示波器
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示波器(英語:oscilloscope)是一種能夠顯示電壓信號動態波形的電子測量儀器。它能夠將時變的電壓信號,轉換為時間域上的曲線,原來不可見的電氣信號,就此轉換為在二維平面上直觀可見光信號,因此能夠分析電氣信號的時域性質。更高級的示波器,甚至能夠對輸入的時間信號,進行頻譜分析,反映輸入信號的頻域特性。
示波器綜述
[編輯]外觀
[編輯]一個典型的示波器通常是盒狀屏幕,有多個輸入連接,示波器至少包括探頭、顯示器和控制面板三部分。電壓信號通過探頭連接到示波器的輸入端口,經過處理之後的波形就顯示在顯示器上。顯示器一般為長方形,偶爾也有圓形,在表面標記有垂直的網格坐標。傳統的示波器控制面板一般在示波器前部,分布有多個旋鈕、按鈕或開關,用於調整參數,目前最新的示波器——平板示波器採用全觸控屏幕操作,外形如同iPad。
分類
[編輯]示波器主要可以分為模擬示波器與數字示波器兩類。
- 模擬示波器主要基於陰極射線管,打出的電子束通過水平偏置和垂直偏置系統,打在屏幕的熒光物質上顯示波形。
- 數字示波器主要是通過ADC將模擬數字離散化並存入存儲器,通過CPU或專用芯片進行處理後在屏幕上進行顯示。原有的數字存儲示波器對波形的捕獲率較慢,隨着技術及專用芯片的發展,現有數字存儲示波器的波形捕獲率已經可以達到每秒100萬次,高於模擬示波器的40萬次。 數字示波器又可分為
數字示波器基本指標
[編輯]帶寬、採樣率和存儲深度是示波器的三大技術指標。示波器的帶寬定義為信號衰減3dB時的信號頻率。若一台示波器帶寬不夠會導致看到的信號失真,測試不準確。帶寬指標主要體現在衰減器與放大器的指標。實時採樣率體現出示波器的ADC的性能。採樣率通常要大於等於帶寬的4倍。存儲深度影響觀測時間的長短,另外也會影響到示波器的採樣率。因為存儲深度=採樣率×觀測時間,若觀測時間較長(與水平觀測時間相關),則採樣率會下降。除此之外,波形捕獲率和示波器響應速度,觸發條件的多少,底噪的情況,使用的方便性,及擴展性也體現了示波器的性能。
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)。
示波器參數 | 參數值 |
---|---|
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 | = 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 | = 653ps |
實際測量誤差 | (653 – 500) / 500 = 30.6% |
發展趨勢
[編輯]高性能與通用是示波器發展的兩個趨勢。體現高性能的例子是安捷倫科技的63GHz模擬帶寬、160GSa/s採樣的實時示波器,同時具有低噪聲和高輸入動態範圍的特性,美國力科公司宣布了65GHz模擬帶寬、160GS/s實時採樣率、4~40通道的任意通道示波器系統,大幅的優化了示波器的通道選擇性。另一個趨勢是通用,將更多的功能集成到示波器中,常見的有將邏輯分析功能集成,形成混合型號示波器;將協議分析功能集成,最近安捷倫又將信號源集成到示波器中。力科也在全系列示波器中加上邏輯模組,隨着技術的發展,也許示波器會集成越來越多的功能。
世界主要廠商
[編輯]- 美國:泰克(Tektronix)、是德科技(Keysight,原安捷倫(Agilent)的電子儀器部門,再之前則是惠普(HP)的儀器部門)、福祿克(Fluke)、力科(LeCroy)、國家儀器(National Instruments)
- 荷蘭:飛利浦(Philips)(90年代其儀器部門與美國福祿克合併)
- 德國:羅德與施瓦茨(R&S,Rohde & Schwarz,原HAMEG)
- 英國:古爾德(GOULD,2014年結束營業)
- 日本:日立(Hitachi)、菊水電子(KIKUSUI Electronics)、岩崎通信機(IWATSU ELECTRIC)、建伍(Kenwood/Trio)、利達(Leader)
- 中國大陸:普源(Rigol)、鼎陽(Siglent)
- 台灣:固緯(GWInstek)
工作原理
[編輯]示波器主要由電源系統、同步系統、水平偏向系統、垂直偏向系統、延遲掃描系統、顯示系統和標準信號源等部分組成。
模擬示波器
[編輯]模擬示波器有多種工作模式。
X-Y模式
[編輯]大多數現代的模擬示波器都有多個電壓輸入,可以用來繪製一個變化的電壓與另一個電壓的對比圖。這對於繪製二極管等元件的I-V曲線(電流與電壓的特性)以及李薩如圖形特別有用。這種曲線是一種典型的跟蹤多個輸入信號之間相位差異的方法,在廣播工程中經常被用來繪製左右立體聲通道,以確保立體聲發生器正確校準。
數字示波器
[編輯]數字科技的發達讓示波器從傳統的模擬式發展到了數字式。數字系統給示波器帶來了大量強大的特性。
優於傳統的示波器之處:
- 光明大屏幕彩色區分多重痕跡。
- 等效時間採樣和平均跨連續樣品或掃描導致更高的分辨率降至第五。
- 峰值檢測。
- 預設觸發。
- 易潘變焦和多個存儲痕跡讓初學者工作無觸發。
大多數位式示波器的缺點是波形更新的速度過慢。但最近幾年也有數字示波器的波形捕獲率超過模擬示波器
混合信號示波器
[編輯]混合信號示波器(MSO)有兩種輸入,一小部分(通常是2個或4個)的類比通道,更多(通常為16個)的部份是屬於數位通道;即,含邏輯分析儀的數位示波器,不過邏輯分析儀的功能非常弱,只做簡單時序分析和串行解碼用,無法和傳統邏輯分析儀的強大功能相比,適合只需簡單功能的應用。最新的混合信號示波器加入其它儀器元素,除示波器和邏輯分析儀外,還有串行信號解碼分析,任意波形發生器,數字電壓表功能。
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