對于很多測試工程師來講,從市場中上百款不同價格和規格的各種型號的示波器中,選擇一臺新示波器是一件很撓首的事情。本文就旨在指引你撥開迷霧,希望能幫助你避免付出昂貴的代價。
選擇示波器的第一步不是要看那些示波器的廣告和規格,而是要你花一些時間認真地考慮一下你打算用來干嘛和用在什么場合。
1、示波器你要用在什么地方(工作臺、客戶端還是在汽車罩下)?
2、一次性需要同時測試幾個信號?
3、你要測試的信號的最大和最小幅值?
4、你要測試的信號的最高頻率是多少?
5、除了要時域顯示外,你是否還需要頻域顯示(頻譜分析)?
6、你要測試的信號是重復還是單次激發信號?
以上的幾個問題,你就可以開始思考一下什么樣的示波器才是符合你要求的最佳選擇。
模擬示波器vs數字示波器
本文的重點是放在數字存儲示波器(DSOs),它們代表了現在在市場上可以購買到的大部分的示波器。在介紹如何選擇一臺數字示波器之前,我們很有必要先了解一下模擬示波器。
我相信大部分的電子工程師都曾經用過模擬示波器,并且對它的結構和操作都很熟悉,但事實上,現在很多的人都會選擇購買數字示波器來取代模擬示波器。盡管現在仍然還有一些工程師鐘愛于模擬示波器,但是已經很少了,有一些是因為模擬示波器的部分特性是DSO無法超越的。
如果你仍然對模擬示波器不舍,你會發現你的選擇將會很有限,現在只有很少的廠家還在做模擬示波器,幾款目前還在賣的型號都是基于一些很老的技術,而且性能也很有限。買一臺二手的模擬示波器最初看起來可能是一個很經濟實惠的選擇。但是購買之前,先檢查一下備件是否可用,否則昂貴的維修費用將會使你的購買成為假節約。
關于模擬vs數字示波器的爭論,現增加了其他一些準則來衡量,DSOs:
1、體積小,方便攜帶;
2、有很大的帶寬;
3、可單次激發;
4、彩屏顯示;
5、提供屏顯測量;
6、有簡單的用戶接口;
7、提供存儲和打印功能;
現在的數字存儲示波器一般都是與PC連接的,可以完全集成在自動測試儀器(ATE)系統中。另外,DSO還常用于高速信號采集系統前端,使每個通道花費的代價更加經濟可行。
帶寬
首先要考慮的參數是帶寬,帶寬可被定義為可通過前端放大器信號的最大頻率。因此,示波器的模擬帶寬必須大于你要測試信號的最大頻率(實時)。
單是帶寬是不足以保證一臺數字存儲示波器能準確地捕捉高頻信號,示波器廠商的目的是設計出一款特定頻率響應的示波器,這個響應被定義為最大平封延遲(MFED)。這種類型的頻率響應使上沖、下沖和振鈴最小,實現了出色的脈沖保真度。然而,因為數字存儲示波器是由放大器、衰減器、模/數轉換器、連接線和繼電器組成的,所以MFED響應只能無限地接近,而不能完全達到。
大部分的示波器廠商把帶寬定義為當一個正弦波的輸入信號在示波器中衰減為它原來幅值的71%(-3dB點)時該正弦波的頻率,其實這種定義是沒什么意義的;蛘邠Q句話說,帶寬就是允許輸入信號的顯示軌跡錯誤地衰減了29%的頻率。
也要記住這一點,如果你的輸入信號不是純正的正弦波,它會含有一些更高頻率的諧波。比如說,一個20MHz的純正方波在20MHz帶寬的示波器顯示出來的是一個衰減過和失真的波形。作為一個經驗法則,盡可能購買一臺帶寬五倍于所要測試信號最大頻率的示波器,但是很不幸,高帶寬的示波器非常昂貴,因此你可能要在這方面作出妥協。部分示波器的標定帶寬并不在所有電壓范圍內有效,所以一定要仔細查看下示波器的規格說明。
采樣率
選擇模擬示波器總是很簡單的:只要帶寬能滿足你的要求就行了,但對于數字示波器,采樣率和存儲深度都是同等的重要。對于數字存儲示波器,采樣率常常是用兆樣本每秒(MS/s)和千兆樣本每秒(GS/s)表示。尼圭斯特準則規定采樣率最少必須兩倍于你想要測試信號的最高頻率,對于頻譜分析儀這可能是足夠的,但是對于一個示波器,每個周期至少需要五個樣本才能準確地重建波形。
大部分的示波器都有兩個不同的采樣率(采樣模式):實時采樣率和等效采樣率(ETS)——常稱為重復采樣,這取決于你要測試的信號。然而,ETS只有當你要測試的是穩定和重復的信號時才有用,因為這個模式是通過連續采集來重建波形的。
分辨率與精度
在數字電子中,一個信號變化了1%通常是不會有問題的;但是在音頻電子中,0.1%的失真和噪音是不允許的。現在大多數的數字存儲示波器在用來測試快速數字信號時進行了優化,提供了8位的分辨率(8位ADC),因此最好的情況下可以分辨0.4%的信號變化(如表)。
8位的分辨率,可以把電壓范圍分成256個垂直階梯級(2^8 = 256),當選擇±1V電壓范圍時,每一級對應了大約8mV的電壓,對于觀察數字信號這可能是足夠的,但是對于觀察模擬信號似乎還不太夠,特別當用頻譜分析功能時(如果有這個功能的話)。對于如音頻、噪聲、振動和監控傳感器(溫度、電流、壓力)等這樣的信號,一個8位的示波器常常是不合適的,你應該考慮在12位或16位這兩者中選其一。
對于一臺數字存儲示波器的精度,這常常沒被重視的。你可以在相對較小的百分比上進行測量(大多數8位的數字存儲示波器標定為是3%到5%的精度),但是對于更多的精確測量,你應該要達到萬用表的精度。一臺更高分辨率的示波器,進行更高精度的測量就變得有可能了(1%或者更好),因此沒必要用儀表測量。
擁有高分辨率(12位或更多)和高直流精度的示波器其實就是所說的高精度示波器——
觸發功能
一臺示波器的觸發功能同步于信號在一個選定的點上的水平掃描:這對于分析信號的特點是很有必要的。觸發控制幫助你穩定重復的波形和抓取單次波形,根據調查不同類型的信號,示波器廠商提供一些觸發選項是有必要的。所有的數字示波器都提供了相同的一些基本觸發選項(源、電位、斜坡、前/后觸發),但在一些高級的觸發功能上是不一樣的。那些高級觸發功能是否有用是取決于所要測量的信號,脈沖觸發對數字信號是有用的,在追蹤間歇性錯誤時,自動保存到磁盤/內存選項可能會很有用。
一些應用中所用到的特殊觸發(如磁盤驅動測試)經常作為額外的成本,一般是以軟件或固件升級來實現的。如果你可能要用到其中一個這樣的額外成本,不要害怕跟供應商談判,叫他們免費提供這樣的“額外選項”以達成協議,這種情況也并不罕見。
輸入范圍和探頭
一臺典型的示波器會提供從±50mV到±50V可選的全刻度輸入范圍。如一些更高的電壓可用10:1和100:1衰減的示波器探頭,這時重要的是要檢查對于你想要測量的信號,示波器是否在一個足夠小的電壓范圍。如果你經常會測量一些小的信號(小于50mV),考慮買一臺擁有12或16位垂直分辨率的示波器,一臺16位的示波器的垂直分辨率是8位示波器的256倍,使放大毫伏和微伏水平的信號都成為可能。泰克示波器。
接著還要確認一下你選擇的示波器探頭,根據示波器的帶寬,起碼要匹配或者比它好。一些廠商為了節省成本通常提供與示波器配套的不合標準的探頭或者只供應一些更高帶寬的探頭,作為可選組件,這是需要從示波器中選擇最好的。大部分的示波器探頭可在1:1和10:1的衰減率之間切換,只要有可能,當不小心連到一個高電壓時,在測試中用10:1的設置最小化電路載荷或者增加過載保護都是可以的。
對于每個高速信號(>200MHz),無源探頭就開始陷入了由電纜電容引起的信號反射回示波器的問題。主動FET探頭的探針配置了一個緩沖放大器,使用它可以有效地解決反射的問題。當測量高電壓時,如±100V,電源和3相電壓,最安全的做法是用差分隔離的示波器探頭。
外形尺寸
數字存儲示波器大致可以分為三類:傳統的臺式、手持式和基于PC的。臺式數字示波器通常是指在構建性能最高的示波器,這同時也反映在成本上,其一些特性如FFT頻譜分析儀、PC接口、磁盤驅動和打印機,這些都是昂貴的可選配置。
手持式示波器對于工程師來講,最明顯的優勢是其便攜性,但是要小心它那可憐的顯示屏(很難在陽光下閱讀的)和短暫的電池壽命。對于一個給定的性能水平,它們也可能是最昂貴的選擇。
而PC示波器,憑借其相對于同等性能的臺式示波器那可觀的成本節約,正在逐漸流行起來。節約成本的理由是顯而易見的,大批量生產的PC早就已經普及開來了,你相當于免費擁用有了一個大的彩色顯示屏、快速的處理器、磁盤驅和鍵盤等有效的設備。只要雙擊鼠標就能完成數據導入到文檔處理器和電子表格中,這也是其一個很大的優勢。
PC示波器歸結起來有兩種類型:外置的和內置的。內置的PC示波器通常是以PCI形式的插卡,在理論上講,這種示波器應該是成本最低的,但事實證明這往往是不對的。PC卡最主要的劣勢是噪音,PC機箱里面是一個很嘈雜的電子環境,處在其中的插卡就正受其害,另一個問題是其可攜性,基于PC卡的示波器都是與一部臺式PC掛鉤著來用的。
外置的PC示波器是以一個小盒子為架構,通過USB或并口的形式連接到PC上去,這保證了所有的模擬電子信號處于PC的外部,從而避免了噪音問題。外置的PC示波器的第二個優勢是其可攜性——它們可在臺式電腦或筆記本電腦上使用。
總之,模擬示波器現在已經過時了,就像恐龍一樣。成本和性能上的優勢已確保了DSO在當今市場的領先地位,剩下的問題只是該買哪種類型了。
在不同的示波器之間進行選擇,確認一下以下的幾點:
l 先試后買——不要怕對來自不同制造商的不同示波器進行比較,如果供應商不能保證你“不滿意退錢”的承諾的話,那你就最好別跟他們打交道。
l 對于較高成本的示波器,想辦法弄個演示版來,要不僅能在示波器中顯示,并確保用你實際想測量的信號來進行演示。
l 當購買示波器時,問清楚有關升級的問題,還要查清成本之內還包含了些什么。對于PC示波器,確保軟件是否含在價格里面,還要問一下軟件升級是否需要付費。對于臺式示波器,弄清楚連接到電腦/打印機的電纜和軟件的成本——它們可能會增加多達50%的總成本。
l 檢查一下保修時間,如果你的儀器壞了不能使用,你的供應商會幫你修理儀器的同時會借另一臺給你用嗎?
還有一個簡單的挑選示波器的辦法,預算足夠的話,可直接找那些大公司,目前示波器行業最響亮的應該是泰克示波器,無論你有什么測試需求,泰克示波器幾乎都能滿足。