选择数字化仪/示波器需要考虑的10个方面

1. 带宽

带宽描述的是输入信号能够以最小幅值损失通过模拟前端的频率范围——从探针的针头或测试夹具到ADC的输入端。带宽通常规定为正弦输入信号衰减到其原始幅度的70.7％时的频率，该频率也称为-3dB点。

在一般情况下，建议数字化仪的带宽应至少是信号最高频率分量的两倍。

示波器和数字化仪通常用于测量诸如数字脉冲或其它具有尖锐边缘的信号的上升时间。这些信号由高频分量组成。为了捕捉信号的真实形状，我们需要使用高带宽的数字化仪。例如，一个10 MHz的方波是由一个10MHz的正弦波及无穷多的谐波组成。为了捕捉这个信号的真实形状，数字化仪的带宽必须足够大才能捕捉其中一些谐波。否则，信号会失真，导致测量不正确。

NI PXI-5152数字化仪的20 MHz噪声滤波器打开时采集的5 MHz方波

NI PXI-5152数字化仪的带宽设置为300 MHz时采集的5 MHz方波

图1：高带宽数字化仪对于捕获波形的高频分量非常重要

一般来说，可以使用下面的公式来根据上升时间（定义为从信号幅度的10％上升至90％的过渡时间）计算出信号的带宽。

Rise Time = 0.35 / Bandwidth

图2：上升时间定义为信号从幅值的10％上升到90％的时间。上升时间与带宽直接相关，可通过上面的公式在两者之间进行换算

理想情况下，数字化仪的带宽应为根据上述公式计算的信号带宽的三到五倍。换句话说，数字化仪的上升时间应该是信号上升时间的1/5至1/3，从而以最小的误差采集信号。您可以通过以下公式来推算出信号的实际带宽：

= 测量的上升时间,= 实际信号上升时间，= 数字化仪的上升时间

2. 采样速率

在上一节中，我们介绍了数字化仪或示波器的最重要指标之一¬——带宽。然而，如果采样率不够高的话，高带宽的性能就会大打折扣。

带宽描述的是正弦波能够以最小衰减进行数字化的最高频率，而采样率就仅仅是数字化仪或示波器中模数转换器（ADC）将输入信号数字化的时钟速率。请记住，采样率和带宽没有直接的关系。然而，通常情况下我们希望这两个重要指标之间具有这样一个关系：

数字化仪的实时采样率=3?4倍数字化仪的带宽

奈奎斯特定理指出，为了避免混叠，数字化仪的采样率至少需要为被测信号中最高频率分量的两倍。然而，采样速率刚好等于最高频率分量的两倍并不足以准确地再现时域信号。为了准确地数字化输入信号，数字化仪的实时采样率应至少为数字化仪带宽的三到四倍。下面的图可以帮助您理解其中的原因。观察下面的图，想想您希望在示波器上看到什么样的数字化信号。

图3：右图显示了具有足够高采样率的数字化仪能够准确地重构信号，从而实现更精确的测量

虽然这两种情况下通过前端模拟电路的实际信号是相同的，但是左侧的图像处于欠采样状态，即数字化的信号失真了。另一方面，右侧的图像具有足够的取样点，能够精确地重建信号，从而使测量更精确。由于清晰地表示信号对于时间域应用，如上升时间、过冲或其它脉冲测量来说非常重要，因此具有更高采样速率的数字化仪无疑是这些应用的不二之选。

3. 采样模式

采样模式主要有两种——实时采样和等效时间采样（ETS）。

上一节讨论的就是实时采样率，它描述了ADC的时钟速率，规定了单次采集输入信号的最大速率。另一方面，等效时间采样就是基于一系列在单次模式下采集的触发波形来重建信号的一种方法。 ETS的优势是它提供了较高的有效采样率。但是，它的缺点是需要较长的时间，并且只适用于重复信号。请注意，ETS并不会增加数字化的模拟带宽，仅适用于当您需要以更高的采样率重构信号的情况。 ETS常见的一种实现是随机交错采样（RIS），下表中列出的大多数NI数字化仪均具有该功能。

4. 分辨率和动态范围

如上所述，数字示波器和数字化仪都通过ADC将模拟信号转换为数字信号。ADC返回的比特数就是数字化仪的分辨率。对于任意给定的输入范围，以数字方式表示信号的可能离散电平点数为2b，其中b是数字化仪的分辨率。当输入范围分成2b级时，数字化仪可检测的最小可能电压就表示为（输入范围/2b ）。例如，一个8位数字化仪把10 Vpp的输入范围分为28=256级，每级39毫伏，而24位的数字化仪则将相同的10 Vpp输入范围分为224 = 16,777,216级，每级596 nV（比8位数字化仪约小65,000倍）。使用高分辨率数字化仪的其中一个原因是测量小信号。有人会问，为什么不直接使用较低分辨率的仪器和较小的电压范围来“放大”信号，从而测量小电压？原因在于，许多信号同时具有小信号和大信号分量。使用较大的输入范围可以测量大信号，但此时小信号将会变成大信号的噪声。另