隨著數(shù)字處理電路和液晶屏的采用， 電子工程師日常使用的數(shù)字示波器現(xiàn)在只需1 0 萬～25萬日元(100日元約合7.6元人民幣)就可買到(見圖1)。帶寬為100MHz～300MHz的數(shù)字示波器適合于多種應(yīng)用，從軟件調(diào)試到機(jī)械控制信號(hào)及視頻信號(hào)的測量等(見圖2)。在不同的應(yīng)用中，它們可以用于進(jìn)行生產(chǎn)線的pass/fail判定，或是用作現(xiàn)場工程師隨身攜帶的測試設(shè)備，甚至還能用在正式的設(shè)計(jì)開發(fā)工作中。
圖1 低價(jià)位數(shù)字示波器
圖2低價(jià)位示波器適于多種應(yīng)用
新興廠商的產(chǎn)品便宜10%
驅(qū)動(dòng)低價(jià)位數(shù)字示波器市場的是普源精電、固緯電子等活躍在中低端領(lǐng)域的測試測量廠商(見表1)。與示波器行業(yè)的兩大巨頭——安捷倫與泰克的同類產(chǎn)品相比，這些新興廠商的產(chǎn)品的價(jià)格要便宜10%(1萬～2萬日元)左右。憑借極具競爭力的價(jià)格以及不遜于傳統(tǒng)測試測量廠商的技術(shù)實(shí)力，普源精電和固緯電子在市場上均獲得了較好的銷售實(shí)績：2007年，普源精電數(shù)字示波器年出貨量達(dá)到3萬臺(tái)，在同類產(chǎn)品中位居全球第二；固緯電子則在2008年售出了2萬臺(tái)模擬示波器和3萬臺(tái)數(shù)字示波器。
另外，一些在測試測量儀器領(lǐng)域開發(fā)經(jīng)驗(yàn)相對較少的廠商也推出了自己的示波器產(chǎn)品，其中一個(gè)有名的低價(jià)品牌就是由原本主營中小尺寸液晶屏與小型電視的利利普電子(Lilliput Electronics)公司推出的OWON品牌。該公司帶寬100MHz的數(shù)字示波器的售價(jià)僅為11.8萬日元，比普源精電、固緯電子等測試測量廠商的產(chǎn)品更便宜。
基本性能大致相同
一般來說，選擇數(shù)字示波器時(shí)需要考慮的參數(shù)主要有三個(gè)：帶寬、采樣率、存儲(chǔ)深度。如果單從產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中列明的技術(shù)規(guī)格來比較，那么各公司的低價(jià)位數(shù)字示波器產(chǎn)品之間沒有太大差別(見表2)。安捷倫公司電子測量本部市場營銷中心市場發(fā)展經(jīng)理佐藤利宏也表示：“低價(jià)位數(shù)字示波器在基本性能方面幾乎沒有差別。”
帶寬方面，100MHz已成為低價(jià)位數(shù)字示波器的標(biāo)準(zhǔn)帶寬。此外，示波器的帶寬至少要達(dá)到被測信號(hào)頻率的5倍。也就是說，帶寬100MHz的低價(jià)位數(shù)字示波器可以測量的信號(hào)頻率最大約為20MHz。
為了避免混疊現(xiàn)象，示波器的采樣率也需要達(dá)到被測信號(hào)的10倍以上。如果示波器的帶寬為100MHz，那么采樣率就需要達(dá)到200MS/s。本文涉及的數(shù)字示波器產(chǎn)品均滿足這一要求。
在調(diào)試數(shù)字信號(hào)等應(yīng)用中，存儲(chǔ)深度也是工程師必須關(guān)注的性能參數(shù)。不同示波器產(chǎn)品的存儲(chǔ)深度均有所不同，如利利普電子公司OWON品牌中具有邏輯分析功能的MSO7102T可提供每通道4M點(diǎn)的存儲(chǔ)深度。
所需的存儲(chǔ)深度取決于要測量的時(shí)間。最好是根據(jù)采樣率，在能夠滿足測量時(shí)間需求的前提下選擇具有最大存儲(chǔ)深度的產(chǎn)品。如泰克公司TDS2022B的捕獲時(shí)間為1.25μ s，力科公司W(wǎng)J312A的捕獲時(shí)間可達(dá)到500μs。
波形質(zhì)量存在差異
為了進(jìn)一步了解產(chǎn)品的實(shí)際性能，此次，《日經(jīng)電子》雜志社對安捷倫、泰克、力科、普源精電、固緯電子等5家公司帶寬100MHz的低價(jià)位數(shù)字示波器樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)際的測量比較(見表3)。
首先比較的是頻率響應(yīng)。示波器應(yīng)該在可測量范圍內(nèi)具有良好的平坦頻率響應(yīng)。此外，示波器的帶寬被定義為正弦輸入信號(hào)的振幅衰減到-3dB時(shí)的頻率值。因此，對于帶寬100MHz的示波器來說，當(dāng)頻率為100MHz時(shí)，其顯示信號(hào)的振幅需大于輸入信號(hào)的70.7%。
圖3雖然均滿足要求， 但各產(chǎn)品仍有不同
在實(shí)際測量中，輸入為振幅60mV的正弦波信號(hào)，得到了直至200MHz的頻率響應(yīng)特性。由于5款示波器的額定帶寬均為100MHz，所以100MHz時(shí)顯示信號(hào)的振幅只要大于42.4mV即符合標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)測結(jié)果證明5款產(chǎn)品均滿足這一需求(見圖3)。其中，在1MHz～100MHz頻率范圍內(nèi)具有最佳頻率響應(yīng)特性的是泰克公司的TDS2014B，而所有5款產(chǎn)品的頻率響應(yīng)在20MHz以內(nèi)都具有極好的平坦性。
放大器的性能不同
仔細(xì)分析測量結(jié)果，還是可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品之間的性能差異。具體來說，信號(hào)振幅衰減到-3dB時(shí)的頻率(即示波器的實(shí)際帶寬)是不同的。在這一點(diǎn)上，性能最佳的是安捷倫公司的DSO1014A，其實(shí)際帶寬接近200MHz。上述差異主要是由于放大器性能的不同而造成的。在以下兩種情況下進(jìn)行測量時(shí)，放大器的性能將會(huì)對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。
一種情況是測試帶寬接近100MHz的信號(hào)。如果被測信號(hào)的頻率超過20MHz(推薦頻率)，那么在高頻下，具有更大實(shí)際帶寬的數(shù)字示波器能夠顯示出更加準(zhǔn)確的波形。
第二種情況是測量矩形波等上升沿很陡的信號(hào)。示波器的實(shí)際帶寬越寬，則越能準(zhǔn)確地測量此類信號(hào)。在實(shí)際測量中，向示波器輸入上升沿極陡(700ps)的矩形波，然后使用自動(dòng)測量功能得到矩形波的上升時(shí)間(見圖4)。安捷倫的DSO1014A顯示信號(hào)上升時(shí)間為1.80ns，而GDS-1102A的結(jié)果則達(dá)到3.19ns。需要指出的是，這些測量超出了產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的推薦應(yīng)用范圍，因此得不到正確值也是正常的。在這5款示波器的產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊中，確保可測量的上升時(shí)間的最小值及典型值均為3.5ns。
圖4頻率特性不同，上升時(shí)間也有差異
3.5ns這個(gè)數(shù)值是根據(jù)100MHz的額定帶寬推算出來的。基于高斯曲線與一階RC濾波電路的頻率響應(yīng)特性，示波器的上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系式為：上升時(shí)間=0.35/帶寬(Hz)。通過此次的實(shí)際測量可知，不同產(chǎn)品具有不同的實(shí)際帶寬，所以可以測量的上升時(shí)間有可能短于數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的額定值。
放大器的允許輸入范圍也有所不同。放大垂直軸，使得波形超出屏幕(被稱為“過驅(qū)動(dòng)”)時(shí)，很容易發(fā)現(xiàn)這一差異(見圖5a)。例如，在開關(guān)電源等的開發(fā)過程中，研究IGBT等功率半導(dǎo)體的特性時(shí)，為了更好的理解器件在導(dǎo)通情況下的損耗，就需要采用過驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行測量。如果放大器的允許輸入范圍不足，放大波形后就會(huì)導(dǎo)致放大器飽和或信號(hào)失真，于是無法觀測到正確的波形。
圖5波形的顯示能力有差別
數(shù)字電路所引起的顯示差異
除了放大器等模擬電路部分外，示波器的不同也體現(xiàn)在數(shù)字電路部分上。日本一家提供測試測量儀器租賃服務(wù)的公司表示：“不同廠商在數(shù)字示波器的內(nèi)部計(jì)算方面都具有各自的專業(yè)技術(shù)，因此，各產(chǎn)品顯示波形的準(zhǔn)確度也有所不同。”
由于波形更新速度不足時(shí)，視頻信號(hào)很難重現(xiàn)原有波形，因此，從視頻信號(hào)的顯示上很容易就能看出各款產(chǎn)品之間因數(shù)字電路的不同而造成的顯示差異(見圖5b)。
具有超高性能的模擬示波器的波形更新速度可高達(dá)100萬次/秒，普通模擬示波器的波形更新速度也有數(shù)萬至數(shù)十萬次/秒，所以模擬示波器在顯示視頻信號(hào)時(shí)一般不會(huì)因?yàn)椴ㄐ胃滤俣炔蛔愣霈F(xiàn)問題。
數(shù)字示波器的波形更新速度則相對較慢。在顯示捕獲到的數(shù)據(jù)時(shí)，示波器需要通過微處理器和DSP等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這個(gè)處理所需的時(shí)間即決定了示波器的波形更新速度。在數(shù)字示波器中，某些具備高速處理電路的高價(jià)位產(chǎn)品也可以提供數(shù)十萬次/秒的波形更新速度。
但對于低價(jià)位數(shù)字示波器產(chǎn)品來說，很多廠商都沒有在數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明產(chǎn)品的波形更新速度。雖然可以通過咨詢廠商而得到該數(shù)值，但通常只有數(shù)十至數(shù)千次/秒，不同產(chǎn)品之間還存在不小的偏差(見表2)。如果利用波形更新速度僅為數(shù)百次/秒的產(chǎn)品來顯示視頻信號(hào)，通常無法完整顯示出原有波形。例如，如果只是顯示一張彩色圖表，那么波形更新速度只需1000次/秒即可正常顯示；但如果要顯示模擬視頻信號(hào)，就需要1萬～10萬次/秒的波形更新速度。
當(dāng)需要利用示波器來觀測電機(jī)等旋轉(zhuǎn)部件中的PWM(脈寬調(diào)制)、PAW(脈幅調(diào)制)等控制波形時(shí)，波形更新速度也非常重要。此次也在100kHz～500kHz的頻率范圍內(nèi)對5款低價(jià)位數(shù)字示波器產(chǎn)品進(jìn)行了測試，令其顯示振幅變化70%的100Hz掃描信號(hào)。結(jié)果顯示，波形更新速度低于幾百次/秒的產(chǎn)品無法跟上掃描速度。
除了視頻信號(hào)和電機(jī)控制信號(hào)以外，示波器在測量傳感器的輸出或低速串行信號(hào)等時(shí)，也需要較高的波形更新速度。有些傳感器輸出數(shù)字信號(hào)，會(huì)將模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)脈沖，如果要對其進(jìn)行測量，就需要1000次/秒的波形更新速度。而對于輸出模擬信號(hào)的傳感器來說，較低的波形更新速度即可滿足需求。
測量I2C與SPI等低速串行信號(hào)時(shí)，如果要確認(rèn)數(shù)據(jù)改變的時(shí)序，那么也必須選擇波形更新速度為100～1000次/秒的產(chǎn)品。在這種情況下，雖然波形更新速度越高越好，但如果帶寬僅為100MHz，那么速度再高也沒有太大意義。如果想獲得更詳細(xì)的信息，就應(yīng)該選用高價(jià)位的示波器產(chǎn)品。
廠商的目標(biāo)應(yīng)用不同
如上所述，各廠商的低價(jià)位數(shù)字示波器產(chǎn)品都有所不同，而且，如果像選擇模擬示波器一樣去選購數(shù)字示波器產(chǎn)品，有可能會(huì)達(dá)不到自己想要的測量效果。不過，低價(jià)位數(shù)字示波器產(chǎn)品的差別通常只會(huì)體現(xiàn)在非常規(guī)測量中，在普通應(yīng)用中基本可以認(rèn)為它們沒有差別。
在示波器走向數(shù)字化之后，雖然大部分主要部件都可以選用通用產(chǎn)品，但由于各廠商的目標(biāo)應(yīng)用不同，因此在元器件選擇、電路設(shè)計(jì)等其它方面也有差別。在極限測量情況下，波形質(zhì)量也會(huì)不同。
目前的趨勢是，主要生產(chǎn)低價(jià)位產(chǎn)品的新興廠商希望能夠提供更多的功能及更好的性能，而巨頭廠商則希望能夠?qū)?yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行細(xì)分。泰克(日本)公司市場經(jīng)理柴崎裕士表示：“我們提供用于觀測波形的低價(jià)位示波器，其功能僅限于觀測信號(hào)值(電壓)、頻率、周期等。如果需要進(jìn)行更多分析，我們則可提供波形更新速度更快、存儲(chǔ)深度更大的產(chǎn)品。”安捷倫公司的佐藤利宏也表示：“如果需要測量模擬電視信號(hào)，我們推薦波形更新速度高達(dá)10萬次/秒的高端產(chǎn)品。”
在選擇低價(jià)位數(shù)字示波器時(shí)，用戶必須充分了解自己的測量需求。低價(jià)位示波器的目標(biāo)應(yīng)用通常可以分為兩類，一類是用于在調(diào)試嵌入式軟件時(shí)觀測低速數(shù)字信號(hào)的波形以確認(rèn)高電平/低電平時(shí)序，另一類是用于取代具有同樣帶寬的模擬示波器。
對于第一類應(yīng)用，由于波形質(zhì)量不太重要，因此只要選擇帶寬合適的示波器即可。此外，有些數(shù)字示波器產(chǎn)品是專門針對這種應(yīng)用開發(fā)的，這些產(chǎn)品沒有采用具有較高性能的部件，從而降低了整體成本。廠商還可將節(jié)約的部件成本用來擴(kuò)大存儲(chǔ)深度或增加通道，以確保測量時(shí)間。對于第二類應(yīng)用，就像在過驅(qū)動(dòng)測量與視頻信號(hào)測量的例子中所看到的那樣，不是所有產(chǎn)品都具有足夠的性能以應(yīng)對必需的測量要求。
