数字示波器与模拟示波器的对比

数字示波器与模拟示波器的对比 数字示波器与模拟示波器的对比 一、模拟和数字,各有千秋 廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具,带宽 100MHz 的同步示波器开发成功，这是近代示波器的基础.五 十年代半导体和电子计算机的问世,促进电子示波器的带宽达到 100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献,出现带宽 6GHz 的取样示波器、带宽 6GHz 的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器.模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先,中低档产品由日本生产。模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进.数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 A/D 转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊 要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前台退到后台。但是模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：操作简单全部操作都在面板上，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间.垂直分辨率高-连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有 8 位至 10 位。数据更新快每秒捕捉几十万波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。实时带宽和实时显示-连续波形与单次波形的带宽相同,数字示波器的带宽与取样率密切相关,取样率不高时需借助内插计算,容易出现混淆波形。简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试.人类五官中眼睛视觉十分灵敏,屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，微细变化都可感知。因此,模拟示波器深受使用者的欢迎.数字示波器与模拟示波器的对比 二、数字示波器独领风骚 八十年代的数字示波器处在转型阶段,还有不少地方要改进，美国的 TEK 公司和 HP 公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来甚至停产模拟示波器，并且只 生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到 1GHz 以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现 象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。数字示波器首先在取样率上提高,从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从 100%降低至 3甚至 1.带宽 1GHz 的取样率就是 5GHz，甚至 10GHz。其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同的水平，最高可达每秒 40 万个波形，对观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲就方便多了。再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节,改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便.最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布.具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器。三、数字示波器要有模拟功能 模拟示波器用阴极射线示波管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同,亦即示波管内的电子运动速度与信号频率成正比，信号频率越高电子速度越快，示波管 屏幕的亮度与电数字示波器与模拟示波器的对比 子束的速度成反比，低频波形的高度高，高频波形的高度低.利用荧光屏的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息,如用屏幕垂直轴表示幅度，水平 轴表示时间，则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉（灰度定标）效应对观察混合波形和偶发波形十分有效。模拟存储示波器就 是这种专用示波器的代表产品，最高的性能达到 800MHz 带宽,可记录到 1ns 左右的快速瞬变偶发事件.数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理,只有两个状态，非高即低，原则上波形也是“有”和“无”两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变 化，必需采用专用图像处理芯片，例如 TEK 公司采用 DPX 型处理器芯片，具有数据采集、图像处理和存储等多项功能，DPX 芯片由 130 万个晶体管组成，采 用 0.65um 的 CMOS 工艺，并行流水结构，取样率 2GS/s。它既是数据采集芯片，同时也是光栅扫描器，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性，用 16 级亮 度分级，将波形存储在500*200 像素的 LCD 单色或彩色显示屏上，每0.33 秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形，对数据保存并 不十分方便。例如用红色表示出现机率最高的波形，兰色表示出现机率最低的波形，达到一目了然。由于数字示波器已经达到 1GHz 带宽的水平，配合荧光显示特 性,总的性能优于模拟存储示波器.四、数字荧光示器 去年著名电子示波器制造商 TEK 公司首先推出数字荧光示波器两种系列 TDS500（单色)和 TDS700（彩色），具有 500MHz2GHz 带宽，取样 率最高 2GHz，最多 4 通道输入，属于中高档数字示波器，价位在 10,000 美元以上。今年生产一种 TDS3000 系列数字荧光示波器，起价只3,000 美元，带宽 500MHz,取样率最高 5GS/s,受到用户的欢迎.另一家专门生产数字示波器的LeCroy 公司，今年也推出一种数字余辉示波器，名称虽有别于数字荧光示波器,它 们的功能实际上是相同的。Waverunner 系列的带宽 500MHz，取样率 500MS/s，最多 4 通道输入，起价 5，999 美元。以下较详细介绍这两种系列数字示波器的特点:数字示波器与模拟示波器的对比 普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录，然后作信号处理,这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示 复杂波形中的微细差别，以及出现的频繁程度。例如观察电视信号，既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号，还要记录电视信号中的异常现象，对于专业人员和 维修人员都是同样重要的。1.TEK 公司的 TDS3000 数字荧光示波器提供多种测试模块，可以从前面板右上角插入四种模块。例如触发模块可作逻辑状态、逻辑图形触发，以及脉冲参 数（上升、下降边,宽度、周期等）;电视模块专用于多种制式的（NTCS、PAL 和 SECAM)波形记录；快速傅里叶变换（FFT）模块可快速显示信号的 频率成分和频谱分布,既可分析脉冲响应，亦可分析谐波分布，并且识别和定位噪声和干扰来源。TDS3000 系列示波器是便携式的，重量不到 7 磅，可由电池供电，特别适于现场使用。2.LeCroy 公司的 Waverunner 系列数字余辉示波器的余辉时间常数是可以改变的，因此在使用上与模拟存储示波器非常相似。它的抖动和定时分析（JTA）软件包可对屏幕显示的信号作定量分析，例如，经过数字处理后可在脉冲抖动的波形下面划出亮线，亮线长度表示抖动范围,最亮部分表示最常出现的抖 动区。积累波形数目达 10 万个,结果可绘制成直方图。Waverunner 示波器还有两种测试用软件包：数字和测量软件包，波形分析软件包.前者可自动测量和分析 40 种常用参数（如脉冲上升、下降时间，最 大、最小值，偏差值等)，预测某种参数的趋势（如测量 IC 的传输延时的变动范围）.后者包括 FFT 分析，最多可达 10（6）点的记录长度；高分辨率方式；包络方式；模板测试;合格/不合格测试等.各种测试结果均利用彩色显示器的不同颜色不同亮度表示结果，真正让使用者的视觉获得迅速的反应，充分发挥余辉灰 度的三维效应。模拟示波器和数字存储示波器的选择和使用 1、分类 按测量被测信号所使用的技术，它可分为模拟示波器、数字存储示波器（DSO)和混合示波数字示波器与模拟示波器的对比 器(混合信号示波器，MSO)等几大类。1。1 模拟示波器 一台完整的模拟示波器通常由阴极射线管 CRT、Y 通道、X 通道和电源等几部分组成。其中CRT主要包括电子枪、荧光屏和偏转板三个部分.输入的被测信号 经放大直接加在Y轴偏转板上,同时用一个与时间成正比的锯齿波电压加在 X 轴偏转板上，使电子枪产生的电子束在静电力的作用下产生偏转，光点就会在荧光屏上 描绘出被测信号随时间变化的波形。为了显示多个被测信号，通常在 Y 通道中插入了通道转换器，使它们轮流加到 Y 偏转板上。为了保证加在 X 轴偏转板上的锯齿波 电压每次都从被测信号上的一个确定的点开始扫描,以此稳定被显示的波形，X通道一般都设有同步触发电路。1。2 数字存储示波器 数字存储示波器（DSO)虽然也由显示器或 CRT、Y 通道、X 通道和电源等几部分组成,但 Y通道中插入了 A/D 转换器、D/A 转换器和数字存储器等。测 量过程中运用了数字信号处理技术,并在单片机的控制之下有条不紊的工作.首先按预先设定的时间间隔对被测的模拟信号采样,然后，通过 A/D 转换器将这些采 样值转换成对应的数字量和循环存入存储器中。需要显示测量结果或分析结果时，单片机从存储器读出存入的数据，处理后以数字方式或模拟方式将它们转换成模拟 波形或要求的形式显示在显示器上。因为这种示波器运用了采样量化和数字信号处理技术,由此带来了许多超越模拟示波器的优点。1.3 组合示波器 组合示波器(混合信号示波器,MSO)是将 DSO 和模拟示波器或逻辑分析仪或数字万用表（DMM)等两、三种仪器有机组合在同一机箱中的混合型仪器，它集成了多台仪器的功能和优点,以此满足用户的更多更高的测试要求。安捷伦 Agilent 的 54832D、54833D、54831D、54830D、54642D、54641D、54622D、54621D 示波器,Fluke 的 190 系列万用示波表、TK 的 THS700A 系列示波器/数字万用表等是一些典型的组合型示波器.数字示波器与模拟示波器的对比 2、特性 与模拟示波器比，DSO 使用了采样量化技术和晶振等器件,因此,具有更高的幅度测量准确度和时间测量准确度。DSO 具有丰富的触发功能，能存储触发前后 的相关数据；能有效地测量单次信号；能在同一时刻采集、存储多个被测量；能永久存储测得的数据，包括制作成硬拷贝；能反复再现测得的波形;能对测得的波形 数据进行处理，如将测得的电压、电流相乘，求得此时刻的功率，又如对测得的数据进行统计分析，求均值、极值、数字滤波、积分、微分、作 FFT运算等;DSO 具有通用接口；能预先存储测试序列和在微机的控制之下进行自动测试；对测得的数据能与事先设置的参考波形或一组波形参数进行比较,如超出限定的范 围，则立即声光告警或发中断信号给主机等。不过，DSO 的造价一般都比模拟示波器高，测量的实时性也不如它。模拟示波器的波形更新速率很 高，最高超过 400000 次/s，它具有“无限的分辨率”,每一时刻都能显示该时刻的输入电压,而 DSO 在“采集-存储再现”之间存在明显的时间延迟。因为波形亮度变化正比于信号在某一特定电平的持续时间,因此，一些信号的变化也会在模拟示波器上以这种形式表现出来.DSO缺乏这种显示效果。尽管 DSO 还有一些地方需要改进，性价比还需进一步提高，但是，它代表了电子示波器的发展方向.据前几年的市场调查知,DSO 的产销量已占了整个示波器类产品产销量的 80%以上，而且，此比例还在继续增加。3、选用 3.1 类型选择 DSO 是采样示波器，样点之间有一定的时间间隔,测量是不连续的，显示滞后实际情况，而模拟示波器对信号的测量是连续进行的，屏幕上的显示是当时正在发 生的情况，而且造价低.因此，模拟示波器比较适合测量调频、调幅、视频、噪声等信号，比较适合电子产品检测、调整和维修等应用，以及基础实验仪器教育使 用。DSO 测量精度高、功能强，具有多种触发能力和波形处理能力,能够进行自动测量等，因此,数字示波器与模拟示波器的对比 除常规波形测量外，还很适合测量单次、低重 复速率信号，及在需要预触发和对信号进行分析处理等场合使用.如故障检测、电源设计调试、通信产品/电子产品生产线测试、瞬态研究测试等。如果同时需要一台仪器兼有 DSO 和逻辑分析仪、DMM 等功能特性,或需要组合后形成的新特性，则可选用组合型示波器（混合信号示波器)。3.2 通道数量 观测一个信号,可选用简易示波器；同时观测、比较两个信号,可选用双通道示波器.双通道示波器是最常用的示波器，因价格低廉，使用比较方便，已广泛使用在实验室和生产现场。如果需要观测更多模拟信号之间的相互关系，则应选用四通道示波器.随着被观测系统数字成分的增加，传统的双通道示波器或四通道示波器已难以满足同时捕获足够通道数量被测信号的要求.这时，应将示波器和逻辑分析仪等组合 起来使用，或者使用一台将几种仪器组合在同一台机箱内的组合示波器（如将16 通道的分析仪集成在 DSO 中的混合信号示波器),利用逻辑分析仪的触发能力帮 助示波器采集数据，同时测量不同类型和不同速度的信号。使用 Agilent 54832D MSO 进行测量的一个例子见“用混合信号示波器调试 PCI 总线”一文。3。3 带宽和采样率 带宽是示波器垂直偏转系统所具有的通频带的宽度.对模拟示波器来说，对应能以不低于真实信号 3dB 的幅度来显示信号的最高频率。示波器的带宽越宽,能测量被测信号的最高频率也越高。通常带宽应为被测信号最高频率的 3 倍以上;比值越高测量结果越正确，但噪声随之增加。DSO 也有带宽指标(重复带宽、模拟带宽),这是与示波器的采样速率相对应的一个指标。为了正确地表示信号的频率和幅度，通常要求采样速率应为被测信号 的最高频率分量的 510 倍，甚至 10 倍以上。对最高频率为 40MHz 的信号，应使用最高采样速率为 200MS/s 或 400MS/s 的示波器.采样间隔是采样速率的倒数，因此，若研究的时间间隔为 10ns，则应使用 200MS/s 的示波数字示波器与模拟示波器的对比 器。在观测瞬态特性（如测量上升时间）时，选用的采样速率应保证在它的信号边缘上采集到足够的细节信息，也就是说，必须采集到比较多的采样值。DSO 还常给出单次带宽,其含意是被测单次信号中的有效频率分量应小于此频率，否则，显示的信号会有较明显的失真。单次带宽小于等于重复带宽。对模拟示波器来说，示波器的带宽与上升时间的乘积是一个为 0。350。45 的常数。带宽越宽，上升时间越小。当被测信号的上升时间与示波器的上升时间（包括探头的上升时间)的比值较大时，测量误差则较小。当此比值5 时，测量误差约为 2%.3。4 触发能力 模拟示波器常以电平方式或斜率方式触发。虽能满足许多常规测量要求，但对一些特殊的测量或复杂的测量则无能为力,这时，必须使用 DSO 或 MSO。如利用 DSO 的预触发功能，在故障波形发生时刻触发，观测在此之前和故障发生时的情况，以便查明导致故障的原因。DSO 一般还具有很多很有用的其他触发功能.如，串行触发；用正向或负向毛刺进行触发,用一个宽度大于或小于给定值的脉冲进行触发；以通道间的特殊图形进行触发;在给定时间内，由没有任何变化的数字信号线触发等等。3.5 记录长度 记录长度指示波器中可以储存的采样点数。这是 DSO 特有的指标，按需要选择即可.早期的DSO 的存储容量不大，只有几 K、几十 K；现在已发展到几百 K、几 M，甚至更大.而且，采用专用处理器控制进入存储器的数据流和对这些数据进行处理。3。6 其他 选用示波器时还应注意其他特性。如，探头是否与示波器相配，是否适合特定的测量任务.示波器使用起来是否方便，操作是否简单等等。