浅谈模拟示波器与数字示波器的异同

2014-01-11 10:54:40来源: ofweek
  一、模拟和数字,各有千秋

  廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代,雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具,带宽100MHz的同步示波器开发成功,这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世,促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献,出现带宽6GHz的取样示波器、带宽6GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平,为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展,开始让位于数字示波器,英国和法国甚至退出示波器市场,技术以美国领先,中低档产品由日本生产。

  模拟示波器要提高带宽,需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能,对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理,以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起,成果累累,大有全面取代模拟示波器之势,模拟示波器的确从前台退到后台。

  但是模拟示波器的某些特点,却是数字示波器所不具备的:

  操作简单——全部操作都在面板上,波形反应及时,数字示波器往往要较长处理时间。

  垂直分辨率高——连续而且无限级,数字示波器分辨率一般只有8位至10位。

  数据更新快——每秒捕捉几十万波形,数字示波器每秒捕捉几十个波形。

  实时带宽和实时显示——连续波形与单次波形的带宽相同,数字示波器的带宽与取样率密切相关,取样率不高时需借助内插计算,容易出现混淆波形。

  简而言之,模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形,在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉十分灵敏,屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断,微细变化都可感知。因此,模拟示波器深受使用者的欢迎。

  二、数字示波器独领风骚

  八十年代的数字示波器处在转型阶段,还有不少地方要改进,美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来甚至停产模拟示波器,并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代,数字示波器除了提高带宽到1GHz以上,更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象,换句话说,尽量吸收模拟示波器的优点,使数字示波器更好用。

  数字示波器首先在取样率上提高,从最初取样率等于两倍带宽,提高至五倍甚至十倍,相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GHz,甚至10GHz。

  其次,提高数字示波器的更新率,达到模拟示波器相同的水平,最高可达每秒40万个波形,对观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲就方便多了。

再次,采用多处理器加快信号处理能力,从多重菜单的烦琐测量参数调节,改进为简单的旋钮调节,甚至完全自动测量,使用上与模拟示波器同样方便。

  最后,数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示,赋于波形的三维状态,即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器。

  三、数字示波器要有模拟功能

  模拟示波器用阴极射线示波管显示波形,示波管的带宽与模拟示波器的相同,亦即示波管内的电子运动速度与信号频率成正比,信号频率越高电子速度越快,示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比,低频波形的高度高,高频波形的高度低。利用荧光屏的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息,如用屏幕垂直轴表示幅度,水平轴表示时间,则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉(灰度定标)效应对观察混合波形和偶发波形十分有效。模拟存储示波器就是这种专用示波器的代表产品,最高的性能达到800MHz带宽,可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件。

  数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理,只有两个状态,非高即低,原则上波形也是“有”和“无”两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化,必需采用专用图像处理芯片,例如TEK公司采用DPX型处理器芯片,具有数据采集、图像处理和存储等多项功能,DPX芯片由130万个晶体管组成,采用0.65um的CMOS工艺,并行流水结构,取样率2GS/s。它既是数据采集芯片,同时也是光扫描器,模拟示波管屏幕荧光体的发光特性,用16级亮度分级,将波形存储在500*200像素的LCD单色或彩色显示屏上,每0.33秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形,对数据保存并不十分方便。例如用红色表示出现机率最高的波形,兰色表示出现机率最低的波形,达到一目了然。由于数字示波器已经达到1GHz带宽的水平,配合荧光显示特性,总的性能优于模拟存储示波器。

  四、数字荧光示器

  去年著名电子示波器制造商TEK公司首先推出数字荧光示波器两种系列TDS500(单色)和TDS700(彩色),具有500MHz-2GHz带宽,取样率最高2GHz,最多4通道输入,属于中高档数字示波器,价位在10,000美元以上。今年生产一种TDS3000系列数字荧光示波器,起价只3,000美元,带宽500MHz,取样率最高5GS/s,受到用户的欢迎。另一家专门生产数字示波器的LeCroy公司,今年也推出一种数字余辉示波器,名称虽有别于数字荧光示波器,它们的功能实际上是相同的。Waverunner系列的带宽500MHz,取样率500MS/s,最多4通道输入,起价5,999美元。

  以下较详细介绍这两种系列数字示波器的特点:

  普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录,然后作信号处理,这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波形中的微细差别,以及出现的频繁程度。例如观察电视信号,既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号,还要记录电视信号中的异常现象,对于专业人员和维修人员都是同样重要的。

  TEK公司的TDS3000数字荧光示波器提供多种测试模块,可以从前面板右上角插入四种模块。例如触发模块可作逻辑状态、逻辑图形触发,以及脉冲参数(上升、下降边,宽度、周期等);电视模块专用于多种制式的(NTCS、PAL和SECAM)波形记录;快速傅里叶变换(FFT)模块可快速显示信号的频率成分和频谱分布,既可分析脉冲响应,亦可分析谐波分布,并且识别和定位噪声和干扰来源。TDS3000系列示波器是便携式的,重量不到7磅,可由电池供电,特别适于现场使用。

  LeCroy公司的Waverunner系列数字余辉示波器的余辉时间常数是可以改变的,因此在使用上与模拟存储示波器非常相似。它的抖动和定时分析(JTA)软件包可对屏幕显示的信号作定量分析,例如,经过数字处理后可在脉冲抖动的波形下面划出亮线,亮线长度表示抖动范围,最亮部分表示最常出现的抖动区。积累波形数目达10万个,结果可绘制成直方图。

  Waverunner示波器还有两种测试用软件包:数字和测量软件包,波形分析软件包。前者可自动测量和分析40种常用参数(如脉冲上升、下降时间,最大、最小值,偏差值等),预测某种参数的趋势(如测量IC的传输延时的变动范围)。后者包括FFT分析,最多可达10(6)点的记录长度;高分辨率方式;包络方式;模板测试;合格/不合格测试等。各种测试结果均利用彩色显示器的不同颜色不同亮度表示结果,真正让使用者的视觉获得迅速的反应,充分发挥余辉灰度的三维效应。

关键字:模拟示波器  数字示波器  信号频率

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2014/0111/article_8522.html
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