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选择模拟示波器还是数字存储示波器?

  数字存储示波器(Digital Storage oscilloscope,简称为DSO)有别于一般的模拟示波器,它是将采集到的模拟电压信号转换为数字信号,由内部微机进行分析、处理、存储,在屏幕上重建信号波形。那么DSO和模拟示波器有什么区别,如何选择?


  一.模拟示波器的特点


  模拟示波器已经有很多年的历史。现在国内大部分的相关技术人员都会使用它、它具有结构简单,容易使用,价格便宜等特点。


  和DSO相比,它的突出优点有:

  1.具有时间上的无限分辨力。也就是仪器对输入信号的测量在时间上是连续的。对DSO而言,每个样点之间有一个时间的间隔,从理论上讲,不论时间间隔多小总是不连续(离散)的。(采样率是采样间隔的倒数,缩短时间间隔就意味着提高采样率)所以,在测量一些复杂信号时,例如AM、FM、视频信号等。模拟示波器就可以很容易地显示出这些信号的波形。而对DSO来说,如果对信号的低频部分(包络)采样,那么高频部分的信号肯定采样不足,如果对高频部分采样,那么对低频部分采样过多。要注意,采样点多就需要有更多的存储器支持。用户可以很容易地用这两种示波器来观察一个视频信号并注意其区别。


  2.快速的更新速率。所谓更新速率是表示在示波器上看到的信号和在探头上的实际信导有多大的时间差。因为模拟示波器在探头和显示部分之间的结构很简单,你所看见的就是实际正在发生的,所以模拟示波器是实时示波器。DSO在输入探头和显示部分之间结构比较复杂。信号首先进入模数转换器,再送入存储器,然后经过数模转换器才能将信号显示出来。此外,采集并存入存储器的数据是要经过各种处理才能送到数模转换器。这样信号从探头输人到显示出来需要一段时间,时间的长短和信号的复杂程度以及采用的技术有关。当用示波器进行电路调整时,例如调整AM信号的调幅深度时,更新速率慢就会造成麻烦。当第一次调整时示波器不会马上做出反应,你可以会立即进行第二次调整,此时示波器发生了变化,但这是第一次调整的变化。如此反复,不是调整不足就是调整过头。


  二、DSO的特点


  DSO的出现是示波器一个重大突破。一个时期来其增长速度相当快,而模拟示波器市场随之下降。是什么原因使得用户对DSO产生如此大的兴趣。


  1.捕捉单次事件或单次扫描。有些信号只出现一次,这类信号用模拟示波器是很难观测的。而DSO可以将该信号捕捉存储起来并可以随时观看。DSO最初就是为此目的而开发的。


  2.捕捉高速低重复事件。有些信号出现很快但每次出现的时间却很长。在模拟示波器上用眼睛观察这类信号是非常困难有时是根本不可能的。DSO可以在每次信号来临时自动触发并存入存储器,然后等待下一个信号的到来,这一功能对观测那些间歇性故障等特别有用。


  3.信号的后期处理。由于输入的信号已经送入存储器,也就是变成了数据,所以用户可以随时对信号进行各种各样的处理,如进行FFT、频谱分析、打印报告等。


  DSO还有很多其他的优点,例如触发前的信号观察、逻辑触发、毛刺捕捉、自动通过/不通过测试等。但总起来说上述的三个优点是DSO的主要价值所在,这也是70%的用户购买DSO的主要原因。


  三、DSO的有关指标及其含义


  搞清楚DSO的指标对了解DSO是如何工作的以及它的优势和不足是很有意义的,同时也对如何选择示波器有帮助。


  1.采样率是DSO的一个很重要的指标。它是衡量示波器水平方向(时间)的精度指标。因为DSO是利用所采集的离散样点恢复输入信号的,显然样点越多所恢复出的信号越好,丢失的信息越少。现在的示波器每个屏幕在水平方向上一般都是10个格,每个格50个样点,总共512个样点。采样率高,所能采集的信息就多。但是你是否在任何情况下都可以获得高采样率,例如500MS/s ?答案是否定的。当示波器的时基每格/秒下降时,采样率也随之下降。这是因为当购买示波器时,机内的存储器已经固定。如果在低速时基下仍保持高采样率,所采集的数据将无法存储。所以示波器指标中给出的采集率是该仪器可以达到的最高采样率,也有称为实时采样率的。但要注意,实时采样(Real Time Sampling)并不是实时显示,在前面已经提到过这个问题:时基下降,采样率也随之下降。那么,对周期信号而言,多少个采样点才能较好地重现实际的信号。这里有理论问题,也有实际的技术实现问题。每周期采两个样点,在不同时刻采集,其重现的波形有很大的区别。随着采样点的增加,所重现的波形越接近实际的波形。有的人认为有5个样点就可以较好地重现波形,有的人则认为需要10 个点。其实这还与用什么方法将点与点之间连接起来有关。这也就是内插方法,如线性内插或正弦内插。但是,没有一种内插方法可以适合于各种输入信号。


  当采样速率远低于输入信号频率时会产生什么情况呢?重现的波形和实际的波形差之千里,这种现象称之为混叠( Aliasing)失真。对数字存储示波器来说,混叠失真的问题还没有全部解决。只要是DSO就可能存在混叠失真,不同的只是性能好、价格高的DSO出现混叠失真的可能性小一些,反之则大一些,问题的严重性并不在于失真本身,而在于用户并不知道已经发生了失真并误将失真的信号认为是正确的信号,从而带来更严重的后果。


  2.带宽对任何示波器都是最重要的。你是否在所有时间都能获得全部的带宽呢?对于模拟示波器,其回答是“YES"。对DSO则是“NO”。当示波器的时基下降时,DSO的采样速率也随着下降。采样速率下降意味着采样间隔加长。这样快速的事件就会丢失,即实际降低了带宽。举例来说,一个采样率为100MS/s的DSO,如果对周期信号每周期采5个样点,那么它可以观测20MHz的输入信号。换句话说,如果输入信号大于20MHz,每周期采样点则少于5个。这样就不能准确地恢复输入信号。为了更好地重建输入信号,例如每周期采10个样点,输入信号就只有10MHz。所以对DSO来说,带宽与采样率是相关的。


  3.等效时间采样。前面讲过,随着时基的下降,采样率也随着下降。为了更好地重现高频周期信号,有些DSO采用了等效时间采样技术,这种技术简单讲是采样的过程不是在信号的一个周期内完成的。采样是分在数个周期完成最后再将样点拼在一起。这样得到的等效采样速率可达到10G或更高。这种技术不必使用各种内插技术就可较好地重现信号,但只对周期或可重复信号起作用。在当今的DSO中,有的仪器提高实时采样速率而没有采用等效时间采样,而有的仪器实时采样率不高但采用了等效时间采样。高速的实时采样速率适合于观测快速单次瞬变信号,而等效时间采样适合高频周期信号。


  4.存储深度对DSO来说是很重要的。有些用户在选购DSO时并不注意存储器的多少。实际上存储深度对采样率有直接的影响。前面已经说过,时基下降,采样速率下降,因为存储器是固定的。但是对存储器多的DSO来说,在同样的时基下采样速率下降的速度就可以慢一些。此外,很多用户使用DSO的目的是要连续地捕捉某些间歇性的故障,还有的用户是要连续记录一段时间的波形。这些应用也都需要DSO有一定深度的存储器来支持。所以,存储器的深度对DSO来说不仅影响它的某些性能,也影响它的应用范围。


  四、如何选择示波器


  1.模拟示波器还是数字存储示波器对于如何选择示波器实际是很难给出一个明确的答案的。

  有的用户既有模拟示波器的应用又有DSO的应用,就要在两种示波器间权衡,或考虑选择一.种将模拟和数字存储示波器集成在一个机器内的称之为组合示波器(CombiScope)的仪器。


  2.费用的合理性

  用户在选择示波器(包括其他电子测试仪器)时,首先就是从有关技术资料上进行选择和比较,但并不是仪器的所有性能都可从资料中获得。其中一个很重要的方面是仪器是否容易使用。比如有一个示波器的某一个功能非常有用,但是使用起来需要按多次按键,调用几层菜单才能启动。那么,学会使用这个功能需要不少时间。当有一段时间没有使用该功能以后再次使用此功能,你可能还要花很多时间重新学习。所以,如果仪器非常容易使用,它就会给你节省很多时间。对于示波器这样一个经常使用的通用测试仪器来说,是否容易使用就更为重要。有时它可能比某些指标更重要,更有实际意义。在购买仪器时用户肯定会考虑费用,但通常这只是表面的费用。仪器是否容易使用实际上也是一种费用,只不过它是一种潜在的费用而已。所以在可能的条件下,除了进行技术指标的比较以外,最好实际操作一下,从而获得真正的感觉。


  仪器的维护也是一种费用。它包括很多内容。例如仪器多长时间需要校准,校准是否容易,仪器的保修期有多长,维修是否方便,维修的费用等都是要考虑的因素。


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