選擇數(shù)字化儀/示波器需要考慮的10個(gè)方面

1. 帶寬

帶寬描述的是輸入信號(hào)能夠以最小幅值損失通過(guò)模擬前端的頻率范圍——從探針的針頭或測(cè)試夾具到ADC的輸入端。帶寬通常規(guī)定為正弦輸入信號(hào)衰減到其原始幅度的70.7％時(shí)的頻率，該頻率也稱為-3dB點(diǎn)。

在一般情況下，建議數(shù)字化儀的帶寬應(yīng)至少是信號(hào)最高頻率分量的兩倍。

示波器和數(shù)字化儀通常用于測(cè)量諸如數(shù)字脈沖或其它具有尖銳邊緣的信號(hào)的上升時(shí)間。這些信號(hào)由高頻分量組成。為了捕捉信號(hào)的真實(shí)形狀，我們需要使用高帶寬的數(shù)字化儀。例如，一個(gè)10 MHz的方波是由一個(gè)10MHz的正弦波及無(wú)窮多的諧波組成。為了捕捉這個(gè)信號(hào)的真實(shí)形狀，數(shù)字化儀的帶寬必須足夠大才能捕捉其中一些諧波。否則，信號(hào)會(huì)失真，導(dǎo)致測(cè)量不正確。

一般來(lái)說(shuō)，可以使用下面的公式來(lái)根據(jù)上升時(shí)間（定義為從信號(hào)幅度的10％上升至90％的過(guò)渡時(shí)間）計(jì)算出信號(hào)的帶寬。

理想情況下，數(shù)字化儀的帶寬應(yīng)為根據(jù)上述公式計(jì)算的信號(hào)帶寬的三到五倍。換句話說(shuō)，數(shù)字化儀的上升時(shí)間應(yīng)該是信號(hào)上升時(shí)間的1/5至1/3，從而以最小的誤差采集信號(hào)。您可以通過(guò)以下公式來(lái)推算出信號(hào)的實(shí)際帶寬：

2. 采樣速率

在上一節(jié)中，我們介紹了數(shù)字化儀或示波器的最重要指標(biāo)之一¬——帶寬。然而，如果采樣率不夠高的話，高帶寬的性能就會(huì)大打折扣。

帶寬描述的是正弦波能夠以最小衰減進(jìn)行數(shù)字化的最高頻率，而采樣率就僅僅是數(shù)字化儀或示波器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將輸入信號(hào)數(shù)字化的時(shí)鐘速率。請(qǐng)記住，采樣率和帶寬沒(méi)有直接的關(guān)系。然而，通常情況下我們希望這兩個(gè)重要指標(biāo)之間具有這樣一個(gè)關(guān)系：

數(shù)字化儀的實(shí)時(shí)采樣率=3?4倍數(shù)字化儀的帶寬

奈奎斯特定理指出，為了避免混疊，數(shù)字化儀的采樣率至少需要為被測(cè)信號(hào)中最高頻率分量的兩倍。然而，采樣速率剛好等于最高頻率分量的兩倍并不足以準(zhǔn)確地再現(xiàn)時(shí)域信號(hào)。為了準(zhǔn)確地?cái)?shù)字化輸入信號(hào)，數(shù)字化儀的實(shí)時(shí)采樣率應(yīng)至少為數(shù)字化儀帶寬的三到四倍。下面的圖可以幫助您理解其中的原因。觀察下面的圖，想想您希望在示波器上看到什么樣的數(shù)字化信號(hào)。

雖然這兩種情況下通過(guò)前端模擬電路的實(shí)際信號(hào)是相同的，但是左側(cè)的圖像處于欠采樣狀態(tài)，即數(shù)字化的信號(hào)失真了。另一方面，右側(cè)的圖像具有足夠的取樣點(diǎn)，能夠精確地重建信號(hào)，從而使測(cè)量更精確。由于清晰地表示信號(hào)對(duì)于時(shí)間域應(yīng)用，如上升時(shí)間、過(guò)沖或其它脈沖測(cè)量來(lái)說(shuō)非常重要，因此具有更高采樣速率的數(shù)字化儀無(wú)疑是這些應(yīng)用的不二之選。

3. 采樣模式

采樣模式主要有兩種——實(shí)時(shí)采樣和等效時(shí)間采樣（ETS）。

上一節(jié)討論的就是實(shí)時(shí)采樣率，它描述了ADC的時(shí)鐘速率，規(guī)定了單次采集輸入信號(hào)的最大速率。另一方面，等效時(shí)間采樣就是基于一系列在單次模式下采集的觸發(fā)波形來(lái)重建信號(hào)的一種方法。 ETS的優(yōu)勢(shì)是它提供了較高的有效采樣率。但是，它的缺點(diǎn)是需要較長(zhǎng)的時(shí)間，并且只適用于重復(fù)信號(hào)。請(qǐng)注意，ETS并不會(huì)增加數(shù)字化的模擬帶寬，僅適用于當(dāng)您需要以更高的采樣率重構(gòu)信號(hào)的情況。 ETS常見(jiàn)的一種實(shí)現(xiàn)是隨機(jī)交錯(cuò)采樣（RIS），下表中列出的大多數(shù)NI數(shù)字化儀均具有該功能。

4. 分辨率和動(dòng)態(tài)范圍

如上所述，數(shù)字示波器和數(shù)字化儀都通過(guò)ADC將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。ADC返回的比特?cái)?shù)就是數(shù)字化儀的分辨率。對(duì)于任意給定的輸入范圍，以數(shù)字方式表示信號(hào)的可能離散電平點(diǎn)數(shù)為2b，其中b是數(shù)字化儀的分辨率。當(dāng)輸入范圍分成2b級(jí)時(shí)，數(shù)字化儀可檢測(cè)的最小可能電壓就表示為（輸入范圍/2b ）。例如，一個(gè)8位數(shù)字化儀把10 Vpp的輸入范圍分為28=256級(jí)，每級(jí)39毫伏，而24位的數(shù)字化儀則將相同的10 Vpp輸入范圍分為224 = 16,777,216級(jí)，每級(jí)596 nV（比8位數(shù)字化儀約小65,000倍）。

使用高分辨率數(shù)字化儀的其中一個(gè)原因是測(cè)量小信號(hào)。有人會(huì)問(wèn)，為什么不直接使用較低分辨率的儀器和較小的電壓范圍來(lái)“放大”信號(hào)，從而測(cè)量小電壓？原因在于，許多信號(hào)同時(shí)具有小信號(hào)和大信號(hào)分量。使用較大的輸入范圍可以測(cè)量大信號(hào)，但此時(shí)小信號(hào)將會(huì)變成大信號(hào)的噪聲。另一方面，如果使用很小的電壓范圍內(nèi)，那么就會(huì)使大信號(hào)削波，導(dǎo)致測(cè)量失真和無(wú)效。因此，對(duì)于涉及動(dòng)態(tài)信號(hào)（同時(shí)具有大小電壓分量的信號(hào)）的應(yīng)用，就需要使用具有寬動(dòng)態(tài)范圍（數(shù)字化儀在大信號(hào)存在的情況下測(cè)量小信號(hào)的能力）的高分辨率儀器。

傳統(tǒng)示波器通常使用具有8位分辨率的ADC，這對(duì)于涉及頻譜分析或動(dòng)態(tài)信號(hào)（如調(diào)制波形）的應(yīng)用是不夠的。一個(gè)更高性能的示波器將有助于許多應(yīng)用順利實(shí)現(xiàn)。

5. 觸發(fā)

通常情況下，示波器和數(shù)字化儀用于基于特定事件的信號(hào)采集。儀器的觸發(fā)功能可允許您隔離該事件，并在事件發(fā)生前后捕獲信號(hào)。大多數(shù)數(shù)字化儀和示波器包括模擬邊沿、數(shù)字和軟件觸發(fā)。其他觸發(fā)選項(xiàng)包括窗、滯后和視頻觸發(fā)。

高端數(shù)字化儀具有很短的觸發(fā)間重置時(shí)間，從而可實(shí)現(xiàn)多記錄采集模式，在該模式下，數(shù)字化儀在獲得給定的觸發(fā)信號(hào)后開(kāi)始采集一定點(diǎn)數(shù)的數(shù)據(jù)，然后快速重置，并等待下一個(gè)觸發(fā)?？焖僦刂锰匦源_保了數(shù)字化儀不會(huì)錯(cuò)過(guò)任何事件或觸發(fā)。多記錄模式對(duì)于捕獲和存儲(chǔ)僅我們需要的那部分?jǐn)?shù)據(jù)非常有用，這樣可以優(yōu)化板載內(nèi)存的利用并限制PC總線的活動(dòng)。

6. 板載內(nèi)存

很多時(shí)候，數(shù)據(jù)是通過(guò)數(shù)字化儀或示波器傳送到PC進(jìn)行測(cè)量和分析。盡管這些儀器能夠以其最大速率（通常在幾GS/s范圍內(nèi)）進(jìn)行采樣，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C的速率卻受到PCI、LAN、GPIB等連接總線的帶寬的限制。雖然目前這些總線都無(wú)法提供GS/s級(jí)的速率，但隨著PCI Express和PXI Express實(shí)現(xiàn)了GB/ s級(jí)的數(shù)據(jù)速率，這已經(jīng)不是一個(gè)問(wèn)題了。

如果接口總線無(wú)法以與采樣率相同的速率持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，那么板載內(nèi)存可以使儀器以最大的速率采集信號(hào)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC進(jìn)行處理。

容量大的內(nèi)存不僅可以增長(zhǎng)采集時(shí)間，還提供了頻域方面的優(yōu)勢(shì)。最常見(jiàn)的頻域測(cè)量是快速傅立葉變換(FFT)，用于顯示信號(hào)的頻率分量。如果FFT具有更高的頻率分辨率，就可以輕松地檢測(cè)到離散頻率。

根據(jù)上面的公式，有兩種方法可以優(yōu)化頻率分辨率——降低采樣率或增加FFT的點(diǎn)數(shù)。降低采樣率通常不是理想的解決方案，因?yàn)檫@意味著頻率范圍也會(huì)隨之減小。在這種情況下，唯一的解決辦法就是增加FFT的采樣點(diǎn)數(shù)，這需要更大容量的板載內(nèi)存。

7. 通道密度

購(gòu)買示波器或數(shù)字化儀時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素是儀器的通道數(shù)或者通過(guò)同步多臺(tái)儀器來(lái)擴(kuò)展通道的能力。大多數(shù)示波器具有兩到四個(gè)通道，每個(gè)通道以一定的速率同時(shí)采樣。在使用數(shù)字化儀的所有通道時(shí)，需要注意哪些因素會(huì)對(duì)采樣率產(chǎn)生影響。這是由于一種稱為時(shí)間交錯(cuò)采樣的常用技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)將多個(gè)通道交錯(cuò)來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的采樣率。如果數(shù)字化儀或示波器使用這種方法，而您正在使用所有通道，則您可能無(wú)法獲得最大采集速率。

所需的通道數(shù)完全取決于您的具體應(yīng)用。通常情況下，傳統(tǒng)的兩到四個(gè)通道可能不能夠滿足特定應(yīng)用的需求，在這種情況下，您有兩種選擇。第一種是使用更高通道密度的儀器，如8通道（同步）NI PXI-510512位60 MS / s 60 MHz數(shù)字化儀。如果您無(wú)法找到符合您分辨率、速度和帶寬要求的儀器，這時(shí)您應(yīng)該考慮采用一個(gè)可以讓您通過(guò)緊密同步來(lái)擴(kuò)展測(cè)試系統(tǒng)并允許觸發(fā)器和時(shí)鐘共享的平臺(tái)。雖然由于高延遲、有限的吞吐量和需要外部電纜連接，要通過(guò)GPIB或LAN來(lái)同步多個(gè)臺(tái)式儀器幾乎是不可能的，但是PXI卻提供了一個(gè)出色的解決方案。 PXI是一個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可將一流的同步技術(shù)添加到當(dāng)前較高速率的總線上，如PCI和PCI Express。

多臺(tái)設(shè)備的同步是許多應(yīng)用的關(guān)鍵需求，這往往會(huì)增加軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。但是基于同步和存儲(chǔ)核心（SMC）架構(gòu)的NI數(shù)字化儀可以利用NI-TClk技術(shù)幫助工程師以最少的精力實(shí)現(xiàn)精確的同步。 NI-TClk提供了用于多個(gè)NI數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/ O設(shè)備同步編程的高層接口。此外，此類數(shù)字化儀還提供了各種預(yù)先編寫(xiě)的實(shí)例，用于執(zhí)行這一類型的同步，幫助您更輕松進(jìn)行開(kāi)發(fā)。以下是在LabVIEW環(huán)境中編程多個(gè)PXI數(shù)字化儀以實(shí)現(xiàn)均相同步所需的三個(gè)函數(shù)（niTClk Configure for Homogeneous Triggers、niTClk Synchronize和niTClk Initiate）：

8. 多儀器同步

幾乎所有的自動(dòng)化測(cè)試和許多臺(tái)式應(yīng)用都會(huì)需要使用多種類型的儀器，如示波器、信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字波形分析儀、數(shù)字波形發(fā)生器和開(kāi)關(guān)。

PXI和NI模塊化儀器固有的定時(shí)和同步功能可讓您無(wú)需外部電纜即可同步所有這些類型的儀器。例如，您可以集成數(shù)字化儀 (如NI PXI-5122)和任意波形發(fā)生器(如NI PXI-5421)來(lái)執(zhí)行參數(shù)掃描，這對(duì)于表征待測(cè)設(shè)備的頻率和相位響應(yīng)非常有用。整個(gè)掃描可以自動(dòng)化進(jìn)行，從而避免了對(duì)示波器和信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置以及隨后的離線分析。使用PXI模塊化方法可大幅加快您的開(kāi)發(fā)速度，并可讓您專注于結(jié)果，而不是獲得這些結(jié)果所需的繁瑣步驟，進(jìn)而提高您的工作效率。

9. 信號(hào)混合功能

T-CLK技術(shù)可使您在單個(gè)PXI機(jī)箱內(nèi)創(chuàng)建高達(dá)136個(gè)同步通道的系統(tǒng)或者使用多個(gè)機(jī)箱實(shí)現(xiàn)多達(dá)5000個(gè)通道（如上一節(jié)所述）。舉例來(lái)說(shuō)，NI數(shù)字化儀可以通過(guò)T-CLK技術(shù)與信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字波形發(fā)生器和數(shù)字波形分析儀同步來(lái)構(gòu)建混合信號(hào)系統(tǒng)同步。

您還可以使用具有任意波形發(fā)生器和數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀的模塊化PXI數(shù)字化儀來(lái)構(gòu)建一個(gè)完整的混合信號(hào)應(yīng)用，同時(shí)使用示波器和邏輯分析儀的功能，而不僅僅是實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有有限數(shù)字功能的混合信號(hào)示波器。

10. 軟件、分析功能和自定義化

在選擇您應(yīng)用所需的模塊化數(shù)字化儀或獨(dú)立式示波器時(shí)，確定相應(yīng)的軟件和分析功能是非常重要的，這個(gè)因素可幫助您在兩臺(tái)儀器之間做出選擇。

獨(dú)立式示波器的功能由廠商定義，而數(shù)字化儀則是由用戶定義，可幫助用戶靈活地滿足應(yīng)用需求。臺(tái)式示波器提供了許多工程師通常需要的標(biāo)準(zhǔn)功能。但您可以想像，這些標(biāo)準(zhǔn)功能并也不能解決所有應(yīng)用，特別是自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用。如果您需要定義示波器的測(cè)量功能，可以選擇模塊化數(shù)字化儀，而不是一個(gè)具有固定功能的獨(dú)立式示波器，模塊化數(shù)字化儀既可幫助您利用PC架構(gòu)，而且還可允許您根據(jù)具體需求定制應(yīng)用程序。

NI數(shù)字化儀可使用免費(fèi)的NI-SCOPE驅(qū)動(dòng)軟件完全編程。該驅(qū)動(dòng)程序包含了50多個(gè)預(yù)先寫(xiě)好的范例程序，重點(diǎn)展示了NI數(shù)字化儀的全部功能，內(nèi)含的NI-SCOPE軟件前面板提供了類似于示波器的熟悉界面。同一個(gè)硬件可以使用NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic和.NET等編程語(yǔ)言針對(duì)各種應(yīng)用進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)測(cè)量和自定義測(cè)量。該驅(qū)動(dòng)程序還可在LabVIEW環(huán)境內(nèi)支持基于快速配置的函數(shù)。

11. 下一步

雖然模塊化數(shù)字化儀和獨(dú)立式示波器都可用于采集電壓信號(hào)，但這兩種儀器具有各自的優(yōu)勢(shì)。然而，上述討論的因素對(duì)于購(gòu)買合適的儀器至關(guān)重要。事先考慮好應(yīng)用需求、成本限制、性能和未來(lái)擴(kuò)展性可以幫助您選擇最符合您所有需求的儀器。