數(shù)字示波器和數(shù)字化儀異曲同工和互為補(bǔ)充
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牛頓出版社的電信辭典把數(shù)字化儀定義為把模擬信號(hào)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(duì)模擬信號(hào)取樣來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且每個(gè)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?yàn)樗菧y(cè)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(cè)試系統(tǒng)的系統(tǒng)計(jì)算機(jī)來(lái)控制的模塊。小型數(shù)字化儀在實(shí)體上和電氣上嵌入到膝上型計(jì)算機(jī)，可提供與示波器相似的效能，但虛擬用戶界面卻沒(méi)有實(shí)際旋鈕和按鈕那樣易懂和易用。但是，數(shù)據(jù)分析和報(bào)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(wàn)臺(tái)計(jì)。它們的價(jià)格非常實(shí)惠和速度快速，容易觀察兩個(gè)以上輸人信號(hào)的相互關(guān)系。為了模擬示波器的使用，信號(hào)必須是接近重復(fù)性的。
如果信號(hào)完全不是重復(fù)性的，情況會(huì)變成怎么樣？或者信號(hào)變化很慢，用1秒/格耐基顯示的信號(hào) 波形只是一個(gè)慢移動(dòng)的光點(diǎn)？數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）可以解決這兩個(gè)特殊情況。
DSO的取樣率可以比被測(cè)信號(hào)所含有的頻率高得多，無(wú)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(chǔ)器重放，其速度由顯示器件要求的產(chǎn)生波形圖像的時(shí)間來(lái)決定。
早期的DSO通過(guò)驅(qū)動(dòng)每個(gè)軸的數(shù)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)換器把波形顯示在靜電陰級(jí)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(lái)驗(yàn)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(duì)多種信號(hào)提供優(yōu)異特性。的確，采用掃跡增強(qiáng)或彩色來(lái)增強(qiáng)DSO的顯示信息密度克服一部分缺點(diǎn)。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(shí)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(hào)時(shí)更為明顯，對(duì)DSO的數(shù)據(jù)采集、壓縮和顯示能力提出難以解決的問(wèn)題。
DSO的長(zhǎng)處是顯示低或高速信號(hào)，此時(shí)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(shí)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(shì)。如果要求存檔或進(jìn)一步分析數(shù)字化信號(hào)，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(jìn)是增加了取樣率，保證大多數(shù)信號(hào)都具有足夠的過(guò)取樣。因而，顯示在現(xiàn)代DSO的波形通常就是輸入信號(hào)，而不是使人感興趣的但卻是完全虛假的混疊信號(hào)。當(dāng)然，信號(hào)亦變得更快，混疊還會(huì)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(shí)去尋找不存在的問(wèn)題。
今天的DSO采用完善的數(shù)字信號(hào)處理來(lái)平衡用戶所需的長(zhǎng)存儲(chǔ)器和快速顯示刷新率，而不會(huì)產(chǎn)生空間或時(shí)間的虛假混疊信號(hào)。需要同時(shí)采用高采集率的情況下問(wèn)題就更嚴(yán)重了。
信號(hào)完整性是廿世紀(jì)九十年代叫得最響亮的術(shù)語(yǔ)，正好符合數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信和元線服務(wù)的爆炸性增長(zhǎng)?？焖儆|發(fā)電路允許DSO只捕捉非正常的信號(hào)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(yàn)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(jì)需要折衷，因?yàn)槭静ㄆ魅匀皇强梢暤臏y(cè)試儀器。示波器根據(jù)定義是以顯示為重點(diǎn)，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(jī)或計(jì)算機(jī)。隨著更多的計(jì)算能力添加到DSO來(lái)提高其功能，示波器板上測(cè)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(hào)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(duì)直流來(lái)說(shuō)的。對(duì)于高頻的絕對(duì)增益很少有所規(guī)定，但是示波器的整個(gè)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(duì)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(dá)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(dòng)，復(fù)合信號(hào)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(duì)準(zhǔn)確度不受顯示器件線性度的影響。
格子線的絕對(duì)準(zhǔn)確度可能有誤差，但是信號(hào)會(huì)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(huì)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(duì)于生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，由于含有未知的偏移電壓，采用10或12位系統(tǒng)的較大動(dòng)態(tài)范圍是有好處的。如果復(fù)雜信號(hào)要求垂直放大以便檢驗(yàn)微細(xì)的部分，也需要更高的分辨率。
更高分辨率可由平均方式來(lái)獲得，這種方式的根據(jù)是大量無(wú)機(jī)噪聲出現(xiàn)在處理過(guò)程中，產(chǎn)生典型的均方根關(guān)系，例如采集信號(hào)16次可使信號(hào)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(lái)擾動(dòng)ADC輸入。在每次取樣過(guò)程中，ADC輸入從實(shí)際輸入信號(hào)值偏移一點(diǎn)點(diǎn)，擾動(dòng)的偏移量、方向和分布是預(yù)置的，以便保證擾動(dòng)過(guò)程的平均高分辨率數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生頻譜失真。
帶來(lái)的問(wèn)題是擾動(dòng)使ADC的峰一峰值范圍降低，其幅值與擾動(dòng)信號(hào)值相等。因?yàn)榉直媛实母纳瞥潭扰c擾動(dòng)信號(hào)和求平均的樣本數(shù)成正比，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的改進(jìn)有一定限制。
數(shù)字化儀
數(shù)字化儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)、異常、參數(shù)分布、以及最大最小值。數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)著重信號(hào)的可信度、數(shù)據(jù)傳輸率或通道數(shù)，對(duì)某些應(yīng)用會(huì)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(shí)時(shí)信號(hào)和確定被測(cè)器件的性能表現(xiàn)。波形數(shù)字化儀在問(wèn)題已經(jīng)知曉和需要更多的特殊信息時(shí)起更大的作用。
數(shù)字化儀和ADC的基礎(chǔ)是ADC。對(duì)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(huì)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(duì)地，有代表性的100MHz、8位DSO的通道隔離指標(biāo)是在0-20MfZ時(shí)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(shí)最適于時(shí)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?yàn)V波器非常有效地減少混疊，但在時(shí)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(shí)域具有好得多的信號(hào)特性，無(wú)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(jí)數(shù)字化足夠表達(dá)一個(gè)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(duì)于高速信號(hào)，兩種儀器都難以獲得8位以上的分辨率。
事實(shí)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(hào)后再捕獲更多信號(hào)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(jìn)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(hào)。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(chǔ)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(dá)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(hào)可能很接近。這時(shí)快速地傳輸數(shù)據(jù)記錄就十分重要，這類信號(hào)有高重復(fù)脈沖頻率（PRF）的掃描雷達(dá)、時(shí)間分辨的超聲聲納、飛行時(shí)間的質(zhì)譜儀、以及核子計(jì)數(shù)等應(yīng)用。
評(píng)論