如何挑選示波器

選擇示波器時要注意什麼


如何挑選示波器


示波器介紹

對於許多工程師來說,選擇新的
示波器  可能令人生畏 - 有數百種不同的型號可供選擇,成本和規格差異很大。本文將協助您找出最適合的示波器,並希望能幫助您避免犯下可能被證明是一個代價高昂的錯誤。


首先要做的事情
選擇示波器的第一步不是看廣告或範圍規格,而是花一些時間思考你將在何處使用它。

 
  • 您將在哪裡使用示波器(在工作台上,在客戶現場,在汽車引擎蓋下)?

  • 您需要一次測量多少個信號?

  • 您需要測量的信號的最大和最小幅度是多少?

  • 您需要測量的信號頻率最高是多少?

  • 你的信號重複還是單發?

  • 您是否需要在頻域(頻譜分析)和時域中查看信號?

有了上述知識,您就可以開始考慮哪種示波器最適合您的應用。

 

Analog vs digital類比與數位

本文的重點是數位存儲示波器(DSO),因為它們代表了當今購買的大多數新示波器。在描述在數字示波器中尋找什麼之前,有必要首先至少觸及模擬。
大多數電子工程師會在某個時候使用類比示波器,並熟悉其佈局和操作。事實上,今天許多購買示波器的人正在用數字替代類比。
儘管仍有一些工程師喜歡類比示波器的外觀和感覺(更不用說溫暖),但它們幾乎沒有任何DSO無法超越的功能。
如果您仍然受到類比示波器的誘惑,您會發現您的選擇有限。只有少數製造商仍在生產類比示波器; 一些仍在銷售的型號基於相當古老的技術,而且性能往往非常有限。
購買二手類比示波器最初可能看起來具有良好的經濟意義,但在此之前,請檢查備件的可用性,因為高維修成本會使購買成為虛假經濟。
還有其他標準增加了類比與數位辯論的重要性。數字存儲示波器:

 
  • 小巧便攜

  • 擁有最高頻寛

  • 有單發能力

  • 有彩色顯示

  • 提供屏幕測量

  • 擁有簡單的用戶界面

  • 提供存儲和打印

具有PC連接的現代DSO也可以完全集成到自動測試設備(ATE)系統中。此外,DSO通常用作高速數據擷取系統的前端,使每個通道的成本更加經濟可行。

Bandwidth頻寬

要考慮的第一個特性是頻寬。這可以定義為可以通過前端放大器的最大信號頻率。因此,示波器的類比頻寬必須高於您希望測量的最大頻率(實時)。
僅頻寬不足以確保DSO能夠準確捕獲高頻信號。示波器製造商的目標是通過其設計實現特定類型的頻率響應。該響應稱為最大平坦包絡延遲(MFED)。這種類型的頻率響應可提供出色的脈衝保真度,並具有最小的過衝,下沖和振鈴。然而,由於DSO由放大器,衰減器,ADC,互連和繼電器組成,因此MFED響應是一個目標,只能接近,而且永遠不會完全滿足。
值得注意的是,大多數示波器製造商將頻寬定義為正弦波輸入信號衰減到其真實幅度(-3 dB點)的71%的頻率。或者,換句話說,它們允許顯示的跟踪在輸入錯誤之前為29%,然後再調用它。
還要記住,如果您的輸入信號不是純正弦波,它將包含更高頻率的諧波。例如,在20 MHz頻寬示波器上觀看的20 MHz純方波將顯示為衰減和失真波形。根據經驗,嘗試購買頻寬比您想要測量的最大頻率信號高五倍的示波器。不幸的是,高頻寬範圍很昂貴,所以你可能不得不在這裡妥協。
在某些示波器上,所引用的頻寬並非在所有電壓範圍內都可用,因此請仔細檢查數據表。

Sample rate取樣率

使用類比示波器,生活很簡單:您只需選擇所需的頻寬。對於數位示波器,取樣率和存儲深度同樣重要。對於DSO,取樣率通常以每秒兆樣本(MS / s)或每秒千兆採樣(GS / s)指定。奈奎斯特准則指出,取樣率必須至少是您要測量的最大頻率的兩倍:對於頻譜分析儀,這可能是正確的,但對於示波器,您需要至少5個取樣才能準確地重建波形。
大多數示波器具有兩種不同的取樣率(模式),具體取決於被測信號:實時和等效時間取樣(ETS) - 稱為重複取樣。但是,ETS僅在您測量的信號穩定且重複時才有效,因為此模式通過連續採集建立波形來工作。
例如,Pico Technology 12位ADC-212/100將以100 MS / s的實時採樣,或者對於重複波形採樣為5 GS / s。圖1a顯示了取樣率為50 MS / s的20 MHz方波 - 與圖1b相比幾乎無法識別,相同的波以5 GS / s捕獲。現在,5 GS / s聽起來很棒,但請記住,如果信號是瞬態或變化(比如視頻波形),那麼ETS將無法工作,您將不得不依賴於實時(單次拍攝)頻寛,這通常是低得多。
建議:範圍製造商喜歡強調最佳的聲音規格,因此如果引用的取樣率適用於所有信號,或者僅適用於重複信號,您可能需要仔細查看規格。您可能會發現您計劃購買的範圍不符合“目的”。
某些示波器具有不同的取樣率,具體取決於使用的​​通道數。通常,單通道模式下的取樣率是雙通道模式下的兩倍:再次檢查規格。


採集速率為50 MS / s的20 MHZ方波

圖1a:採集速率為50 MS / s的20 MHZ方波。


示波器以5 GS / s捕獲的20 MHZ方波

圖1b:以5 GS / s捕獲的20 MHZ方波。

 

Memory depth暫存空間

記憶深度可能是DSO最不了解的方面,這是一個恥辱,因為它是最重要的之一。
DSO將捕獲的樣本存儲在緩衝存儲器中,因此,對於給定的取樣率,緩衝存儲器的大小決定了在存儲器滿之前捕獲信號的時間。
取樣率和記憶深度之間的關係很重要; 具有高取樣率但內存較小的示波器只能在前幾個時基上使用其全取樣率。圖2a顯示了使用1 k緩衝存儲器捕獲的200μs視頻波形。1 k緩衝存儲器將採樣速率限制為5 MS / s(1 k /200μs),即使示波器能夠以100 MS / s採樣。
乍一看,這似乎令人滿意地捕獲了波形。然而,當波形擴展為在色同步信號上“放大”時,顯示出小緩衝存儲器的限制(圖2b)。顏色突發(“步驟”底部的振盪)持續約5μs,因此在正常視圖中只有25個點在內存中表示,但是當我們放大時,這幾個點用於填充屏幕。
圖2c顯示了視頻波形的相同色同步部分,但這次是在具有128 kB緩衝存儲器的示波器上捕獲的。我們有超過3000個點可用於表示色同步區,差異很明顯。


示波器使用1 K緩衝存儲器捕獲的200μs視頻波
圖2a:使用1 K緩衝存儲器捕獲的200μs視頻波。



當波形擴展以顯示色同步信號時,顯示小緩衝存儲器的限制
圖2b:當波形擴展以顯示色同步信號時,顯示小緩衝存儲器的限制。



示波器顯示相同的波形,這次使用128 kB緩衝存儲器
圖2c:顯示相同的波形,這次使用128 kB緩衝存儲器。



現實世界的例子
為了理解頻寛,取樣率和暫存空間之間的關係,考慮一個真實案例是有意義的。考慮嘗試捕獲一幀USB(1.1)數據。數據幀持續1毫秒,並以12 Mbps的速率傳輸串行數據。為了簡化我們的分析,我們可以假設我們必須捕獲12 MHz方波1 ms。

  • 頻寛 - 為了測量12 MHz信號,我們需要絕對最小值為12 MHz,但這會產生非常失真的信號,因此具有至少50 MHz頻寛的示波器是明智的。

  • 取樣率 - 為了重建12 MHz信號,每個波形需要大約5個點,因此需要60 MS / s的最小取樣率。

  • 存儲深度 - 以60 MS / s捕獲數據1 ms需要最小存儲深度為60,000個樣本。

Resolution and accuracy解析度和準確性

在數字電子產品中,1%的信號變化通常沒有問題,但在音頻電子設備中,0.1%的失真或噪聲可能是一種災難。大多數現代DSO都針對快速數字信號進行了優化,僅提供8位分辨率(8位ADC),因此最多可以檢測到0.4%的信號變化(見表)。
對於8位,電壓範圍分為256個垂直步長(2 8 = 256)。選擇±1 V範圍時,這相當於每步約8 mV。這對於觀看數字信號可能是足夠的,但是留下了觀察類比信號所需的東西,特別是在使用頻譜分析儀功能時(如果有的話)。
對於音頻,噪聲,振動和監測傳感器(溫度,電流,壓力)等應用,8位示波器通常不適用,您應該考慮
12或16位替代方案
至於DSO的準確性,它通常不被認為太重要。您可以在幾個百分點內進行測量(大多數8位DSO引用3%到5%DC精度)但是為了更精確的測量,您應該達到萬用表。
使用更高解析度的示波器,可以進行更精確的測量(1%或更高),因此無需使用儀表!
具有高解析度(12位或更高)和高DC精度的示波器有時被稱為精密示波器 - 請參閱我們關於
高解析度示波器和FFT頻譜分析儀的應用說明。

 

Resolution and accuracy觸發功能

示波器的觸發功能在其信號的正確點同步水平掃描:這對於清晰的信號表徵至關重要。觸發控制允許您穩定重複波形並捕獲單次波形。根據所研究信號的類型,值得查看製造商提供的觸發選項。所有數字示波器都提供相同的基本觸發選項(源,電平,斜率,前/後觸發),但在更高級的觸發功能方面有所不同。更高級的觸發功能是否有用又取決於被測信號。脈衝觸發器對數字信號很有用,在跟踪間歇性故障時,自動保存到硬碟/存儲空間選項可以提供很大幫助。
某些特定於應用程序的觸發器(例如,硬碟驅動器測試)通常作為額外費用提供,並作為軟體或韌體升級安裝。如果您可能使用這些“額外費用”中的一個,請不要害怕與供應商協商。這種“可選的額外”被免費拋出以達成交易並不罕見。

 

Input ranges and probes輸入範圍和探棒

典型示波器將提供±50 mV至±50 V的可選滿量程輸入範圍。使用10:1和100:1衰減示波器探棒可以測量更高的電壓,重要的是檢查示波器是否有小的您想要測量的信號的電壓範圍足夠大。如果您經常測量小信號(小於50 mV),請考慮購買解析度為12或16位的示波器。16位示波器的垂直分辨率是8位示波器的256倍,因此可以“放大”毫伏和微伏電平信號。
檢查您計劃使用的範圍探測是否匹配 - 或超出範圍的頻寛。一些製造商通過向示波器提供不合標準的探頭來節省成本,並且僅提供更高頻寛的探頭,這些探頭是從示波器中獲得最佳效果所需的,作為可選附件。大多數示波器探棒可以在1:1和10:1之間切換衰減。盡可能使用10:1設置,因為這樣可以最大限度地減少被測電路的負載,並在意外連接到高壓時增加過載保護。
對於非常高速的信號(> 200 MHz),被動探棒開始遇到由於電纜的電容返回到示波器而引起的問題。這可以通過投資有源FET探頭來解決,該探棒將緩衝放大器放置在探棒尖端中。為了測量高壓,例如±100 V,主電源和3相電壓,最安全的選擇是使用差分隔離示波器探頭。


構成因素

DSO大致分為三類:傳統台式,手持式和基於PC的。
專用的台式數字示波器通常具有最高性能,並且將反映在成本中。FFT頻譜分析,PC接口,磁盤驅動器和打印機等功能都是昂貴的可選附件。
手持式示波器對於移動中的工程師具有明顯的優勢,但要注意顯示器不良(在陽光下難以閱讀)和電池壽命短。對於給定的性能水平,它們也往往是最昂貴的選擇。
基於PC的示波器越來越受歡迎,因為它們相比台式機提供了相當大的成本節約。節省成本的原因是顯而易見的; 通過使用已經放在桌面上的大規模生產的PC,您可以有效地免費獲得大型彩色顯示屏,快速處理器,磁盤驅動器和鍵盤。只需點擊幾下滑鼠即可將數據導出到文字處理器和電子表格,這也是一個很大的優勢。
基於PC的示波器有兩種:外部和內部。基於PC的內部示波器通常採用PCI格式的插卡。理論上,這些應該是成本最低的選擇,但這並不總是證明是正確的。PC卡的主要缺點是噪音 - PC內部可能是一個非常嘈雜的電氣環境,有些卡確實受到影響。另一個問題是便攜性; 基於PC卡的示波器與一台台式PC配合使用。
基於PC的外部示波器採用小盒子的形式,通過USB端口連接到PC。通過將所有模擬電子設備保持在PC外部,可以避免噪聲問題。外部基於PC的示波器的第二個優點是便攜性 - 它們可以與台式機或筆記本電腦一起使用。

總結

像恐龍一樣,類比示波器確實有它的一天。成本和性能參數確保了DSO的存在。它只是決定購買哪種類型。

  • 在不同範圍之間進行選擇時,請檢查以下內容:

     
    • 對於更高成本的示波器,請進行展示,並確保使用您想要測量的實際信號完成演示,而不僅僅是顯示範圍良好的信號。

    • 購買任何示波器時,請詢問升級並檢查成本中包含的內容。對於基於PC的示波器,請確保包含該軟體,並詢問您是否需要支付體件升級費用。對於台式示波器,檢查連接到PC /印表機的電纜和軟體的成本 - 它可以增加總成本的50%。

    • 檢查保固期。如果您的設備無法使用,供應商是否會在維修時提借暫用品

 
總之,按優先級順序,它是頻寛,取樣率(即時和/或等效時間),然後是暫存空間。注意:大多數DSO上的頻寛和取樣率都不是升級選項,因此一旦您支付了高達60,000美元的任何費用,您就會遇到自己的選擇。

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