數(shù)字示波器與數(shù)字化儀的對比分析

示波器的實(shí)質(zhì)是什么呢?的確，特性如顯示分辨率、亮度、易于使用是必須具備的，取樣速度、觸發(fā)、帶寬也是重要參考。某些數(shù)字化儀提供大部分特性，但最好表示為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或瞬態(tài)記錄儀。某些示波器并不提供所有上述特性，但它們顯然仍是示波器，雖然速度較慢或難以使用。

牛頓出版社的電信辭典把數(shù)字化儀定義為把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字表示的器件，轉(zhuǎn)換功能通常由規(guī)定的速率對模擬信號取樣來實(shí)現(xiàn)，并且每個樣本編碼成樣本幅值的數(shù)字表示。

該字典把示波器定義為能夠顯示波形和其它信息在電視那樣的陰極射線管上的器件。示波器與數(shù)字化儀有根本的差別，因?yàn)樗菧y試用的模擬儀器。波形顯示是最重要的因素。

數(shù)字化儀是嵌入式模塊，例如由VXI總線或相似測試系統(tǒng)的系統(tǒng)計(jì)算機(jī)來控制的模塊。小型數(shù)字化儀在實(shí)體上和電氣上嵌入到膝上型計(jì)算機(jī)，可提供與示波器相似的效能，但虛擬用戶界面卻沒有實(shí)際旋鈕和按鈕那樣易懂和易用。但是，數(shù)據(jù)分析和報(bào)告中在同一儀器完成，數(shù)字化的波形在數(shù)字屏上顯示。

示波器

觸發(fā)掃描的模擬示波器仍然每年售出數(shù)以萬臺計(jì)。它們的價格非常實(shí)惠和速度快速，容易觀察兩個以上輸人信號的相互關(guān)系。為了模擬示波器的使用，信號必須是接近重復(fù)性的。

如果信號完全不是重復(fù)性的，情況會變成怎么樣?或者信號變化很慢，用1秒/格耐基顯示的信號 波形只是一個慢移動的光點(diǎn)?數(shù)字存儲示波器(DSO)可以解決這兩個特殊情況。

DSO的取樣率可以比被測信號所含有的頻率高得多，無需重復(fù)出現(xiàn)就可捕捉到單次的瞬變，類似刷新陰極射線管的顯示熒光體那樣。在DSO中，數(shù)字化的數(shù)據(jù)連續(xù)從半導(dǎo)體存儲器重放，其速度由顯示器件要求的產(chǎn)生波形圖像的時間來決定。

早期的DSO通過驅(qū)動每個軸的數(shù)鎮(zhèn)轉(zhuǎn)換器把波形顯示在靜電陰級射線示波管上。許多這種儀器同樣作為普通模擬示波器使用。工程師不完全相信DSO的功能，需要轉(zhuǎn)換至模擬方式來驗(yàn)證他看到的波形是否正確。

還有更好的理由，模擬示波器可對多種信號提供優(yōu)異特性。的確，采用掃跡增強(qiáng)或彩色來增強(qiáng)DSO的顯示信息密度克服一部分缺點(diǎn)。但是，甚高的觸發(fā)率，高的垂直顯示分辨率、高的水平和亮度分辨率、甚高的瞬時響應(yīng)控制都是模擬示波器的高超特性。當(dāng)觀察調(diào)制、復(fù)雜信號時更為明顯，對DSO的數(shù)據(jù)采集、壓縮和顯示能力提出難以解決的問題。

DSO的長處是顯示低或高速信號，此時模擬示波器受到需要采用特殊陰極射線示波管的限制。模擬示波器綜合有易于使用、高的時間和幅度顯示分辨率、顯示包絡(luò)特性有重要作用的調(diào)制波形等優(yōu)勢。如果要求存檔或進(jìn)一步分析數(shù)字化信號，則DSO是唯一有效的解決方案，即使模擬示波器具有更好的波形表示。

DSO的最大改進(jìn)是增加了取樣率，保證大多數(shù)信號都具有足夠的過取樣。因而，顯示在現(xiàn)代DSO的波形通常就是輸入信號，而不是使人感興趣的但卻是完全虛假的混疊信號。當(dāng)然，信號亦變得更快，混疊還會出現(xiàn)。早期有DSO取樣率低，經(jīng)常出現(xiàn)混疊，導(dǎo)致工程師要花數(shù)小時去尋找不存在的問題。

今天的DSO采用完善的數(shù)字信號處理來平衡用戶所需的長存儲器和快速顯示刷新率，而不會產(chǎn)生空間或時間的虛假混疊信號。需要同時采用高采集率的情況下問題就更嚴(yán)重了。

信號完整性是廿世紀(jì)九十年代叫得最響亮的術(shù)語，正好符合數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)通信和元線服務(wù)的爆炸性增長?？焖儆|發(fā)電路允許DSO只捕捉非正常的信號特性，因而示波器只要處理很少的信息。由于完善的通信鏈路的誤碼率非常低，在觸發(fā)產(chǎn)生前必須檢驗(yàn)大量的信息。結(jié)果是，應(yīng)汩的采集率仍然引人注目。

許多DSO的設(shè)計(jì)需要折衷，因?yàn)槭静ㄆ魅匀皇强梢暤臏y試儀器。示波器根據(jù)定義是以顯示為重點(diǎn)，但是采集的波形數(shù)據(jù)亦可傳輸至外部器件，例如打印機(jī)或計(jì)算機(jī)。隨著更多的計(jì)算能力添加到DSO來提高其功能，示波器板上測量和分析結(jié)果亦可在數(shù)據(jù)I/O口上獲得。

示波器的誤差

信號完整性與示波器及其輸入有關(guān)。大多數(shù)DSO的增益不準(zhǔn)確度是1%至5%，這是對直流來說的。對于高頻的絕對增益很少有所規(guī)定，但是示波器的整個高斯型滾降特性保證瞬態(tài)響應(yīng)是良好的。DSO顯示的相對增益準(zhǔn)確度受前置放大器、衰減器和模傲轉(zhuǎn)換器(ADC)的影響，除非采用模擬示波器的靜電偏轉(zhuǎn)或陰極射線示波管，準(zhǔn)確度不受顯示系統(tǒng)的影響。模擬示波器由于偏轉(zhuǎn)放大器和陰極射線示波管有誤差引人，總的增益誤差達(dá)到2%至3%。

LCD屏和磁偏轉(zhuǎn)陰極射線示波管以電視的速率驅(qū)動，復(fù)合信號包括全部標(biāo)志、菜單文本、圖形和波形。因而，波形至格子的相對準(zhǔn)確度不受顯示器件線性度的影響。

格子線的絕對準(zhǔn)確度可能有誤差，但是信號會準(zhǔn)確定位在每條格子線上。相反地，模擬示波器的靜電偏轉(zhuǎn)陰極射線管的格子是腐蝕在玻璃上的，因此，任何偏轉(zhuǎn)放大器或陰極射線管的非線性都會增加總的增益誤差。

大多數(shù)民婦只有8位分辨率，少數(shù)DSO提供10或12位。例如對于生物醫(yī)學(xué)信號，由于含有未知的偏移電壓，采用10或12位系統(tǒng)的較大動態(tài)范圍是有好處的。如果復(fù)雜信號要求垂直放大以便檢驗(yàn)微細(xì)的部分，也需要更高的分辨率。

更高分辨率可由平均方式來獲得，這種方式的根據(jù)是大量無機(jī)噪聲出現(xiàn)在處理過程中，產(chǎn)生典型的均方根關(guān)系，例如采集信號16次可使信號分辨率改善4倍。

一種更可靠的辦法是加入定量的特別加權(quán)噪聲來擾動ADC輸入。在每次取樣過程中，ADC輸入從實(shí)際輸入信號值偏移一點(diǎn)點(diǎn)，擾動的偏移量、方向和分布是預(yù)置的，以便保證擾動過程的平均高分辨率數(shù)據(jù)不會產(chǎn)生頻譜失真。

帶來的問題是擾動使ADC的峰一峰值范圍降低，其幅值與擾動信號值相等。因?yàn)榉直媛实母纳瞥潭扰c擾動信號和求平均的樣本數(shù)成正比，所以能夠?qū)崿F(xiàn)的改進(jìn)有一定限制。

數(shù)字化儀

數(shù)字化儀的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可發(fā)現(xiàn)趨勢、異常、參數(shù)分布、以及最大最小值。數(shù)字化儀的設(shè)計(jì)著重信號的可信度、數(shù)據(jù)傳輸率或通道數(shù)，對某些應(yīng)用會特別適用。數(shù)字化儀設(shè)有顯示部分。

示波器與數(shù)字化儀的用途是不同的，示波器是最有用的尋找故障工具，通常用于研發(fā)環(huán)境。利用示波器可觀察實(shí)時信號和確定被測器件的性能表現(xiàn)。波形數(shù)字化儀在問題已經(jīng)知曉和需要更多的特殊信息時起更大的作用。