帶寬、采樣率、存儲深度是示波器的三大關鍵指標。
一、帶寬
帶寬是示波器最核心的參數(shù),也是檔次級的一個參數(shù)。簡單的定義是:示波器測得正弦波的幅度不低于真實正弦波信號3dB 的幅度時的最高頻率。
如圖1,是 一個理想的示波器帶寬和幅度測量誤差的曲線圖。從圖1可以看出,當被測正弦波的頻率等于示波器的帶寬(示波器的放大器的響應是一階高斯型)時,幅度測量誤差大約30%。如果想測量正弦波的幅度誤差只有3%,被測正弦波的頻率要比示波器的帶寬要低很多(大約是示波器的帶寬的0.3倍)。由于大多數(shù)信號是比正弦波復雜的多,使用示波器測量信號的通用法則是(5倍法則):示波器的帶寬是被測信號的頻率的5倍,即示波器必須至少能夠捕獲五次諧波才能避免畫面失真。如入門級的示波器帶寬一般是100Mhz,它們可以準確地測量 20MHz 以內的正弦波信號。
二、通道數(shù)
根據(jù)需求,一般示波器有雙通道和四通道兩種。對于總線測試,一般通道數(shù)要求較多,可采用工控機加信號采集板卡實現(xiàn)。通道參數(shù)主要涉及成本問題,通道數(shù)增加勢必帶來成本提升。
三、刷新頻率
波形刷新率是示波器的一項重要指標,它和采樣率一起直接體現(xiàn)了示波器抓取波形細節(jié)的能力,如果刷新頻率慢,會導致捕獲低概率異常信號的能力差。目前市場上主流示波器均超過10000wfms/s(典型值)。示波器每次采集的模式如下圖2所示。
采集一次波形的時間分為兩個部分。前面的時間為采樣時間,受采樣率和存儲深度的影響;后面的時間為死區(qū)時間,用于處理器計算波形數(shù)據(jù)、顯示、測量等等。兩個部分共同決定了刷新率,所以對于長存儲示波器必然比短存儲示波器的刷新率要低,也說明了為了追求高刷新率,RUN時候的存儲深度變低。
當波形落在采樣時間里時,示波器可以在合適的設置下觸發(fā)到邊沿,也就是我們平時看到的穩(wěn)定觸發(fā),如果波形落在采樣時間內,則示波器無法顯示。所以考慮采用兩個脈沖的方式,觀察示波器觸發(fā)來計算刷新率。
如上圖3所示,當兩個脈沖同時顯示在一個采樣時間內時,示波器可以在第一個上升沿穩(wěn)定觸發(fā),第二個邊沿同樣被采集到,可能顯示在屏幕上,也可能顯示在屏幕外。
當?shù)诙䝼脈沖延遲到死區(qū)時,示波器同樣可以在第一個上升沿穩(wěn)定觸發(fā),第二個邊沿沒有被采集到,用戶將始終觀察不到這個信號。
當?shù)诙䝼脈沖延遲到第二個采樣周期后,示波器將即可以在第一個上升沿觸發(fā),也可以在第二個上升沿觸發(fā),會在示波器的屏幕上兩個波形,且都在觸發(fā)位置,通過調整脈沖延時時間直到恰好能夠同時觸發(fā)兩個信號可以估算出一個完整采樣周期花費的時間,從而估算出刷新率。
通過以上分析,示波器的刷新率初略估算方法如下:需要一個周期足夠長,脈寬特別短的信號作為測試信號。將通道一設置為脈沖單次Burst,由于脈沖延時受信號周期的限制,所以將信號的周期設置為5ms(意思是默認測試的機器刷新率超過200wfms/s),幅度1Vpp,脈寬設置為5us。將通道二同樣設置為脈沖單詞Burst,周期為5ms,幅度1Vpp,為了便于觀察將脈寬設置為15us。將示波器的模式設置為“Normal”。將信號源的兩路信號同時接到示波器的一個輸入端。手動觸發(fā)信號源調整信號源的脈沖延時,直至示波器可以在同一次中觸發(fā)兩個沿。此時記錄下脈沖延時,其倒數(shù)就是大致的當前檔位的波形刷新率。
四、存儲深度和采樣率
存儲深度表示示波器在最高實時采樣率下連續(xù)采集并存儲采樣點的能力,通常用采樣點數(shù)(pts)表示。最大存儲深度由示波器的存儲器容量決定,增加存儲深度可通過外部存儲器實現(xiàn),存儲深度越深越利于觀察波形細節(jié)。提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率:當要測量較長時間的波形時,由于存儲深度是固定的,所以只能降低采樣率來達到,但這樣勢必造成波形質量的下降;如果增大存儲深度,則可以以更高的采樣率來測量,以獲取不失真的波形。
通用示波器的采樣率都是帶寬的5倍,比如 200MHz 帶寬的示波器一般的采樣率都是 1G(此時更高的采樣率并不能帶來較大提升),因此這個參數(shù)并沒有給用戶太多的選擇。而相反這樣高的采樣率,勢必會對存儲深度這個參數(shù)有所要求,1G 的采樣率,即使只看 5ms 波形,也要求有 5M 的存儲深度,否則示波器的采樣率就會下降。