數字示波器與數字化儀的對比分析

示波器的實(shí)質(zhì)是什么呢?的確，特性如顯示分辨率、亮度、易于使用是必須具備的，取樣速度、觸發(fā)、帶寬也是重要參考。某些數字化儀提供大部分特性，但最好表示為數據采集系統或瞬態(tài)記錄儀。某些示波器并不提供所有上述特性，但它們顯然仍是示波器，雖然速度較慢或難以使用。

牛頓出版社的電信辭典把數字化儀定義為把模擬信號轉換成數字表示的器件，轉換功能通常由規定的速率對模擬信號取樣來(lái)實(shí)現，并且每個(gè)樣本編碼成樣本幅值的數字表示。

該字典把示波器定義為能夠顯示波形和其它信息在電視那樣的陰極射線(xiàn)管上的器件。示波器與數字化儀有根本的差別，因為它是測試用的模擬儀器。波形顯示是最重要的因素。

數字化儀是嵌入式模塊，例如由VXI總線(xiàn)或相似測試系統的系統計算機來(lái)控制的模塊。小型數字化儀在實(shí)體上和電氣上嵌入到膝上型計算機，可提供與示波器相似的效能，但虛擬用戶(hù)界面卻沒(méi)有實(shí)際旋鈕和按鈕那樣易懂和易用。但是，數據分析和報告中在同一儀器完成，數字化的波形在數字屏上顯示。

示波器

觸發(fā)掃描的模擬示波器仍然每年售出數以萬(wàn)臺計。它們的價(jià)格非常實(shí)惠和速度快速，容易觀(guān)察兩個(gè)以上輸人信號的相互關(guān)系。為了模擬示波器的使用，信號必須是接近重復性的。

如果信號完全不是重復性的，情況會(huì )變成怎么樣?或者信號變化很慢，用1秒/格耐基顯示的信號 波形只是一個(gè)慢移動(dòng)的光點(diǎn)?數字存儲示波器(DSO)可以解決這兩個(gè)特殊情況。

DSO的取樣率可以比被測信號所含有的頻率高得多，無(wú)需重復出現就可捕捉到單次的瞬變，類(lèi)似刷新陰極射線(xiàn)管的顯示熒光體那樣。在DSO中，數字化的數據連續從半導體存儲器重放，其速度由顯示器件要求的產(chǎn)生波形圖像的時(shí)間來(lái)決定。

早期的DSO通過(guò)驅動(dòng)每個(gè)軸的數鎮轉換器把波形顯示在靜電陰級射線(xiàn)示波管上。許多這種儀器同樣作為普通模擬示波器使用。工程師不完全相信DSO的功能，需要轉換至模擬方式來(lái)驗證他看到的波形是否正確。

還有更好的理由，模擬示波器可對多種信號提供優(yōu)異特性。的確，采用掃跡增強或彩色來(lái)增強DSO的顯示信息密度克服一部分缺點(diǎn)。但是，甚高的觸發(fā)率，高的垂直顯示分辨率、高的水平和亮度分辨率、甚高的瞬時(shí)響應控制都是模擬示波器的高超特性。當觀(guān)察調制、復雜信號時(shí)更為明顯，對DSO的數據采集、壓縮和顯示能力提出難以解決的問(wèn)題。

DSO的長(cháng)處是顯示低或高速信號，此時(shí)模擬示波器受到需要采用特殊陰極射線(xiàn)示波管的限制。模擬示波器綜合有易于使用、高的時(shí)間和幅度顯示分辨率、顯示包絡(luò )特性有重要作用的調制波形等優(yōu)勢。如果要求存檔或進(jìn)一步分析數字化信號，則DSO是唯一有效的解決方案，即使模擬示波器具有更好的波形表示。

DSO的最大改進(jìn)是增加了取樣率，保證大多數信號都具有足夠的過(guò)取樣。因而，顯示在現代DSO的波形通常就是輸入信號，而不是使人感興趣的但卻是完全虛假的混疊信號。當然，信號亦變得更快，混疊還會(huì )出現。早期有DSO取樣率低，經(jīng)常出現混疊，導致工程師要花數小時(shí)去尋找不存在的問(wèn)題。

今天的DSO采用完善的數字信號處理來(lái)平衡用戶(hù)所需的長(cháng)存儲器和快速顯示刷新率，而不會(huì )產(chǎn)生空間或時(shí)間的虛假混疊信號。需要同時(shí)采用高采集率的情況下問(wèn)題就更嚴重了。

信號完整性是廿世紀九十年代叫得最響亮的術(shù)語(yǔ)，正好符合數字數據通信和元線(xiàn)服務(wù)的爆炸性增長(cháng)?？焖儆|發(fā)電路允許DSO只捕捉非正常的信號特性，因而示波器只要處理很少的信息。由于完善的通信鏈路的誤碼率非常低，在觸發(fā)產(chǎn)生前必須檢驗大量的信息。結果是，應汩的采集率仍然引人注目。

許多DSO的設計需要折衷，因為示波器仍然是可視的測試儀器。示波器根據定義是以顯示為重點(diǎn)，但是采集的波形數據亦可傳輸至外部器件，例如打印機或計算機。隨著(zhù)更多的計算能力添加到DSO來(lái)提高其功能，示波器板上測量和分析結果亦可在數據I/O口上獲得。

示波器的誤差

信號完整性與示波器及其輸入有關(guān)。大多數DSO的增益不準確度是1%至5%，這是對直流來(lái)說(shuō)的。對于高頻的絕對增益很少有所規定，但是示波器的整個(gè)高斯型滾降特性保證瞬態(tài)響應是良好的。DSO顯示的相對增益準確度受前置放大器、衰減器和模傲轉換器(ADC)的影響，除非采用模擬示波器的靜電偏轉或陰極射線(xiàn)示波管，準確度不受顯示系統的影響。模擬示波器由于偏轉放大器和陰極射線(xiàn)示波管有誤差引人，總的增益誤差達到2%至3%。

LCD屏和磁偏轉陰極射線(xiàn)示波管以電視的速率驅動(dòng)，復合信號包括全部標志、菜單文本、圖形和波形。因而，波形至格子的相對準確度不受顯示器件線(xiàn)性度的影響。

格子線(xiàn)的絕對準確度可能有誤差，但是信號會(huì )準確定位在每條格子線(xiàn)上。相反地，模擬示波器的靜電偏轉陰極射線(xiàn)管的格子是腐蝕在玻璃上的，因此，任何偏轉放大器或陰極射線(xiàn)管的非線(xiàn)性都會(huì )增加總的增益誤差。

大多數民婦只有8位分辨率，少數DSO提供10或12位。例如對于生物醫學(xué)信號，由于含有未知的偏移電壓，采用10或12位系統的較大動(dòng)態(tài)范圍是有好處的。如果復雜信號要求垂直放大以便檢驗微細的部分，也需要更高的分辨率。

更高分辨率可由平均方式來(lái)獲得，這種方式的根據是大量無(wú)機噪聲出現在處理過(guò)程中，產(chǎn)生典型的均方根關(guān)系，例如采集信號16次可使信號分辨率改善4倍。

一種更可靠的辦法是加入定量的特別加權噪聲來(lái)擾動(dòng)ADC輸入。在每次取樣過(guò)程中，ADC輸入從實(shí)際輸入信號值偏移一點(diǎn)點(diǎn)，擾動(dòng)的偏移量、方向和分布是預置的，以便保證擾動(dòng)過(guò)程的平均高分辨率數據不會(huì )產(chǎn)生頻譜失真。

帶來(lái)的問(wèn)題是擾動(dòng)使ADC的峰一峰值范圍降低，其幅值與擾動(dòng)信號值相等。因為分辨率的改善程度與擾動(dòng)信號和求平均的樣本數成正比，所以能夠實(shí)現的改進(jìn)有一定限制。

數字化儀

數字化儀的輸出數據進(jìn)行分析可發(fā)現趨勢、異常、參數分布、以及最大最小值。數字化儀的設計著(zhù)重信號的可信度、數據傳輸率或通道數，對某些應用會(huì )特別適用。數字化儀設有顯示部分。

示波器與數字化儀的用途是不同的，示波器是最有用的尋找故障工具，通常用于研發(fā)環(huán)境。利用示波器可觀(guān)察實(shí)時(shí)信號和確定被測器件的性能表現。波形數字化儀在問(wèn)題已經(jīng)知曉和需要更多的特殊信息時(shí)起更大的作用。