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)械控制信號及視頻信號的測量等(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)計開發(fā)工作中。
圖1 低價位數(shù)字示波器
圖2低價位示波器適于多種應(yīng)用
新興廠商的產(chǎn)品便宜10%
驅(qū)動低價位數(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)品的價格要便宜10%(1萬～2萬日元)左右。憑借極具競爭力的價格以及不遜于傳統(tǒng)測試測量廠商的技術(shù)實力，普源精電和固緯電子在市場上均獲得了較好的銷售實績：2007年，普源精電數(shù)字示波器年出貨量達(dá)到3萬臺，在同類產(chǎn)品中位居全球第二；固緯電子則在2008年售出了2萬臺模擬示波器和3萬臺數(shù)字示波器。
另外，一些在測試測量儀器領(lǐng)域開發(fā)經(jīng)驗相對較少的廠商也推出了自己的示波器產(chǎn)品，其中一個有名的低價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)字示波器時需要考慮的參數(shù)主要有三個：帶寬、采樣率、存儲深度。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)到被測信號頻率的5倍。也就是說，帶寬100MHz的低價位數(shù)字示波器可以測量的信號頻率最大約為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)字信號等應(yīng)用中，存儲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點的存儲深度。
所需的存儲深度取決于要測量的時間。最好是根據(jù)采樣率，在能夠滿足測量時間需求的前提下選擇具有最大存儲深度的產(chǎn)品。如泰克公司TDS2022B的捕獲時間為1.25μ s，力科公司W(wǎng)J312A的捕獲時間可達(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的低價位數(shù)字示波器樣機(jī)進(jìn)行了實際的測量比較(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的振幅衰減到-3dB時的頻率值。因此，對于帶寬100MHz的示波器來說，當(dāng)頻率為100MHz時，其顯示信號的振幅需大于輸入信號的70.7%。
圖3雖然均滿足要求， 但各產(chǎn)品仍有不同
在實際測量中，輸入為振幅60mV的正弦波信號，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時顯示信號的振幅只要大于42.4mV即符合標(biāo)準(zhǔn)。實測結(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，信號振幅衰減到-3dB時的頻率(即示波器的實際帶寬)是不同的。在這一點上，性能最佳的是安捷倫公司的DSO1014A，其實際帶寬接近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，放大器的性能將會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。
一種情況是測試帶寬接近100MHz的信號。如果被測信號的頻率超過20MHz(推薦頻率)，那么在高頻下，具有更大實際帶寬的數(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。示波器的實際帶寬越寬，則越能準(zhǔn)確地測量此類信號。在實際測量中，向示波器輸入上升沿極陡(700ps)的矩形波，然后使用自動測量功能得到矩形波的上升時間(見圖4)。安捷倫的DSO1014A顯示信號上升時間為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間的最小值及典型值均為3.5ns。
圖4頻率特性不同，上升時間也有差異
3.5ns這個數(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，示波器的上升時間和帶寬的關(guān)系式為：上升時間=0.35/帶寬(Hz)。通過此次的實際測量可知，不同產(chǎn)品具有不同的實際帶寬，所以可以測量的上升時間有可能短于數(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”)時，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，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，放大波形后就會導(dǎo)致放大器飽和或信號失真，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，視頻信號很難重現(xiàn)原有波形，因此，從視頻信號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時一般不會因為波形更新速度不足而出現(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，示波器需要通過微處理器和DSP等對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這個處理所需的時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，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，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，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。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。
除了視頻信號和電機(jī)控制信號以外，示波器在測量傳感器的輸出或低速串行信號等時，也需要較高的波形更新速度。有些傳感器輸出數(shù)字信號，會將模擬值轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號脈沖，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等低速串行信號時，如果要確認(rèn)數(shù)據(jù)改變的時序，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，有可能會達(dá)不到自己想要的測量效果。不過，低價位數(shù)字示波器產(chǎn)品的差別通常只會體現(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)計等其它方面也有差別。在極限測量情況下，波形質(zhì)量也會不同。
目前的趨勢是，主要生產(chǎn)低價位產(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位示波器，其功能僅限于觀測信號值(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，我們推薦波形更新速度高達(dá)10萬次/秒的高端產(chǎn)品。”
在選擇低價位數(shù)字示波器時，用戶必須充分了解自己的測量需求。低價位示波器的目標(biāo)應(yīng)用通常可以分為兩類，一類是用于在調(diào)試嵌入式軟件時觀測低速數(shù)字信號的波形以確認(rèn)高電平/低電平時序，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)大存儲深度或增加通道，以確保測量時間。對于第二類應(yīng)用，就像在過驅(qū)動測量與視頻信號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。
