(jù)你自己的需求和選項(xiàng)，如果你單獨(dú)地訂購(gòu)這些探頭的話，它的價(jià)格在$200到$400之間。

Pomona Electronics 也在賣(mài)同樣的探頭，型號(hào)為6491到6501(不同的型號(hào)，帶寬不同)。一款150MHz(6493)的探頭，它在Digi-Key、 Mouser 和Newark element14上售賣(mài)也就幾十到一百美元。這個(gè)探頭是跟一開(kāi)始的彈簧式的不同的，但是如果你對(duì)帶寬的要求不高的話，可以選擇購(gòu)買(mǎi)它。

圖5 探測(cè)電路

如果你在使用一個(gè)高帶寬的探頭的話，那你要關(guān)心的是頻率響應(yīng)的平滑度。一個(gè)探頭標(biāo)稱(chēng)帶寬1GHz，電壓幅值在1GHz時(shí)會(huì)下降3dB。但是無(wú)良商家制造的產(chǎn)品不會(huì)有一個(gè)非常平滑的頻率響應(yīng)或者在-3dB點(diǎn)處沒(méi)有下滑。

在使用高帶寬的探頭的時(shí)候，接地將會(huì)是非常的重要的一個(gè)問(wèn)題。經(jīng)典的鱷魚(yú)夾也許不會(huì)消失!一個(gè)最簡(jiǎn)單的附件是跟在圖5中顯示的那樣的。也許會(huì)有更多更加適合的可用的接地的配件，這些可以查一下探頭自帶的一些說(shuō)明文件。

不要擔(dān)心不能為你自己的探頭配置附件。圖6中顯示的探頭支架是我用一個(gè)可調(diào)的機(jī)械手制作的。

圖6 為探頭配置可調(diào)機(jī)械手

五、數(shù)字輸入

最后，講一下混合數(shù)字示波器，即，同一款示波器既有模擬通道，也有數(shù)字通道。這里也是個(gè)人的選擇：也許你會(huì)想要一個(gè)單獨(dú)的數(shù)字分析儀，或者是你希望將它內(nèi)置到你的示波器中。

我自己選擇了一個(gè)基于PC的單獨(dú)的數(shù)字邏輯分析儀。數(shù)字邏輯分析儀可以以一個(gè)比較低的價(jià)格從很多供應(yīng)商那里購(gòu)買(mǎi)。根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，跟一個(gè)不帶邏輯分析儀的示波器相比，帶有邏輯分析儀的示波器更加不劃算。當(dāng)你在評(píng)價(jià)它的時(shí)候，一定要看清楚通道數(shù)、最大采樣率、緩存大小和邏輯分析儀能夠解碼的信號(hào)種類(lèi)。

當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)集成商建議你買(mǎi)一個(gè)示波器和分析儀組合在一起的儀器來(lái)獲得數(shù)字和模擬信號(hào)的同步的時(shí)候，請(qǐng)記住這些儀器的一般都是可以輸出一個(gè)觸發(fā)信號(hào)的。所以如果你的示波器在開(kāi)始捕捉模擬信號(hào)時(shí)，可以產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，那么你完全可以在數(shù)字邏輯分析儀同步捕捉同步的數(shù)據(jù)(反之亦然)。

六、內(nèi)容預(yù)告：示波器的核心參數(shù)

這次我主要介紹了選擇一臺(tái)示波器時(shí)，需要考慮到的示波器的物理特性。下次將更多的介紹示波器的核心參數(shù)，像帶寬、采樣率和分辨率等。

Ⅱ：如何選擇一個(gè)示波器?討論示波器的寬帶和采樣率

這是如何選擇一個(gè)合適示波器專(zhuān)題系列的第二章，它不是一個(gè)完整的選型指南，而是我研究之后所做的總結(jié)。其中可能介紹到一些您不曾注意到的細(xì)節(jié)，希望對(duì)大家有所幫助。

第一章主要講述了PC示波器和臺(tái)式示波器的區(qū)別，同時(shí)討論了示波器探頭的主要特點(diǎn)。本章主要討論一下示波器的核心參數(shù)：模擬帶寬、采樣率、AD分辨率。

一、模擬帶寬

目前已經(jīng)有太多的文章介紹模擬示波器的帶寬，所以這里我不再花太多時(shí)間來(lái)介紹。簡(jiǎn)言之，帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時(shí)的頻率，如圖1所示，功率一半也就是電壓的1/ , 例如，用一個(gè)100MHz帶寬的示波器采集一個(gè)10MHz，1V的正弦波，此時(shí)示波器采集到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。隨著輸入信號(hào)頻率的增加到100MHz時(shí)，采集到的正弦波的振幅變?yōu)?.707V左右。

圖7 帶寬是功率一半或者-3dB時(shí)的頻率。如果輸入一個(gè)固定振幅的波形，增加信號(hào)頻率，-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實(shí)際幅值的0.707倍。

不幸的是，實(shí)際應(yīng)用中我們很可能需要測(cè)量的是方波(例如數(shù)字系統(tǒng))而不是正弦波。因?yàn)椴杉讲ㄐ枰h(yuǎn)高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個(gè)帶寬是待測(cè)數(shù)字系統(tǒng)最高信號(hào)頻率5倍的示波器。例如，一個(gè)66MHz的時(shí)鐘信號(hào)需要一個(gè)330MHz帶寬的示波器。

我用Python 腳本編寫(xiě)一個(gè)模擬濾波器，先對(duì)方波進(jìn)行濾波，然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)濾波的結(jié)果。

圖8 用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)采樣的結(jié)果

二、采樣率

除了示波器的模擬帶寬外，采樣率也是非常重要的參數(shù)。采樣率的單位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。一般情況下，各個(gè)示波器公布的采樣率參數(shù)都是指單通道最高采樣率。如果一臺(tái)兩通道的示波器，公布的采樣率參數(shù)為1GS/s，兩個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，每通道的最高采樣率為500MS/s。

所以，你需要多高的采樣率?對(duì)奈奎斯特定律熟悉的人，可能簡(jiǎn)單的認(rèn)為采樣率僅為待測(cè)信號(hào)帶寬的2倍即可。但是當(dāng)根據(jù)這個(gè)原則采集信號(hào)時(shí)，信號(hào)往往是失真的。當(dāng)然，更高的帶寬和采樣率下，這個(gè)定律是非常適用的，例如，5倍的采樣率。圖3顯示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此時(shí)，方波信號(hào)嚴(yán)重失真。然后，如果只將采樣率提到到100MS/s，一下子還真無(wú)法認(rèn)出是方波。與100MS/s的采樣率相比，500MS/s采樣率采集出來(lái)的信號(hào)更像是方波信號(hào)(但是由于示波器帶寬的限制，方波還是被磨平了一些)

圖9 用100MS/s采樣率采集25.3MHz的方波信號(hào)，嚴(yán)重失真。用500MS/s采集出來(lái)的信號(hào)看起來(lái)有點(diǎn)像方波信號(hào)的。

三、等時(shí)間采樣(ETS)

一些示波器有一個(gè)等時(shí)間采樣模式，一個(gè)快速采樣模式。如PicoScope 6000系列采樣率為5G/s, 其在ETS模式下，單通道采樣率能夠達(dá)到200GS/s，四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí)，ETS采樣率高達(dá)50GS/s。

值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過(guò)AD采樣時(shí)鐘精確的相位偏移實(shí)現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號(hào)。因?yàn)橐欢螘r(shí)間之后，波形將重建。簡(jiǎn)言之，就是一個(gè)周期采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，下一個(gè)周期在采集一個(gè)采樣點(diǎn)，兩個(gè)采樣點(diǎn)有固定的相位差。采集多個(gè)周期之后，會(huì)將這些點(diǎn)合成一個(gè)周期的波形。

四、ADC分辨率

還有一個(gè)常常需要考慮的核心參數(shù)：AD分辨率。即模擬波形如何映射到數(shù)字波形的。一個(gè)8位的ADC表示可以將模擬波形分為28=256等份。例如示波器的測(cè)量范圍是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV.

這也告訴我們數(shù)字示波器一個(gè)事實(shí)：選擇盡可能小的測(cè)量范圍，以便于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測(cè)信號(hào)摻雜其他信號(hào)，例如一個(gè)帶負(fù)載的開(kāi)關(guān)，剛打開(kāi)的瞬間會(huì)有一個(gè)7V的尖峰，然后才回到正常的0.5V。如果你想要測(cè)量該尖峰，那么你就不能用最小的測(cè)量范圍。

一個(gè)12位的分辨率的示波器，當(dāng)測(cè)量范圍為±5 V(峰峰值10V)，將模擬信號(hào)分成212=4096等份，最小可分辨電壓為2.551mV。如果分辨率為16位，10V峰峰值電壓范圍被分為216=65536份，最小分辨電壓0.1526mV。一般情況下，我們需要在高分辨率慢速ADC和低分辨率快速ADC之前作出取舍。但是Pico Technology 的柔性分辨率5000系列示波器是一個(gè)例外，因?yàn)樗试S你動(dòng)態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進(jìn)行切換。不過(guò)分辨率的選擇同時(shí)使用的通道數(shù)量和最高采樣率。

一般的示波器都是8位的ADC分辨率，當(dāng)然也有一些高分辨的示波器。但是這些高分辨率是固定的，無(wú)法改變。所以在購(gòu)買(mǎi)示波器時(shí)，我們必須選擇要買(mǎi)高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器(分辨率高，采樣率相對(duì)就低一些)。有些聰明的示波器廠家說(shuō)他們的示波器可以使用8-14位的分辨率，也可以選擇不同的采樣率。他們可以單賣(mài)采集板卡，讓用戶(hù)可以將原有的示波器升級(jí)到更高的分辨率。TiePie就是這樣做的。除了之前提到的柔性分辨率示波器，Pico Technology 也有最高14位的固定高分辨率示波器。一些其他大的示波器廠家也有高分辨率示波器。例如 力科HRO高分辨率示波器(12位分辨率)。

許多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或軟件分辨率增強(qiáng)功能。這是通過(guò)濾波實(shí)現(xiàn)的一種軟件增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)可能對(duì)測(cè)量信號(hào)的帶寬有一定的影響。千萬(wàn)要注意，一個(gè)實(shí)際12位，100MHz帶寬的示波器跟通過(guò)8位分辨率，100MHz示波器軟件增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。

用示波器的FFT模式(通常稱(chēng)為頻譜分析儀模式)，我們可以看到高分辨ADC和增強(qiáng)的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時(shí)域波形，那么我們可能不會(huì)注意14位分辨率的精確度或者其他。但是，如果需要測(cè)量諧波失真(THD)，或者其需要精確測(cè)試頻率的應(yīng)用，高分辨是直觀重要的。

圖10 不同分辨率下的顯示效果

Ⅲ：如何選擇一個(gè)示波器?討論示波器的軟件特征

該系列我們將來(lái)討論P(yáng)icoScope示波器的軟件特征，例如，遠(yuǎn)程控制、FFT、數(shù)字解碼和緩存大小等。

前兩個(gè)系列，我介紹了PC示波器和臺(tái)式之間的區(qū)別，探頭的物理特性和示波器的核心參數(shù)，如模擬帶寬、采樣率和ADC分辨率等特性。本系列將介紹示波器的其他特征：外部觸發(fā)和時(shí)鐘同步，并且我會(huì)總結(jié)一下所有我講過(guò)的東西。

一、儲(chǔ)存深度

數(shù)字示波器通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后將其存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，所以示波器的一個(gè)重要特征就是它能夠儲(chǔ)存多少樣本，即緩存深度。這個(gè)參數(shù)在高速采樣率下尤為重要---例如，在采樣率5GS/s時(shí)， 一百萬(wàn)個(gè)樣本(1MS)意味著能夠存儲(chǔ)200μs的數(shù)據(jù)。一般情況下，一臺(tái)低價(jià)位的示波器只有很小的緩存空間。在網(wǎng)上你可以看到一款這樣的示波器Hantek DSO5202P，采樣率1GS/s 的采樣率，但是只賣(mài)400美元，因?yàn)樗挠涗涢L(zhǎng)度只有24KS而已，即只能記錄24μs的數(shù)據(jù)。你也可以發(fā)現(xiàn)緩存更小的示波器，例如一款型號(hào)為Agilent TDS2000C的示波器就只有2.5K的緩存深度。如果你只關(guān)注觸發(fā)信號(hào)，那你可以選用更小緩存的示波器。但是，當(dāng)用觸發(fā)也無(wú)法捕捉到一些特殊故障時(shí)，你可能就需要一個(gè)大的緩存來(lái)捕捉長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)信號(hào)，以便于從中查找故障。小的緩存意味著在你很難去獲得你想要的信號(hào)。

即是一些示波器聲稱(chēng)大緩存，但是實(shí)際上，我們想要獲得全部的緩存也是有困難的。PS6403D示波器是PicoTech的其中一款1GS緩存的示波器，在配套的軟件上可以設(shè)置示波器的所有參數(shù)，但是該軟件實(shí)際上的將驅(qū)動(dòng)緩存限制在500MS左右。然而我不得不承認(rèn)這真的是非常讓人印象深刻的，直到存儲(chǔ)器存滿(mǎn)之前，一直能夠保持5GS/s的采樣速度，就算它建議的存儲(chǔ)器帶寬是40Gb/s!。借助于分段存儲(chǔ)器(這個(gè)將來(lái)會(huì)介紹)我們可以用到全部的緩存，但是它不能用來(lái)捕捉一個(gè)連續(xù)的1GS大小的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。

二、FFT長(zhǎng)度

示波器的廣告總會(huì)在間接地提到它們有“頻譜分析儀”的功能。事實(shí)上，示波器只是對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行了FFT變換。一個(gè)明顯的區(qū)別是頻譜分析儀有一個(gè)“中心頻率”，你可以在中心頻率的任意一側(cè)測(cè)量實(shí)際帶寬。通過(guò)掃描中心頻率，你可以得到頻域中一個(gè)非常大范圍內(nèi)功率圖表。

示波器的FFT的模式，沒(méi)有什么類(lèi)似于中心頻率的東西。它測(cè)量從0Hz到某個(gè)特定的頻率(這個(gè)上限頻率往往是可以調(diào)節(jié)的)。這個(gè)限制往往是示波器的采樣頻率的一半，但是也會(huì)受示波器的模擬帶寬的限制。示波器的頻譜分析中有一個(gè)參數(shù)“FFT長(zhǎng)度”，表示多少采樣點(diǎn)被用來(lái)計(jì)算FFT。這個(gè)參數(shù)也可以用圖表中 “bins”的數(shù)量(例如水平頻率分辨率)表示。有些的臺(tái)式示波器也許會(huì)有一個(gè)固定的FFT長(zhǎng)度，例如只有2048個(gè)FFT長(zhǎng)度。這個(gè)可以看得到0-100MHz 的所有頻率，但是如果你想要放大觀測(cè)95-98MHz這個(gè)范圍頻譜該怎么辦呢?因?yàn)槭静ㄆ鲗?shí)際上是從0Hz開(kāi)始計(jì)算FFT，所以這個(gè)范圍只能顯示大約60個(gè)采樣點(diǎn)的頻譜。這就是為什么我們需要非常長(zhǎng)的FFT長(zhǎng)度—它允許您放大信號(hào)并觀測(cè)局部信號(hào)頻譜細(xì)節(jié)。你可以降低示波器的采樣率，放大觀測(cè)0Hz附近的頻譜。當(dāng)然，如果你想要精確的測(cè)量1-10kHz范圍的頻譜時(shí)，設(shè)置合適的采樣率，讓2048個(gè)采樣點(diǎn)分布在0~20kHz附近，當(dāng)你放大波形的時(shí)候你也可以得到正確的細(xì)節(jié)。這種情況下，2048個(gè)FFT長(zhǎng)度也是沒(méi)有問(wèn)題的。

另外，為了提高水平方向的細(xì)節(jié)，更長(zhǎng)的FFT長(zhǎng)度可以降低噪聲。如果你想要把示波器來(lái)進(jìn)行頻譜分析，那么更長(zhǎng)的FFT長(zhǎng)度將助你一臂之力。就像在圖1中顯示的那樣，是用控制板的磁性探頭來(lái)進(jìn)行FFT。在這里我放大了頻譜的一部分，左邊是2048個(gè)點(diǎn)的，右邊有131072個(gè)點(diǎn)。

圖11 不同F(xiàn)FT長(zhǎng)度的頻譜分析對(duì)比圖

選擇示波器時(shí)需要注意：低端小緩存示波器往往有很短的FFT長(zhǎng)度。當(dāng)然也有一些深度緩存示波器，它們卻擁有很短的FFT長(zhǎng)度，例如Rigol DS2000DS4000DS6000，從這些型號(hào)的規(guī)格書(shū)中看出，雖然他們有131MS的緩存深度，它們只用了2048個(gè)采樣點(diǎn)。相比之下，PC示波器是比較好的，因?yàn)樗鼈兛梢栽诟痈咝阅艿腜C上做FFT分析，而不是僅僅局限于DSP處理器或者是一個(gè)FPGA處理器。比如說(shuō)，Pico 6403D允許FFT的長(zhǎng)度達(dá)到1，048，576個(gè)采樣點(diǎn)。

三、段存儲(chǔ)器

我認(rèn)為示波器必須具備的一個(gè)功能就是段存儲(chǔ)器。這就意味著你可以設(shè)定一個(gè)觸發(fā)事件，連續(xù)采集多個(gè)的波形。對(duì)于一些偶發(fā)性毛刺，段存儲(chǔ)器可以幫助您更快的找到它。

圖2中顯示的是PicoScope軟件上的段存儲(chǔ)器查看器，可以設(shè)置高達(dá)10，000存儲(chǔ)段，同樣Rigol DS4000和DS6000中也有該功能，它們稱(chēng)之為“幀”，最高記錄200,000幀。一旦捕捉了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)段/幀，你可以手動(dòng)查看各個(gè)緩存，從中查找錯(cuò)誤，或者用一些其他的功能，例如遮罩測(cè)試高亮顯示各個(gè)幀/存儲(chǔ)段中的異常數(shù)據(jù)。

圖12 段存儲(chǔ)器顯示窗口

有些示波器會(huì)把段存儲(chǔ)器作為一個(gè)插件，例如，安捷倫示波器中除了3000X系列默認(rèn)有段存儲(chǔ)器的功能外，其他系列的示波器默認(rèn)的沒(méi)有這個(gè)功能，除非花錢(qián)額外購(gòu)買(mǎi)段存儲(chǔ)器插件。

四、遠(yuǎn)程控制和流模式

一個(gè)更先進(jìn)的方法是用電腦來(lái)控制示波器。如果你想要把示波器用在電子產(chǎn)品的故障檢測(cè)中，那你就需要詳細(xì)了解一下示波器提供的各種功能。

PC示波器在這方面就有很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗旧砭褪怯脕?lái)和電腦交互的。似乎大多數(shù)主流的PC示波器供應(yīng)商都提供各種語(yǔ)言下編程接口(API)：我發(fā)現(xiàn)大部分PC示波器都提供了C, C#, C++, MATLAB, Python, LabVIEW和Delphi開(kāi)發(fā)例程。一些不出名的PC示波器是沒(méi)有API函數(shù)的，所以你要仔細(xì)核對(duì)待購(gòu)買(mǎi)的設(shè)備是否具有該功能。

大部分的臺(tái)式示波器也有發(fā)送命令的功能，一般都會(huì)遵循一些的標(biāo)準(zhǔn)，例如VISA標(biāo)準(zhǔn)。但是，我發(fā)現(xiàn)這些臺(tái)式示波器似乎都有一個(gè)比PC示波器更慢的接口。也許是因?yàn)椋瑢?duì)PC示波器來(lái)說(shuō)，與PC接口的是一個(gè)至關(guān)重要的功能，而臺(tái)式示波器只是作為一個(gè)附加的功能。當(dāng)然，這說(shuō)法也不是百分之百成立的，比如說(shuō)一款Teledyne LeCroy的示波器，它似乎可以提供給你一些類(lèi)似于PC示波器的功能(如多重窗口)。

除了控制示波器，另一個(gè)讓人感興趣的功能是流模式。流模式的數(shù)據(jù)是不經(jīng)過(guò)示波器的緩存，而是直接地通過(guò)USB接口或以太網(wǎng)等PC接口傳輸?shù)诫娔X上。與簡(jiǎn)單通過(guò)命令來(lái)控制示波器相比，這個(gè)功能更加復(fù)雜，因?yàn)橄胍ㄟ^(guò)USB獲取更快的數(shù)據(jù)流絕非易事。但是，流模式卻帶來(lái)了更多有趣的特性，例如，你可以把你的示波器當(dāng)作軟件定義的無(wú)線電(SDR)的一部分。如果你真的想用流模式，請(qǐng)務(wù)必要仔細(xì)地閱讀說(shuō)明書(shū)上關(guān)于流模式的限制的說(shuō)明。

五、串行解碼

串行解碼是另一個(gè)非常有用的功能。如果你有一臺(tái)數(shù)字邏輯分析儀，那么它一般都會(huì)包括串行解碼的功能。但是，在示波器中，這個(gè)功能也是非常有用的。如果你要查找一個(gè)偶發(fā)的奇偶校驗(yàn)錯(cuò)誤，可以用示波器上的模擬顯示來(lái)觀察這個(gè)錯(cuò)誤，看看是由于信號(hào)弱導(dǎo)致的還是因?yàn)樵肼曇鸬摹?/p>

雖然很多示波器都帶有這樣的功能，但是很多是要求你另外購(gòu)買(mǎi)的。一般情況下， PC示波器包含該功能且不需要額外付費(fèi)，而臺(tái)式示波器會(huì)要求你另外付費(fèi)。比如，在DS4000系列中，它要500美元，在安捷倫3000X系列中，要800美元，在泰克的3000系列中，需要1100美元。根據(jù)不同的供應(yīng)商，它可能包括多個(gè)協(xié)議或者只是包括一個(gè)協(xié)議。但是如果你想要所有的協(xié)議，它的費(fèi)用可能比示波器本身還要貴。一般情況下，購(gòu)買(mǎi)一個(gè)PC邏輯分析儀會(huì)比購(gòu)買(mǎi)一個(gè)示波器軟件包還便宜。

我選擇PC示波器的另一個(gè)主要原因就是額外的功能不需要額外的費(fèi)用!不用串行解碼時(shí)，你也可以觀察信號(hào)，看看是否有噪聲。有了內(nèi)置解碼功能，你可以很快地辨別出錯(cuò)誤發(fā)生的位置。我錄制了一些串行解碼的例子，點(diǎn)擊鏈接進(jìn)入http://v.youku.com/v_show/id_XODQ0Mzc2MjM2.html

六、軟件特征

我已經(jīng)好幾次在前面提到，你應(yīng)該檢查一下軟件真正包括了哪些功能。你也許會(huì)驚訝地發(fā)現(xiàn)一些需要付費(fèi)的功能—例如，有時(shí)甚至FFT的模式或是高級(jí)數(shù)學(xué)通道的功能都是需要額外付費(fèi)的。

我們常常希望能夠以一個(gè)合理的價(jià)格購(gòu)買(mǎi)示波器的所有功能。在我之前也提過(guò)，安捷倫最近就聲稱(chēng)他們將會(huì)在一個(gè)價(jià)格里面包括所有的功能。一旦這個(gè)實(shí)現(xiàn)了，那么就意味著只要500到1500美元就可以買(mǎi)到所有協(xié)議的解碼功能和所有的計(jì)算功能。慶幸的是，其他的供應(yīng)商將會(huì)跟隨著這個(gè)，也許最后會(huì)在購(gòu)買(mǎi)價(jià)格里面包括這些功能。

如果您正在考慮購(gòu)買(mǎi)PC示波器，即是沒(méi)有示波器硬件，你也可以到PicoTech的官網(wǎng)上免費(fèi)下載和試用軟件，這可以讓你體驗(yàn)一下PicoScope軟件的用戶(hù)接口有多么方便。一般情況下，你都是需要考慮多長(zhǎng)時(shí)間能夠?qū)W會(huì)使用示波器的各種操作。

七、總結(jié)

這一次，我介紹了很多功能，包括用軟件來(lái)運(yùn)行示波器。下一次我將會(huì)深入探討一下示波器其他的功能，比如外部觸發(fā)和時(shí)鐘同步，這些會(huì)讓整個(gè)專(zhuān)題看起來(lái)更加完善。

Ⅳ：如何選擇一個(gè)示波器?談?wù)動(dòng)|發(fā)、信號(hào)發(fā)生器和時(shí)鐘同步

在這一關(guān)于如何選用示波器的系列的最后一部分，我將要講述一下觸發(fā)、信號(hào)發(fā)生器和時(shí)鐘同步，并且，我也會(huì)用一些總結(jié)來(lái)結(jié)束。

在之前的文章里包括了：第一部分，討論了探頭和臺(tái)式和PC示波器的物理特性;第二部分，舉例說(shuō)明了核心的特征，例如帶寬、采樣率和數(shù)模轉(zhuǎn)換器;第三部分，主要是介紹了軟件。這些介紹僅僅是我個(gè)人的一個(gè)研究的記錄，而不是一個(gè)完整的指導(dǎo)書(shū)。但是我希望它們對(duì)你是有用的，在你們選擇示波器之前可以參考一下里面提到的一些要點(diǎn)。

圖13 使用pico示波器的任意波形發(fā)生器來(lái)測(cè)試連續(xù)信號(hào)的邊界

一、觸發(fā)方式

正確地觸發(fā)您的示波器可以讓您獲得更加有用的波形。最基本的觸發(fā)是一個(gè)“上升沿”或者“下降沿”，這個(gè)大部分人都會(huì)知道的。

是否要選用一個(gè)更加高級(jí)的觸發(fā)方式，這個(gè)是根據(jù)使用方案和示波器的一下其他的特征來(lái)考慮的。如果你有一個(gè)非常長(zhǎng)的緩存深度或者是快速記錄一系列波形的能力，你可能就能使用一些基本的觸發(fā)，因?yàn)槟憧梢暂p易地將那些你不要的波形去除掉。如果你的緩存深度不夠，那你就需要選擇一個(gè)在確定的時(shí)間里的觸發(fā)。

在我詳細(xì)地介紹其他的方式之前，我想要提示的是你有時(shí)候也可以利用外部的設(shè)備來(lái)觸發(fā)。比如說(shuō)，你也許有一個(gè)擁有無(wú)比優(yōu)越的觸發(fā)機(jī)制的邏輯分析儀，當(dāng)這個(gè)邏輯分析儀有一個(gè)“外部觸發(fā)”，那你就可以用你的邏輯分析儀來(lái)觸發(fā)你的示波器。

下面開(kāi)始介紹其他的觸發(fā)方法。有很多辦法來(lái)尋找一些“異常的”脈沖，比如找一些比某些長(zhǎng)度短的或者長(zhǎng)的錯(cuò)誤或者一個(gè)比規(guī)則的高度低的脈沖(也叫矮脈沖)。通過(guò)了解你的示波器的觸發(fā)和增加一些創(chuàng)意，你可以把更多的錯(cuò)誤找出來(lái)并修正。比如說(shuō)，在對(duì)一個(gè)嵌入式的控制器進(jìn)行檢錯(cuò)并修正的時(shí)候，在一個(gè)任務(wù)進(jìn)行的時(shí)候你可以將它緊緊地與某一個(gè)I/O口相連接。在運(yùn)用觸發(fā)來(lái)尋找“丟失脈沖”的時(shí)候，你可以在你的系統(tǒng)有沖擊的時(shí)候來(lái)觸發(fā)你的示波器，可以嘗試著看一看這個(gè)錯(cuò)誤是否是一個(gè)電源引起的錯(cuò)誤。

如果你是在操作一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，一定要看一些那些可以在很多協(xié)議上工作的觸發(fā)。比如，有些示波器就有這個(gè)性能，但是你將會(huì)需要一個(gè)附加的功能來(lái)對(duì)這些協(xié)議進(jìn)行解碼。事實(shí)上，大多數(shù)的臺(tái)式示波器看起來(lái)都有這個(gè)性能，你只需要付額外的錢(qián)來(lái)使用它。

二、外部觸發(fā)輸入

大多數(shù)的示波器也有一個(gè)“外部觸發(fā)輸入”。這個(gè)外部的輸入不會(huì)在顯示屏上顯示但是可以用來(lái)進(jìn)行觸發(fā)。特別是這個(gè)意味著你的觸發(fā)通道不會(huì)跟你的數(shù)模轉(zhuǎn)換通道沖突。所以當(dāng)你想要一個(gè)通道上的完整的采樣率但是又不想觸發(fā)其他通道的說(shuō)，你可以用“外部輸入”作為你的觸發(fā)。

擁有這些功能擺在前面板的示波器使用起來(lái)是相當(dāng)?shù)姆奖愕?，又或者你可以在設(shè)備的后面找到這個(gè)“觸發(fā)輸入”。

三、任意波形發(fā)生器(AWG)

這個(gè)嚴(yán)格上不是一個(gè)示波器必備的功能，但是一些包括發(fā)生器的示波器也是值得選擇的。這是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“信號(hào)發(fā)生器”，它可以生成例如正弦函數(shù)、方波和三角波等波形函數(shù)。一個(gè)更加優(yōu)越的叫做任意波形發(fā)生器的功能，讓你可以生成任何你想要的波形。

以前我也有一個(gè)非常古老的示波器叫做HS801也有這樣的任意波形發(fā)生器的功能?？刂栖浖梢宰屗浅］p易地生成正弦函數(shù)、方波和三角波，還有一些其他的波形。但是，生成任意波形的唯一的辦法是將你在其他的應(yīng)用中創(chuàng)造的波形文件下載下來(lái)，這就意味著我根本就沒(méi)有用到“任意”的這一部分的功能。所以這里就有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)是一旦你想要購(gòu)買(mǎi)一個(gè)AWG的時(shí)候，請(qǐng)記住一定要確保它的軟件是可以使用功能的。

AWG也許也有一些其他的不同的特殊的功能，比如尋找跟隨著采樣率變化的最大的模擬帶寬。請(qǐng)記住一個(gè)特殊的規(guī)律：一個(gè)200MS/s 的數(shù)模轉(zhuǎn)換速率可以假定擁有一個(gè)100MHz的模擬帶寬，但是這個(gè)信號(hào)基本是沒(méi)有用的。你可以生成某個(gè)頻率的正弦信號(hào)，甚至你可以生成一個(gè)更低頻率的正弦波(比如10MHz)，它看起來(lái)是完美的，因?yàn)镈AC的濾波器對(duì)這樣的高頻率會(huì)有一個(gè)平滑的作用。

更好的系統(tǒng)將會(huì)有一個(gè)低通濾波器去約束諧波，利用的是幾倍于輸出的濾波器平滑的DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器的采樣率。在pico的示波器6403D中，我使用了一個(gè)可以生成20MHz信號(hào)但是擁有200MS/s的數(shù)模轉(zhuǎn)換采樣率。相似的，也有HS5-530也有30MHz的信號(hào)帶寬，也相似地應(yīng)用了240MS/s的采樣率。一個(gè)5到10倍于模擬帶寬的采樣率看起來(lái)是比較標(biāo)準(zhǔn)的。

在示波器上添加AWG功能開(kāi)啟了一些其他的新的有用的功能。當(dāng)實(shí)行一系列的協(xié)議解碼的時(shí)候，你可能會(huì)想要知道當(dāng)波特率輕微的變化的時(shí)候發(fā)生了什么事。你可以快速地通過(guò)重復(fù)記錄在示波器上的一系列的從AWG復(fù)制過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包找到這個(gè)測(cè)試，并且調(diào)整AWG的采樣率去讓波特率輕微地降低或者是增加。

四、時(shí)鐘周期

最后的一項(xiàng)實(shí)用的功能是：在實(shí)際的應(yīng)用中，你可能會(huì)需要跟外部設(shè)備同步采樣率。示波器將會(huì)有兩個(gè)功能去做這個(gè)。一個(gè)是將會(huì)從示波器輸出一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，另一個(gè)將會(huì)允許你把一個(gè)外部的時(shí)鐘添加到示波器中。

一個(gè)常見(jiàn)的應(yīng)用是在多個(gè)示波器中同步捕獲的信號(hào)。你可以在任何你想要用一個(gè)同步捕獲辦法的應(yīng)用中使用這個(gè)。例如，當(dāng)你想要把示波器當(dāng)作是單數(shù)據(jù)速率的一部分的時(shí)候，你也許想要采樣的信號(hào)跟一個(gè)重新獲得的時(shí)鐘同步。

這個(gè)輸入的時(shí)鐘的周期經(jīng)典值是10MHz，雖然一些設(shè)備會(huì)允許你在幾個(gè)可選的頻率中選擇。如果這個(gè)時(shí)鐘源是其他設(shè)備的任何東西，你也許不得不做一些時(shí)鐘條件去將它變成一個(gè)時(shí)鐘源邊緣。

五、總結(jié)和相似的一些結(jié)論

在四個(gè)星期的時(shí)間里，我嘗試著通過(guò)解釋幾個(gè)在選擇示波器的時(shí)候應(yīng)該考慮的事項(xiàng)。就像前面所說(shuō)的，因?yàn)槲覔碛械氖莗ico示波器，所以一些例子經(jīng)常是設(shè)計(jì)到picoscope的。但是所有的都可以跟你可能擁有的任何的示波器有關(guān)聯(lián)。

在選擇一個(gè)設(shè)備的時(shí)候，我的做法是下載使用手冊(cè)并且仔細(xì)地研究它，特別是一些你發(fā)現(xiàn)的最重要的特征。雖然說(shuō)明書(shū)會(huì)忽略一些細(xì)節(jié)，但是用戶(hù)手冊(cè)中經(jīng)常會(huì)標(biāo)明你將要接觸到的一些限制的功能，比如FFT長(zhǎng)度或者你可以得到的儲(chǔ)存深度。