畚皇字示波器选型指南

随着数字处理电路和液晶屏的采用， 电子工程师日常使用的数字示波器现带宽为100MHz～300MHz的数字示波器适合于多种应用，从软件调试到机械控制信号及视频信号的测量等(见图2)。在不同的应用中，它们可以用于进行生产线的pass/fail判定，或是用作现场工程师随身携带的测试设备，甚至还能用在正式的设计开发工作中。

图1 低价位数字示波器

图2低价位示波器适于多种应用

新兴厂商的产品便宜10%

驱动低价位数字示波器市场的是普源精电、固纬电子等活跃在中低端领域的测试测量厂商(见表1)。与示波器行业的两大巨头——安捷伦与泰克的同类产品相比，这些新兴厂商的产品的价格要便宜10%(1万～2万日元)左右。凭借极具竞争力的价格以及不逊于传统测试测量厂商的技术实力，普源精电和固纬电子在市场上均获得了较好的销售实绩：2007年，普源精电数字示波器年出货量达到3万台，在同类产品中位居全球第二；固纬电子则在2008年售出了2万台模拟示波器和3万台数字示波器。

另外，一些在测试测量仪器领域开发经验相对较少的厂商也推出了自己的示波器产品，其中一个有名的低价品牌就是由原本主营中小尺寸液晶屏与小型电视的利利普电子(Lilliput Electronics)公司推出的OWON品牌。该公司带宽100MHz的数字示波器的售价仅为11.8万日元，比普源精电、固纬电子等测试测量厂商的产品更便宜。

基本性能大致相同

一般来说，选择数字示波器时需要考虑的参数主要有三个：带宽、采样率、存储深度。如果单从产品数据手册中列明的技术规格来比较，那么各公司的低价位数字示波器产品之间没有太大差别(见表2)。安捷伦公司电子测量本部市场营销中心市场发展经理佐藤利宏也表示：“低价位数字示波器在基本性能方面几乎没有差别。”

带宽方面，100MHz已成为低价位数字示波器的标准带宽。此外，示波器的带宽至少要达到被测信号频率的5倍。也就是说，带宽100MHz的低价位数字示波器可以测量的信号频率最大约为20MHz。

为了避免混叠现象，示波器的采样率也需要达到被测信号的10倍以上。如果示波器的带宽为100MHz，那么采样率就需要达到200MS/s。本文涉及的数字示波器产品均满足这一要求。

在调试数字信号等应用中，存储深度也是工程师必须关注的性能参数。不同示波器产品的存储深度均有所不同，如利利普电子公司OWON品牌中具有逻辑分析功能的MSO7102T可提供每通道4M点的存储深度。

所需的存储深度取决于要测量的时间。最好是根据采样率，在能够满足测量时间需求的前提下选择具有最大存储深度的产品。如泰克公司TDS2022B的捕获时间为1.25μ s，力科公司WJ312A的捕获时间可达到500μs。

波形质量存在差异

为了进一步了解产品的实际性能，此次，《日经电子》杂志社对安捷伦、泰克、力科、普源精电、固纬电子等5家公司带宽100MHz的低价位数字示波器样机进行了实际的测量比较(见表3)。

首先比较的是频率响应。示波器应该在可测量范围内具有良好的平坦频率响应。此外，示波器的带宽被定义为正弦输入信号的振幅衰减到-3dB时的频率值。因此，对于带宽100MHz的示波器来说，当频率为100MHz时，其显示信号的振幅需大于输入信号的70.7%。 [p]

图3虽然均满足要求， 但各产品仍有不同

在实际测量中，输入为振幅60mV的正弦波信号，得到了直至200MHz的频率响应特性。由于5款示波器的额定带宽均为100MHz，所以100MHz时显示信号的振幅只要大于42.4mV即符合标准。实测结果证明5款产品均满足这一需求(见图3)。其中，在1MHz～100MHz频率范围内具有最佳频率响应特性的是泰克公司的TDS2014B，而所有5款产品的频率响应在20MHz以内都具有极好的平坦性。

放大器的性能不同

仔细分析测量结果，还是可以发现产品之间的性能差异。具体来说，信号振幅衰减到-3dB时的频率(即示波器的实际带宽)是不同的。在这一点上，性能最佳的是安捷伦公司的DSO1014A，其实际带宽接近200MHz。上述差异主要是由于放大器性能的不同而造成的。在以下两种情况下进行测量时，放大器的性能将会对测量结果产生影响。

一种情况是测试带宽接近100MHz的信号。如果被测信号的频率超过20MHz(推荐频率)，那么在高频下，具有更大实际带宽的数字示波器能够显示出更加准确的波形。

第二种情况是测量矩形波等上升沿很陡的信号。示波器的实际带宽越宽，则越能准确地测量此类信号。在实际测量中，向示波器输入上升沿极陡(700ps)的矩形波，然后使用自动测量功能得到矩形波的上升时间(见图4)。安捷伦的DSO1014A显示信号上升时间为1.80ns，而GDS-1102A的结果则达到3.19ns。需要指出的是，这些测量超出了产品数据手册中标明的推荐应用范围，因此得不到正确值也是正常的。在这5款示波器的产品数据手册中，确保可测量的上升时间的最小值及典型值均为3.5ns。

图4频率特性不同，上升时间也有差异

3.5ns这个数值是根据100MHz的额定带宽推算出来的。基于高斯曲线与一阶RC滤波电路的频率响应特性，示波器的上升时间和带宽的关系式为：上升时间=0.35/带宽(Hz)。通过此次的实际测量可知，不同产品具有不同的实际带宽，所以可以测量的上升时间有可能短于数据手册中标明的额定值。

放大器的允许输入范围也有所不同。放大垂直轴，使得波形超出屏幕(被称为“过驱动”)时，很容易发现这一差异(见图5a)。例如，在开关电源等的开发过程中，研究IGBT等功率半导体的特性时，为了更好的理解器件在导通情况下的损耗，就需要采用过驱动的方法进行测量。如果放大器的允许输入范围不足，放大波形后就会导致放大器饱和或信号失真，于是无法观测到正确的波形。

图5波形的显示能力有差别

数字电路所引起的显示差异

除了放大器等模拟电路部分外，示波器的不同也体现在数字电路部分上。日本一家提供测试测量仪器租赁服务的公司表示：“不同厂商在数字示波器的内部计算方面都具有各自的专业技术，因此，各产品显示波形的准确度也有所不同。”

由于波形更新速度不足时，视频信号很难重现原有波形，因此，从视频信号的显示上很容易就能看出各款产品之间因数字电路的不同而造成的显示差异(见图5b)。

具有超高性能的模拟示波器的波形更新速度可高达100万次/秒，普通模拟示波器的波形更新速度也有数万至数十万次/秒，所以模拟示波器在显示视频信号时一般不会因为波形更新速度不足而出现问题。

数字示波器的波形更新速度则相对较慢。在显示捕获到的数据时，示波器需要通过微处理器和DSP等对数据进行处理，这个处理所需的时间即决定了示波器的波形更新速度。在数字示波器中，某些具备高速处理电路的高价位产品也可以提供数十万次/秒的波形更新速度。

但对于低价位数字示波器产品来说，很多厂商都没有在数据手册中标明产品的波形更新速度。虽然可以通过咨询厂商而得到该数值，但通常只有数十至数千次/秒，不同产品之间还存在不小的偏差(见表2)。如果利用波形更新速度仅为数百次/秒的产品来显示视频信号，通常无法完整显示出原有波形。例如，如果只是显示一张彩色图表，那么波形更新速度只需1000次/秒即可正常显示；但如果要显示模拟视频信号，就需要1万～10万次/秒的波形更新速度。

当需要利用示波器来观测电机等旋转部件中的PWM(脉宽调制)、PAW(脉幅调制)等控制波形时，波形更新速度也非常重要。此次也在100kHz～500kHz的频率范围内对5款低价位数字示波器产品进行了测试，令其显示振幅变化70%的100Hz扫描信号。结果显示，波形更新速度低于几百次/秒的产品无法跟上扫描速度。

除了视频信号和电机控制信号以外，示波器在测量传感器的输出或低速串行信号等时，也需要较高的波形更新速度。有些传感器输出数字信号，会将模拟值转化为数字信号脉冲，如果要对其进行测量，就需要1000次/秒的波形更新速度。而对于输出模拟信号的传感器来说，较低的波形更新速度即可满足需求。

测量I2C与SPI等低速串行信号时，如果要确认数据改变的时序，那么也必须选择波形更新速度为100～1000次/秒的产品。在这种情况下，虽然波形更新速度越高越好，但如果带宽仅为100MHz，那么速度再高也没有太大意义。如果想获得更详细的信息，就应该选用高价位的示波器产品。

厂商的目标应用不同

如上所述，各厂商的低价位数字示波器产品都有所不同，而且，如果像选择模拟示波器一样去选购数字示波器产品，有可能会达不到自己想要的测量效果。不过，低价位数字示波器产品的差别通常只会体现在非常规测量中，在普通应用中基本可以认为它们没有差别。

在示波器走向数字化之后，虽然大部分主要部件都可以选用通用产品，但由于各厂商的目标应用不同，因此在元器件选择、电路设计等其它方面也有差别。在极限测量情况下，波形质量也会不同。

目前的趋势是，主要生产低价位产品的新兴厂商希望能够提供更多的功能及更好的性能，而巨头厂商则希望能够对应用领域进行细分。泰克(日本)公司市场经理柴崎裕士表示：“我们提供用于观测波形的低价位示波器，其功能仅限于观测信号值(电压)、频率、周期等。如果需要进行更多分析，我们则可提供波形更新速度更快、存储深度更大的产品。”安捷伦公司的佐藤利宏也表示：“如果需要测量模拟电视信号，我们推荐波形更新速度高达10万次/秒的高端产品。”

在选择低价位数字示波器时，用户必须充分了解自己的测量需求。低价位示波器的目标应用通常可以分为两类，一类是用于在调试嵌入式软件时观测低速数字信号的波形以确认高电平/低电平时序，另一类是用于取代具有同样带宽的模拟示波器。

对于第一类应用，由于波形质量不太重要，因此只要选择带宽合适的示波器即可。此外，有些数字示波器产品是专门针对这种应用开发的，这些产品没有采用具有较高性能的部件，从而降低了整体成本。厂商还可将节约的部件成本用来扩大存储深度或增加通道，以确保测量时间。对于第二类应用，就像在过驱动测量与视频信号测量的例子中所看到的那样，不是所有产品都具有足够的性能以应对必需的测量要求。