数字具备两项基本功能:信号采集与信号分析。在采集信号样本过程中,采集到的信号会保存在存储器中;而在信号分析时,示波器会分析采集到的波形并将其输出到显示器。目前市面上有各种各样的数字示波器,而这里所介绍的都是当今常见的示波器类型。
1、数字采样示波器
数字采样示波器在对信号进行垂直设置之前对信号进行采样。它具备非常宽的带宽,缺点是动态范围有限,一般测量信号的峰-峰值最大约1V。与其它某些类型的数字示波器不同,数字采样示波器可以捕捉到信号中远高于仪器采样率的频率分量。相比于其他类型的示波器,它能够测量速度更快的重复周期信号。因此,数字采样示波器可胜任超高带宽的应用测量,比如光纤传输测量,此类示波器成本也较高。
2、实时采样示波器
当信号的频率范围小于示波器最大采样频率的一半时,实时采样便具有明显的优势。该技术让仪器可以在单次扫描中获取大量样本点,提供高度精确的显示。这是目前能够捕捉比较快速单次瞬态信号的唯一方法。
通常包含数字逻辑信号,以及受时钟控制或者不受时钟控制的并行总线和串行总线,以及标准化或者专用的传输码型。
所有这些信号都必须经过分析,这往往要求使用复杂的测试装置和多种仪器。并且通常还必须同时显示模拟信号和数字信号。为此,现在的许多示波器都具备特定的选件,将数字示波器升级为具有逻辑分析功能的混合工具。这对于数字电路的快速调试来说非常重要,因为它具备数字触发功能、高分辨率、采集及分析功能。
3、混合信号示波器
混合信号示波器扩展了数字示波器的功能,包含有逻辑和协议分析能力,简化了试验平台并能实现单一仪器的模拟波形、数字信号和协议分析的同步可视化。硬件开发者可以利用混合信号示波器来分析信号的完整性,而软件开发者可以利用它们来分析信号内容。
典型的混合信号示波器具有两个或者四个模拟通道,以及更多的数字通道。模拟通道和数字通道要求实现同步,使得它们可以在时间上相关并在同一台仪器上进行分析。
4、混合域示波器
顾名思义,混合域示波器可以显示数字域、模拟域和射频域的波形数据,并建立它们之间的相关性,各个域均会以不同的方式显示信号。这一点在许多测量应用中是很有用的。比如,如果用户在评估一个嵌入式(板级)信号处理系统的时候需要查看跨越子系统的模拟、数字和高频信号,那么混合域示波器便可以满足要求。
示波器是经典较为通用的做时域波形测试的仪器,有时候也可以用来测量电流或光信号等,但是需要通过相应的探头或者转换器转换成电压信号来进行测量。
示波器从字面意思可以理解为显示波形的仪器,那么波形到底是什么呢?其主要分为两种:时域和频域波的波形。对于示波器来说,其显示的波形是随电压随时间的变化波形。在产品的屏幕上,横轴表示的是时间,纵轴则是被测信号电压,示波器上的波形反映的就是被测信号电压随时间变化的轨迹。
示波器上显示的时域波形
示波器可以显示被测点电压信号的变化,而分析了解被测件各个节点电压的变化情况是电子行业基本的需求,因此示波器广泛应用于电子,通信,计算机,医疗,汽车,航天等各个行业中。也正因为这个原因,示波器是较为通用,也是全球销售额较大的测量仪器,每年示波器的销售额都超过10亿美金。
示波器按其次实现原理主要分为模拟示波器和数字示波器,按其采样方式分类实时示波器和采样示波器,有些示波器厂商出于市场宣传货突出某种特点的目的给示波器起了了不起的名称,或增加了一些额外的测量模块,但在大的基本结构上都没有脱离以上的基本分类。
1、模拟示波器
出现于20世纪40年代,是较早出现的一款示波器,这款示波器采用是阴极射线管的显示屏,而且宽带也只有几MHz,下图为结构框图:
模拟示波器的触发一般都比较简单,通常就是边沿触发。在设置好相应的边沿触发条件后,一旦被测信号的有效边沿来,示波器内部就开始产生锯齿波控制水平方向的扫描,这样在示波器屏幕上每次看到的波形都是被测信号触发点以后的波形。如果被测的信号是周期性的,例如是时钟信号,在示波器上就可以看到稳定的信号波形。
2、数字示波器
这款示波器出现要稍晚一些,20世纪80年代,在宽带,触发以及分析能力方面全面超越了模拟示波器。
数字示波器与模拟示波器最大的区别就是输入信号,数字示波器是通过高速芯片对输入信号进行采样和数字化,并把数字化样点保存到缓存中,然后通过信号处理电路把缓存里的数据读出出来,通过DAC芯片把相应的数字转换成模拟量,并显示在CRT显示屏上。
早起数字示波器结构图
数字示波器可以在多条通道中显示高速重复的信号以及单次信号,还可以通过触发来捕获难以捕获的毛刺和瞬态事件。因此,选择一款合适的示波器至关重要。除了要符合工作方式和工作地点之外,还有一些虽然是老生长谈但仍需注意的参数,今天我们就一起来看一看。
一、带宽
带宽是示波器最核心的参数,也是档次级的一个参数。
入门级的示波器通常带宽是100Mhz,它们可以准确地测量20MHz以内的正弦波信号幅度。而对于数字信号来说,示波器必须至少能够捕获五次谐波才能避免画面失真,那么也要求整个测量系统的带宽是信号最大模拟带宽的5倍,这就是我们常说的5倍法则了。选择合适的带宽只需要对日常测量信号的最高频率有所把控即可。
二、通道数
主要是一个成本问题,因为通道数增加势必成本会提升。选择几个通道的示波器要视具体情况而定。
三、波形刷新率
由于示波器先存储后处理的原理,导致了波形观测不可避免存在死区时间。因此,不同波形刷新率的示波器能够捕获低概率异常信号的能力就大有不同。
四、存储深度
通用示波器的采样率都是带宽的5倍,比如200MHz带宽的示波器一般的采样率都是1G(此时更高的采样率并不能带来较大提升),因此这个参数并没有给用户太多的选择。而相反这样高的采样率,势必会对存储深度这个参数有所要求,1G的采样率,即使只看5ms波形,也要求有5M的存储深度,否则示波器的采样率就会下降。
只要这四点定了之后,示波器就波形观测而言不会有太大的问题了,毕竟基本的功能各家示波器都是大同小异。当然针对特定的功能,选择起来肯定还有更深的东西,比如您需要示波器有数字滤波的功能,又或者在调试的过程中有一些很难抓的信号等等。
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