數字示波器

數字示波器，英文：Digital Oscilloscope

數字示波器是設計、製造和維修電子設備不可或缺的工具。隨著科技及市場需求的快速發展，工程師們需要最好的工具，迅速準確地解決面臨的測量挑戰。作為工程師的眼睛，數字示波器在迎接當前棘手的測量挑戰中至關重要。

數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等獨特優點，其使用日益普及。由於數字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。

數字存儲示波器DSO，Digital Storage Oscilloscope：將信號數字化后再建波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速信號，以及不同時間不同地點觀測到的信號。

數字熒光示波器DPO，Digital Phosphor Oscilloscope：通過多層次輝度或彩色可顯示長時間內信號的變化情況。

混合信號示波器MSO，Mixed Signal Oscilloscope：把數字示波器對信號細節的分析能力和邏輯分析儀多通道定時測量能力組合在一起，可用於分析數模混合信號交互影響。

帶寬

帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重複信號採用順序採樣或隨機採樣技術所能達到的最高帶寬為示波器的數字實時帶寬，數字實時帶寬與最高數字化頻率和波形重建技術因子K相關（數字實時帶寬=最高數字化速率/K），一般並不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重複周期信號的測量，而數字實時帶寬則同時適合重複信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數字實時帶寬是要低於這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低於模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數字示波器的數字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

帶寬選擇實例：

已知條件：示波器主機1GHz，探頭配置1.5GHz，被測信號200MHz（上升時間500ps）。

示波器上升時間=0.35/1GHz=350ps

探頭上升時間=0.35/1.5GHz=233ps

整個測量系統上升時間=√￣350²+233²=420ps=420ps

整個測量系統實際帶寬=0.35/420=833MHz

實測信號所得上升時間=√￣420²+500=653ps

實際測量誤差=(653–500)/500=30.6%

採樣速率

採樣速率是數字示波器的一項重要指標，採樣速率也稱為數字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入信號的採樣次數，常以MS/s表示。如果採樣速率不夠，容易出現混迭現象。

如果示波器的輸入信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎麼回事呢？這是因為示波器的採樣速率太慢，產生了混迭現象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低於信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸髮指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩定。那麼，對於一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經發生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來，也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理，採樣速率至少高於信號高頻成分的2倍才不會發生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的採樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生：

1.調整掃速；

2.採用自動設置（Autoset）；

3.試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

4.如果示波器有Insta Vu採集方式，可以選用，因為這種方式採集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似於用模擬示波器顯示的波形。

採樣速率與t/div的關係：每台數字示波器的最大採樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，採樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div)N為每格採樣點

當採樣點數N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，採樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與採樣速率的數據：

綜上所述，使用數字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置於掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置於主掃速較慢的位置。

存儲深度

存儲深度是同樣是比較重要的技術指標，數字示波器所能存儲的採樣點多少的量度。如果需要不間斷的捕捉一個脈衝串，則要求示波器有足夠的內存以便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以精確重現信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，也稱記錄長度。並不是有些國內二流廠商對外宣稱的“存儲深度是指波形錄製時所能錄製的波形最長記錄“，這樣的偷換概念，完全向相反方向引導人們的理解，難怪乎其技術指標高達”1042K“的記錄長度。這就是為什麼他們不說存儲深度是在高速採樣下，一次實時採集波形所能存儲的波形點數。把經過A/D數字化后的八位二進位波形信息存儲到示波器的高速CMOS內存中，就是示波器的存儲，這個過程是“寫過程”。內存的容量（存儲深度）是很重要的。對於DSO(數字示波器)，其最大存儲深度是一定的，但是在實際測試中所使用的存儲長度卻是可變的。

在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短，他們之間是一個反比關係。同時採樣率跟時基（timebase）是一個聯動的關係，也就是調節時基檔位越小採樣率越高。存儲速度等效於採樣率，存儲時間等效於採樣時間，採樣時間由示波器的顯示窗口所代表的時間決定，所以；存儲深度=採樣率×採樣時間（距離=速度×時間）由於DSO的水平刻度分為12格，每格的所代表的時間長度即為時基（timebase）,單位是s/div,所以採樣時間=timebase×12。

由存儲關係式知道：提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的採樣率，當要測量較長時間的波形時，由於存儲深度是固定的，所以只能降低採樣率來達到，但這樣勢必造成波形質量的下降；如果增大存儲深度，則可以以更高的採樣率來測量，以獲取不失真的波形。比如，當時基選擇10us/div文件位時，整個示波器窗口的採樣時間是10us/div*12格=120us，在1Mpts的存儲深度下，當前的實際採樣率為：1M÷120us︽8.3GS/s，如果存儲深度只有250K，那當前的實際採樣率就只要2.0GS/s了！存儲深度決定了實際採樣率的大小，一句話，存儲深度決定了DSO同時分析高頻和低頻現象的能力，包括低速信號的高頻雜訊和高速信號的低頻調製。

上升時間

在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由於數字示波器測量方法的原因，以致於自動測量出的上升時間不僅與採樣點的位置相關。另外，上升時間還與掃速有關。

檢定系統

隨著電子技術的發展，數字示波器憑藉數字技術和軟體大大擴展了工作能力，早期產品的取樣率低、存在較大死區時間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善，以前難以觀察的調製信號、通訊眼圖、視頻信號等複合信號越來越容易觀察。數字示波器可以對數據進行運算和分析，特別適合於捕獲複雜動態信號中產生的全部細節和異常現象，因而在科學研究、工業生產中得到了廣泛的應用。為了讓示波器工作在合格的狀態，對示波器定期、快速、全面的檢定，保證其量值溯源，是擺在測試工程師面前的一項緊迫任務。

手工檢定效率低，容易出錯，對每一種示波器的檢定需要測試工程師翻閱大量的資料；自動測試系統具有準確快速地測量參數、直觀地顯示測試結果、自動存儲測試數據等特性，是傳統的手工測試無法達到的。用自動測試系統實現對示波器的程式控制檢定將會是儀器檢定的趨勢。

GPIB、VXI、PXI是自動測試系統標準匯流排，GPIB以性能穩定、操作方便、價格低廉贏得用戶的認可。這裡選用了GPIB作為測試系統的匯流排。

數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等獨特優點，其使用日益普及。由於數字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。

區分模擬帶寬和數字實時帶寬

帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重複信號採用順序採樣或隨機採樣技術所能達到的最高帶寬為示波器的數字實時帶寬，數字實時帶寬與最高數字化頻率和波形重建技術因子K相關（數字實時帶寬=最高數字化速率/K），一般並不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重複周期信號的測量，而數字實時帶寬則同時適合重複信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數字實時帶寬是要低於這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低於模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數字示波器的數字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

有關採樣速率

採樣速率也稱為數字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入信號的採樣次數，常以MS/s表示。採樣速率是數字示波器的一項重要指標。

1.如果採樣速率不夠，容易出現混迭現象

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎麼回事呢？這是因為示波器的採樣速率太慢，產生了混迭現象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低於信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸髮指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩定。混迭的產生如圖1所示。那麼，對於一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經發生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來，也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理，採樣速率至少高於信號高頻成分的2倍才不會發生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的採樣速率。

有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生：

·調整掃速；

·採用自動設置（Autoset）；

·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

·如果示波器有InstaVu採集方式，可以選用，因為這種方式採集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似於用模擬示波器顯示的波形。

2.採樣速率與t/div的關係

每台數字示波器的最大採樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，採樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div)N為每格採樣點

當採樣點數N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，採樣速率越低。

綜上所述，使用數字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置於掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置於主掃速較慢的位置。

數字示波器的上升時間

在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由於數字示波器測量方法的原因，以致於自動測量出的上升時間不僅與採樣點的位置相關。

雖然波形的上升時間是一個定值，而用數字示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關，而數字示波器的上升時間不僅與掃速有關，還與採樣點的位置有關，使用數字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據測出的時間來反推出信號的上升時間。

基於GPIB的數字示波器自動檢定系統的硬體由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數字示波器和PC機以及印表機等外圍設備組成。

GPIB是惠普公司於20世紀60年代末、70年代初開發的實用儀器介面系統。由於對測試儀器的控制很方便，並且具有較高的傳輸速度（1Mbps）,GPIB於1975年被定為IEEE488標準，1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB匯流排是數字化的24腳并行匯流排，有8根線是地線和屏蔽線，另外16根線是TTL電平信號傳輸線，包括8根數據線、5根介面管理線和3根數據傳輸控制線。GPIB使用8位并行、位元組串列、非同步通訊方式，所有位元組通過匯流排順序傳送。

GPIB系統設備有控者、講者和聽者三種屬性。實際設備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者，它可以通過定址指定連接到匯流排上具有講者屬性的器件成為講者和具有聽者屬性的器件作為聽者，包括指定它自己。講者能通過匯流排向其他器件發送數據。聽者能從匯流排上接收講者發送的數據。一般來說在GPIB系統中計算機是控者，具有講、聽、控三種屬性。為避免匯流排衝突，IEEE488規定一次只能有一個講者，但可以同時有幾個聽者。由於GPIB系統中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線消息能夠雙向、非同步、可靠地傳輸，GPIB母線中設置了三條握手線，分別為數據有效線、未準備好接收線和未收到數據線。

在本系統中採用的GPIB控制器是貝卡科技公司開發的BC-1401-2型USB-GPIB介面控制器，它帶有USB介面，把USB匯流排轉換成GPIB匯流排，操作GPIB儀器。其特點是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國際標準，支持PCI、USB、Ethernet工業標準；數據傳輸率為900kbps,適合PC機與儀器之間的高速數據傳輸；提供了一套I/O GPIB操作函數庫，其函數與ISA匯流排的ES1400系列介面控制器相同；提供了一套符合VPP規範的虛擬儀器軟體架構VISA(Virtual Instrument Software Architecture)函數庫，實現了凡是採用VISA函數開發的應用程序，在更換不同廠家的不同型號的GPIB介面控制器時，應用程序不需要作任何修改；該介面控制器可以用C/C++、VC++、VB、LabView、LabWindows/CVI、HP-VEE、Delphi等多種語言編製測試程序，方便而靈活。

PC作為系統的“主控者”，通過發布命令給GPIB介面控制器實現對FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個方面的內容：儀器的初始化、複位、儀器參數設置；命令FLUKE5500A產生標準信號，同時被檢示波器顯示；讀取/保存儀器數據並傳給PC等。

軟體是本數字示波器自動檢定系統的核心，軟硬體能否穩定、協調地工作是系統能夠對數字示波器快速、可靠檢定的基礎。本系統採用性能穩定的Windows2003 Server操作系統、SQL Sever2005(開發版)資料庫以及Visual. NET2005作為開發平台，以C/C++作為編程語言，同時在驅動程序方面選用NI公司的Lab Windows/CVI7.0做部分程序的驅動開發。同時採用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅動配置程序。

VISA是VXI plug&play聯盟制定的I/O介面軟體標準。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同介面標準的儀器能相互兼容、可以通訊和進行數據交換。其顯著特點是：VISA是採用了先進的面向對象編程思想來實現的；它是當前所有儀器介面類型功能函數的超集成，而且十分簡潔，只有90多個函數；VISA作為標準函數，與儀器的I/O介面類型無關，方便程序移植。對於驅動程序、應用程序開發者而言，VISA庫函數是一套可以方便調用的函數，可以控制各種設備如GPIB、VXI、PXI等。

IVI（Interchangeable Virtual Instrument）是IVI基金會為了進一步提高儀器驅動程序的可執行性能，達到真正意義上的儀器互換，實現應用程序完全獨立於硬體而推出的儀器驅動程序編程介面。IVI系統由IVI類驅動程序、具體驅動程序、IVI引擎、IVI配置實用程序、IVI配置信息文件五部分組成。類驅動程序實現了上層統一功能的封裝，面對的是操作者，而具體驅動程序完成與具體儀器的通信。測試程序是調用類驅動程序，用類驅動程序調用具體驅動程序來實現測試程序和硬體的無關性。IVI引擎完成狀態緩存、儀器屬性跟蹤、分類驅動程序到具體驅動程序的映射功能。IVI配置實用程序是採用軟體MAX創建和配置IVI邏輯名，在測試程序中通過傳送邏輯名給一個分類驅動程序初始化函數，將操作映射到具體儀器及儀器驅動程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類驅動程序到具體儀器驅動程序的映射信息。其結構如圖2所示。

測試軟體模塊：

測試軟體分為測試數據管理模塊、測試參數管理模塊、測試程序模塊三部分。測試數據管理模塊是管理對儀器的檢定日期、檢定人員、對具體儀器的已檢定項目、檢定的數據等。測試參數管理是在資料庫中管理具體儀器的各檢定項、檢定項的標準值等。測試程序模塊是根據用戶在軟面板上選定的測試參數，調用相應的測試儀器進行測試，把測試數據和資料庫中的標準相比較，判斷是否合格。

測試軟體結構化流程：

在開機系統自檢后，檢定操作員在軟體界面上選擇/輸入需要檢定的儀器型號，程序由儀器型號在資料庫中調出相應的檢定項目、被檢項目的標準值、被檢儀器與FLUKE5500A和GPIB控制器的連接圖。檢定員按連接圖（FLASH動畫）連接儀器，在確認連接正確后，檢查是否有IVI驅動程序，在安裝驅動程序后運行MAX配置工具，完成配置后即可運行相應的測試程序，把測試結果保存到資料庫，並列印相應的合格/不合格報告。其流程圖見圖3。

開發IVI驅動程序：

對於IVI儀器，廠家會提供IVI驅動程序只需要編寫少量代碼即可實現對儀器的檢定，主程序簡單，便於管理。IVI基金會的目標是支持95%的儀器。基於IVI技術的數字儀器的檢定將會是儀器檢定的必然之路。

但是並不是所有的儀器都支持IVI。對於非IVI儀器，使用LabWindows/CVI中的IVI驅動開發嚮導把儀器程式控制命令樹中所有底層命令封裝成一系列帶有圖像面板的高層函數，完成IVI驅動程序的開發，使它成為IVI儀器。其特點是前期開發IVI驅動程序工作量大，但是後期測試程序開發和維護工作量少。

資料庫管理主要包括用戶管理、被檢儀器型號管理、檢定項目管理、檢定報告管理、檢定項目指標管理以及數據查詢6個模塊。

應用本方法組建的測試系統對IVI儀器Hp54815等進行了檢定，對非IVI儀器XJ4321等開發了IVI驅動程序，對其垂直靈敏度、瞬態響應、穩態響應、掃描時間因素誤差、掃描時間因素線性誤差5項內容進行檢定，保存檢定結果並列印檢定證書。實踐證明：檢定過程變得快速和簡單；自動檢定和人工檢定的結果是一致的。

本文介紹的數字示波器檢定系統以GPIB為匯流排，綜合運用了IVI技術和資料庫技術實現數字示波器的自動檢定，具有操作方便、可擴展性強、工作穩定性好的特點，為組建功率計、頻譜分析儀、任意波形/函數發生器、數字多用表的綜合數字儀器自動檢定系統提供了參考。

優點:

1.體積小、重量輕，便於攜帶，液晶顯示器。

2.可以長期貯存波形，並可以對存儲的波形進行放大等多種操作和分析。

3.特別適合測量單次和低頻信號，測量低頻信號時沒有模擬示波器的閃爍現象。

4.更多的觸發方式，除了模擬示波器不具備的預觸發，還有邏輯觸發、脈衝寬度觸發等。

5.可以通過GPIB、RS232、USB介面同計算機、印表機、繪圖儀連接，可以列印、存檔、分析文件。

6.有強大的波形處理能力，能自動測量頻率、上升時間、脈衝寬度等很多參數。

缺點:

1.失真比較大，由於數字示波器是通過對波形採樣來顯示，採樣點數越少失真越大，通常在水平方向有512個採樣點，受到最大採樣速率的限制，在最快掃描速度及其附近採樣點更少，因此高速時失真更大。

2.測量複雜信號能力差，由於數字示波器的採樣點數有限以及沒有亮度的變化，使得很多波形細節信息無法顯示出來，雖然有些可能具有兩個或多個亮度層次，但這只是相對意義上的區別，再加上示波器有限的顯示解析度，使它仍然不能重現模擬顯示的效果。

3.可能出現假象和混淆波形，當採樣時鐘頻率低於信號頻率時，顯示出的波形可能不是實際的頻率和幅值。數字示波器的帶寬與取樣率密切相關，取樣率不高時需藉助內插計算，容易出現混淆波形。

泰克TDS1000B數字示波器是泰克科技有限公司推出的具備了高達100 MHz的帶寬和高達 1 GS/s 取樣率，並擁有輕巧設計和經濟實惠功能的數字示波器，TDS1000B系列數字示波器的攜帶型標準功能包括USB連接能力、12種自動測量、簡單的用戶界面、上下文相關幫助、探頭檢查嚮導和終身保修服務。

SIGLENT是全球最大的數字示波器ODM製造商，是目前國內出貨量最大的示波器生產廠家。

國際化的研發理念，打造出性能更強大、操作更人性化的SDS1000CFL系列！該產品秉承了鼎陽產品的多功能、高性能，提供最多四通道與一個外部觸發輸入通道，可同時捕獲顯示多路信號，滿足產品開發及驗證的應用需求。同時，產品配備高達2GSa/S的採樣率， 7寸彩色TFT LCD液晶屏，滿足了複雜硬體設計中更高帶寬、更高採樣率的測試需求。單通道24K的存儲深度更是領先於國內同類型產品，信號觀測時間更長、更深入洞察信號細節。強大的觸發和分析能力使其易於捕獲和分析波形，大大提高測試效率。豐富的介面配置實現與PC無縫連接，滿足對波形數據的處理需要及快捷組建測試系統。

FLUKE5500A是美國福祿克公司的一款高性能的多功能校準儀，可以對手持式和台式多用表、示波器、示波表、功率計、電子溫度表、數據採集器、功率諧波分析儀、過程校準器等多種儀器進行校準。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標準介面；在安全性方面滿足IEC 1010-1（1992-1）、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2NO.1010.1-92標準；FLUKE5500A輸出電壓可以達到1100V，電流輸出可達11A，可以提供直流電壓和電流、交流電壓和電流的多種波形和諧波，同時輸出兩路電壓，或者是一路電壓和一路電流，模擬功率、電阻、電容熱電偶和RTD。其示波器校準件還提供了穩幅正弦波、快沿、時間標記和幅度信號。