概述

與德國科學(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量，也可用于客制化測量，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。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，即從探針尖端或測試設(shè)備直到 ADC 的輸入。帶寬應(yīng)為“正弦輸入信號振幅衰減至 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)要能超過信號最高頻率的 2 倍以上。

示波器常用于測量信號的上升時(shí)間，如數(shù)字脈沖或其他具尖銳邊緣的信號。此種信號均由高頻信號組成。為了采集信號的確實(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。否則將造成信號失真與錯(cuò)誤測量。

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(即為信號振幅從10% 升至90% 所需的時(shí)間) 計(jì)算信號帶寬。

圖2. 上升時(shí)間為信號從全值的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)上述公式所得信號帶寬的3 至5 倍。換句話說，為了將信號采集的錯(cuò)誤降至最低，示波器的上升時(shí)間應(yīng)為信號上升時(shí)間的1/5 至1/3。下列公式可反推出信號實(shí)際帶寬。

=所測得的上升時(shí)間；=實(shí)際信號上升時(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)字化輸入信號的定時(shí)速率。請注意，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信號最高頻率要素的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。為了精確數(shù)字化輸入的信號，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。

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

盡管上述2 組實(shí)際信號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)字化信號的失真。而右圖則具備足夠的取樣點(diǎn)，可精確重建信號，進(jìn)而達(dá)到更精確的測量操作。對時(shí)域應(yīng)用(如上升時(shí)間、過沖，或其他脈沖測量) 而言，能否清楚呈現(xiàn)信號極為重要，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。

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的最高速率。而ETS 則屬于信號重建方法，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，且僅適用于重復(fù)性信號。請注意，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。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。

示波器型號	通道數(shù)	實(shí)時(shí)采樣率	等時(shí)取樣率	帶寬	分辨率
NI 5152	2	2 GS/s	20 GS/s	300 MHz	8 位
NI 5114	2	250 MS/s	5 GS/s	125 MHz	8 位
NI 5124	2	200 MS/s	4 GS/s	150 MHz	12 位
NI 5122	2	100 MS/s	2 GS/s	100 MHz	14 位
NI 5105	8	60 MS/s	–	60 MHz	12 位
NI 5922	2	500 kS/s 至15 MS/s	–	6 MHz	16 ~ 24 位 使用者定義

4. 分辨率與動(dòng)態(tài)范圍

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

選用高分辨率示波器的原因之一，就是要測量更小信號。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，就可以「縮放」信號而測得低電壓呢？問題在于，很多信號同時(shí)具有小型信號與大型信號。使用大范圍雖可測量大型信號，但小型信號將藏在大型信號的噪聲中。換句話說，使用小范圍就必須壓縮大型信號，而造成測量失真與錯(cuò)誤。因此，針對動(dòng)態(tài)信號的應(yīng)用(同時(shí)具備大、小型電壓的信號)，就需要較大動(dòng)態(tài)范圍的高分辨率儀器，以測出大型信號中的小型信號。

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。

示波器型號	分辨率	通道數(shù)	實(shí)時(shí)采樣率	帶寬
NI 5922	16 ~ 24 位 (用戶定義)	2	500 kS/s 至15 MS/s	6 MHz
NI 5122	14 位	2	100 MS/s	100 MHz
NI 5124	12 位	2	200 MS/s	150 MHz
NI 5105	12 位	8	60 MS/s	60 MHz

5. 觸發(fā)

一般來說，示波器均用以采集特定事件的信號。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。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)。