选用示波器所需考虑的10大要素

概述

与德国科学家Karl Ferdinand Braun 于1897 年发明的阴极射线示波器(Cathode ray oscilloscope) 相较，现有的数字储存示波器已大不相同。进步的技术不断提升示波器的新特性，更适合让工程师使用。其中最显著提升的功能之一便是示波器进入数字领域，导入数字信号处理与波形分析等强大功能。现在的数字示波器包含高速、低分辨率(一般为8 位) 的模拟数字转换器(ADC)，已定义的控制元与显示功能，且内建的处理器可执行常见测量操作的软件算法。

另外来说，示波器可利用计算机最新的处理功能与高分辨率显示，并保留高速示波器的其他功能。由于示波器属于计算机架构，让用户能通过软件而定义仪器功能。因此，示波器不仅能够用于示波器测量，也可用于客制化测量，甚至用于频谱分析器、频率计数器、超音波接收器，或更多仪器。相较于传统的独立示波器，开放架构与灵活软件，均让示波器具备更多优势。然而，示波器(Digitizer) 与高速示波器(Oscilloscope) 有许多相似之处，因此在选择时也需要考虑多项要点。

本文将讨论选用示波器所应考虑的10 大要素。

1. 带宽

带宽代表"输入信号以最小振幅损耗通过模拟前端"的频率范围，即从探针尖端或测试设备直到 ADC 的输入。带宽应为"正弦输入信号振幅衰减至 70.7% 原始振幅时的频率"，也大家所熟知的 -3dB 点。在一般情况下，示波器的频率应要能超过信号最高频率的 2 倍以上。

示波器常用于测量信号的上升时间，如数字脉冲或其他具尖锐边缘的信号。此种信号均由高频信号组成。为了采集信号的确实形状，则需选用高带宽示波器。举例来说，10 MHz 方波是由 10MHz 正弦波与无数谐波所组成。若要取得该信号的实际形状，则所选示波器的带宽必须能够采集数个谐波。否则将造成信号失真与错误测量。

图1. 在采集高频率的波形时，必须使用高带宽示波器

以下公式可根据上升时间(即为信号振幅从10% 升至90% 所需的时间) 计算信号带宽。

图2. 上升时间为信号从全值的10% 上升至90% 所需时间。
上升时间与带宽直接相关，因此上述公式可相互换算此2 组值。

在理想情况下，示波器带宽最好可达上述公式所得信号带宽的3 至5 倍。换句话说，为了将信号采集的错误降至最低，示波器的上升时间应为信号上升时间的1/5 至1/3。下列公式可反推出信号实际带宽。

=所测得的上升时间；=实际信号上升时间；=示波器上升时间

2. 取样率

带宽为示波器的重要规格之一。但若取样率不足，带宽再高也是枉然。
带宽代表以最小衰减而数字化的最高频率正弦波，而取样率则为示波器中ADC数字化输入信号的定时速率。请注意，取样率与带宽并无直接的相关性。但此2 项重要规格之间存在着必要关系：

示波器的实时取样率＝ 示波器带宽的3 至4 倍

Nyquist 定理则表明，为了避免失真，示波器取样率至少为受测信号最高频率要素的2 倍。然而，仅达最高频率的2 倍取样率，仍不足以精确重新产生时域信号。为了精确数字化输入的信号，示波器的实时取样率至少应为示波器带宽的3 至4 倍。下图即说明使用者所希望通过示波器看到的数字化信号。

图3. 右图示波器具备有效的高取样率，可精确重建信号并达到更精确的测量结果。

尽管上述2 组实际信号均通过了前端模拟电路，但左图的取样率不足而导致数字化信号的失真。而右图则具备足够的取样点，可精确重建信号，进而达到更精确的测量操作。对时域应用(如上升时间、过冲，或其他脉冲测量) 而言，能否清楚呈现信号极为重要，所以高取样率的示波器可于此类应用中提供更佳优势。

3. 取样模式

取样模式主要可分为2 种：实时取样与等效时间取样（ETS）。
实时取样率如上所述，除了代表ADC 频率之外，也表示单次采集所能取得信号的最高速率。而ETS 则属于信号重建方法，是以单次采集模式所取得的触发波形为基础。ETS 的优点在于其具备更高的有效取样率，但缺点却是耗时更长，且仅适用于重复性信号。请注意，ETS 并不会提高示波器的模拟带宽，且仅适用以更高取样率重现信号。常见的ETS 为随机间隔采样(RIS)，而多数的NI 示波器均具备该功能。

4. 分辨率与动态范围

如上所述，示波器所具备的ADC 可将模拟信号转为数字信号。ADC 所回传的位数就是示波器分辨率。针对任何已知的输入范