模拟示波器和数字存储示波器

　　电子示波器是能在屏幕上以图形方式显示、观测被测信号随时间变化的仪器。它是一种最常用的电子测量/电工测量仪器。
　　1、分类
　　按测量被测信号所使用的技术，它可分为模拟示波器、数字存储示波器(DSO)和组合示波器(混合信号示波器，MSO)等几大类。
　　1.1模拟示波器
　　一台完整的模拟示波器通常由阴极射线管CRT、Y通道、X通道和电源等几部分组成。其中CRT主要包括电子枪、荧光屏和偏转板三个部分。输入的被测信号经放大直接加在Y轴偏转板上，同时用一个与时间成正比的锯齿波电压加在X轴偏转板上，使电子枪产生的电子束在静电力的作用下产生偏转，光点就会在荧光屏上描绘出被测信号随时间变化的波形。为了显示多个被测信号，通常在Y通道中插入了通道转换器，使它们轮流加到Y偏转板上。为了保证加在X轴偏转板上的锯齿波电压每次都从被测信号上的一个确定的点开始扫描，以此稳定被显示的波形，X通道一般都设有同步触发电路。
　　1.2数字存储示波器
　　数字存储示波器(DSO)虽然也由显示器或CRT、Y通道、X通道和电源等几部分组成，但Y通道中插入了A/D转换器、D/A转换器和数字存储器等。测量过程中运用了数字信号处理技术，并在单片机的控制之下有条不紊的工作。首先按预先设定的时间间隔对被测的模拟信号采样，然后，通过A/D转换器将这些采样值转换成对应的数字量和循环存入存储器中。需要显示测量结果或分析结果时，单片机从存储器读出存入的数据，处理后以数字方式或模拟方式将它们转换成模拟波形或要求的形式显示在显示器上。因为这种示波器运用了采样量化和数字信号处理技术，由此带来了许多超越模拟示波器的优点。
　　1.3组合示波器
　　组合示波器(混合信号示波器，MSO)是将DSO和模拟示波器或逻辑分析仪或数字万用表(DMM)等两、三种仪器有机组合在同一机箱中的混合型仪器，它集成了多台仪器的功能和优点，以此满足用户的更多更高的测试要求。
Agilent的54832D、54833D、54831D、54830D、54642D、54641D、54622D、54621D示波器，Fluke的190系列万用示波表、TK的THS700A系列示波器/数字万用表等是一些典型的组合型示波器。
　　2、特性
　　与模拟示波器比，DSO使用了采样量化技术和晶振等器件，因此，具有更高的幅度测量准确度和时间测量准确度。DSO具有丰富的触发功能，能存储触发前后的相关数据；能有效地测量单次信号；能在同一时刻采集、存储多个被测量；能永久存储测得的数据，包括制作成硬拷贝；能反复再现测得的波形；能对测得的波形数据进行处理，如将测得的电压、电流相乘，求得此时刻的功率，又如对测得的数据进行统计分析，求均值、极值、数字滤波、积分、微分、作FFT运算等；DSO具有通用接口；能预先存储测试序列和在微机的控制之下进行自动测试；对测得的数据能与事先设置的参考波形或一组波形参数进行比较，如超出限定的范围，则立即声光告警或发中断信号给主机等。
　　不过，DSO的造价一般都比模拟示波器高，测量的实时性也不如它。模拟示波器的波形更新速率很高，最高超过400000次/s，它具有“无限的分辨率”，每一时刻都能显示该时刻的输入电压，而DSO在“采集-存储-再现”之间存在明显的时间延迟。因为波形亮度变化正比于信号在某一特定电平的持续时间，因此，一些信号的变化也会在模拟示波器上以这种形式表现出来。DSO缺乏这种显示效果。
　　尽管DSO还有一些地方需要改进，性价比还需进一步提高，但是，它代表了电子示波器的发展方向。据前几年的市场调查知，DSO的产销量已占了整个示波器类产品产销量的80%以上，而且，此比例还在继续增加。
　　3、选用
　　3.1类型选择
　　DSO是采样示波器，样点之间有一定的时间间隔，测量是不连续的，显示滞后实际情况，而模拟示波器对信号的测量是连续进行的，屏幕上的显示是当时正在发生的情况，而且造价低。因此，模拟示波器比较适合测量调频、调幅、视频、噪声等信号，比较适合电子产品检测、调整和维修等应用，以及基础实验仪器教育使用。
　　DSO测量精度高、功能强，具有多种触发能力和波形处理能力，能够进行自动测量等，因此，除常规波形测量外，还很适合测量单次、低重复速率信号，及在需要预触发和对信号进行分析处理等场合使用。如故障检测、电源设计调试、通信产品/电子产品生产线测试、瞬态研究测试等。
　　如果同时需要一台仪器兼有DSO和逻辑分析仪、DMM等功能特性，或需要组合后形成的新特性，则可选用组合型示波器(混合信号示波器)。
　　3.2通道数量
　　观测一个信号，可选用简易示波器；同时观测、比较两个信号，可选用双通道示波器。双通道示波器是最常用的示波器，因价格低廉，使用比较方便，已广泛使用在实验室和生产现场。如果需要观测更多模拟信号之间的相互关系，则应选用四通道示波器。
　　随着被观测系统数字成分的增加，传统的双通道示波器或四通道示波器已难以满足同时捕获足够通道数量被测信号的要求。这时，应将示波器和逻辑分析仪等组合起来使用，或者使用一台将几种仪器组合在同一台机箱内的组合示波器(如将16通道的分析仪集成在DSO中的混合信号示波器)，利用逻辑分析仪的触发能力帮助示波器采集数据，同时测量不同类型和不同速度的信号。使用Agilent 54832D MSO进行测量的一个例子见“用混合信号示波器调试PCI总线”一文。
　　3.3带宽和采样率
　　带宽是示波器垂直偏转系统所具有的通频带的宽度。对模拟示波器来说，对应能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的最高频率。示波器的带宽越宽，能测量被测信号的最高频率也越高。通常带宽应为被测信号最高频率的3倍以上；比值越高测量结果越正确，但噪声随之增加。
　　DSO也有带宽指标(重复带宽、模拟带宽)，这是与示波器的采样速率相对应的一个指标。为了正确地表示信号的频率和幅度，通常要求采样速率应为被测信号的最高频率分量的5~10倍，甚至10倍以上。对最高频率为40MHz的信号，应使用最高采样速率为200MS/s或400MS/s的示波器。
　　采样间隔是采样速率的倒数，因此，若研究的时间间隔为10ns，则应使用200MS/s的示波器。在观测瞬态特性（如测量上升时间）时，选用的采样速率应保证在它的信号边缘上采集到足够的细节信息，也就是说，必须采集到比较多的采样值。
DSO还常给出单次带宽，其含意是被测单次信号中的有效频率分量应小于此频率，否则，显示的信号会有较明显的失真。单次带宽小于等于重复带宽。
　　对模拟示波器来说，示波器的带宽与上升时间的乘积是一个为0.35~0.45的常数。带宽越宽，上升时间越小。当被测信号的上升时间与示波器的上升时间(包括探头的上升时间)的比值较大时，测量误差则较小。当此比值>5时，测量误差约为2%。
　　3.4触发能力
　　模拟示波器常以电平方式或斜率方式触发。虽能满足许多常规测量要求，但对一些特殊的测量或复杂的测量则无能为力，这时，必须使用DSO或MSO。如利用DSO的预触发功能，在故障波形发生时刻触发，观测在此之前和故障发生时的情况，以便查明导致故障的原因。DSO一般还具有很多很有用的其他触发功能。如，串行触发;用正向或负向毛刺进行触发，用一个宽度大于或小于给定值的脉冲进行触发；以通道间的特殊图形进行触发；在给定时间内，由没有任何变化的数字信号线触发等等。
　　3.5记录长度
　　记录长度指示波器中可以储存的采样点数。这是DSO特有的指标，按需要选择即可。早期的DSO的存储容量不大，只有几K、几十K；现在已发展到几百K、几M，甚至更大。而且，采用专用处理器控制进入存储器的数据流和对这些数据进行处理。
　　3.6其他
　　选用示波器时还应注意其他特性。如，探头是否与示波器相配，是否适合特定的测量任务。示波器使用起来是否方便，操作是否简单等等。