测试仪器大不同:比较数字示波器与数字化仪优势与缺陷

牛顿出版社的电信辞典把数字化仪定义为把模拟信号转换成数字表示的器件，转换功能通常由规定的速率对模拟信号取样来实现，并且每个样本编码成样本幅值的数字表示。

该字典把示波器定义为能够显示波形和其它信息在电视那样的阴极射线管上的器件。示波器与数字化仪有根本的差别，因为它是测试用的模拟仪器。波形显示是最重要的因素。

数字化仪是嵌入式模块，例如由VXI总线或相似测试系统的系统计算机来控制的模块。小型数字化仪在实体上和电气上嵌入到膝上型计算机，可提供与示波器相似的效能，但虚拟用户界面却没有实际旋钮和按钮那样易懂和易用。但是，数据分析和报告中在同一仪器完成，数字化的波形在数字屏上显示。

示波器

触发扫描的模拟示波器仍然每年售出数以万台计。它们的价格非常实惠和速度快速，容易观察两个以上输人信号的相互关系。为了模拟示波器的使用，信号必须是接近重复性的。

如果信号完全不是重复性的，情况会变成怎么样?或者信号变化很慢，用1秒/格耐基显示的信号 波形只是一个慢移动的光点?数字存储示波器(DSO)可以解决这两个特殊情况。

DSO的取样率可以比被测信号所含有的频率高得多，无需重复出现就可捕捉到单次的瞬变，类似刷新阴极射线管的显示荧光体那样。在DSO中，数字化的数据连续从半导体存储器重放，其速度由显示器件要求的产生波形图像的时间来决定。

早期的DSO通过驱动每个轴的数镇转换器把波形显示在静电阴级射线示波管上。许多这种仪器同样作为普通模拟示波器使用。工程师不完全相信DSO的功能，需要转换至模拟方式来验证他看到的波形是否正确。

还有更好的理由，模拟示波器可对多种信号提供优异特性。的确，采用扫迹增强或彩色来增强DSO的显示信息密度克服一部分缺点。但是，甚高的触发率，高的垂直显示分辨率、高的水平和亮度分辨率、甚高的瞬时响应控制都是模拟示波器的高超特性。当观察调制、复杂信号时更为明显，对DSO的数据采集、压缩和显示能力提出难以解决的问题。

DSO的长处是显示低或高速信号，此时模拟示波器受到需要采用特殊阴极射线示波管的限制。模拟示波器综合有易于使用、高的时间和幅度显示分辨率、显示包络特性有重要作用的调制波形等优势。如果要求存档或进一步分析数字化信号，则DSO是唯一有效的解决方案，即使模拟示波器具有更好的波形表示。

DSO的最大改进是增加了取样率，保证大多数信号都具有足够的过取样。因而，显示在现代DSO的波形通常就是输入信号，而不是使人感兴趣的但却是完全虚假的混叠信号。当然，信号亦变得更快，混叠还会出现。早期有DSO取样率低，经常出现混叠，导致工程师要花数小时去寻找不存在的问题。

今天的DSO采用完善的数字信号处理来平衡用户所需的长存储器和快速显示刷新率，而不会产生空间或时间的虚假混叠信号。需要同时采用高采集率的情况下问题就更严重了。

信号完整性是廿世纪九十年代叫得最响亮的术语，正好符合数字数据通信和元线服务的爆炸性增长。快速触发电路允许DSO只捕捉非正常的信号特性，因而示波器只要处理很少的信息。由于完善的通信链路的误码率非常低，在触发产生前必须检验大量的信息。结果是，应汩的采集率仍然引人注目。

许多DSO的设计需要折衷，因为示波器仍然是可视的测试仪器。示波器根据定义是以显示为重点，但是采集的波形数据亦可传输至外部器件，例如打印机或计算机。随着更多的计算能力添加到DSO来提高其功能，示波器板上测量和分析结果亦可在数据I/O口上获得。

示波器的误差

信号完整性与示波器及其输入有关。大多数DSO的增益不准确度是1%至5%，这是对直流来说的。对于高频的绝对增益很少有所规定，但是示波器的整个高斯型滚降特性保证瞬态响应是良好的。DSO显示的相对增益准确度受前置放大器、衰减器和模傲转换器(ADC)的影响，除非采用模拟示波器的静电偏转或阴极射线示波管，准确度不受显示系统的影响。模拟示波器由于偏转放大器和阴极射线示波管有误差引人，总的增益误差达到2%至3%。

LCD屏和磁偏转阴极射线示波管以电视的速率驱动，复合信号包括全部标志、菜单文本、图形和波形。因而，波形至格子的相对准确度不受显示器件线性度的影响。

格子线的绝对准确度可能有误差，但是信号会准确定位在每条格子线上。相反地，模拟示波器的静电偏转阴极射线管的格子是腐蚀在玻璃上的，因此，任何偏转放大器或阴极射线管的非线性都会增加总的增益误差。

大多数民妇只有8位分辨率，少数DSO提供10或12位。例如对于生物医学信号，由于含有未知的偏移电压，采用10或12位系统的较大动态范围是有好处的。如果复杂信号要求垂直放大以便检验微细的部分，也需要更高的分辨率。

更高分辨率可由平均方式来获得，这种方式的根据是大量无机噪声出现在处理过程中，产生典型的均方根关系，例如采集信号16次可使信号分辨率改善4倍。

一种更可靠的办法是加入定量的特别加权噪声来扰动ADC输入。在每次取样过程中，ADC输入从实际输入信号值偏移一点点，扰动的偏移量、方向和分布是预置的，以便保证扰动过程的平均高分辨率数据不会产生频谱失真。

带来的问题是扰动使ADC的峰一峰值范围降低，其幅值与扰动信号值相等。因为分辨率的改善程度与扰动信号和求平均的样本数成正比，所以能够实现的改进有一定限制。

数字化仪

数字化仪的输出数据进行分析可发现趋势、异常、参数分布、以及最大最小值。数字化仪的设计着重信号的可信度、数据传输率或通道数，对某些应用会特别适用。数字化仪设有显示部分。

示波器与数字化仪的用途是不同的，示波器是最有用的寻找故障工具，通常用于研发环境。利用示波器可观察实时信号和确定被测器件的性能表现。波形数字化仪在问题已经知晓和需要更多的特殊信息时起更大的作用。

数字化仪和ADC的基础是ADC。对较慢的甚高分辨率的应用，Σ-Δ转换器可提供20位以主的分辨率，即1ppm。当然，噪声和放大器非线性会迅速降低性能至16位以下，即使这样，16位分辨率也比8位分辨率的示波器高出256倍。

典型的20MS/s数字化仪具有0.5%基本精度，68dB共模抑制比(CMRR)。12位分辨率。相对地，有代表性的100MHz、8位DSO的通道隔离指标是在0-20MfZ时大于40dB，精度是1.5%。

数字化仪采用有限带宽滤波器，输入时最适于时域或频域使用。使用突变的带通产带阻滤波器，例如切比雪夫滤波器非常有效地减少混叠，但在时域引人振铃。

在频域内与滤波器有关的误差可修正，从而获得精确的频谱。突变较慢的贝塞尔滤波器在时域具有好得多的信号特性，无需修正，但不能完全抑制混叠。

示波器作为数字化仪使用

最快的示波器和数字化仪通常都采用并行的闪速转换器和8位的分辨率。8位或256级数字化足够表达一个比较平滑和容易了解的波形显示。因此，为何不用DSO作为数字化仪，特别对于高速信号，两种仪器都难以获得8位以上的分辨率。

事实上，这样做的结果是满意的，但是也有例外。示波器是非连续采集仪器而数字化仪可以不是那样。示波器捕获信号后再捕获更多信号之前要有地方放置数据，除非采用类似电视帧速率的连续波形采集把数据存人像素映像。这样的采集和等效显示率很高，但数据格式使进一步的外部分析数据量非常巨大。

除上述特殊处理外，示波器只能以很低速度连续采集和显示信号。数字化仪可获得连续的100MS/s或更高的吞吐率，只受存储器总线速度的限制。例如一种PCI总线的数字化插卡，数据传输率达到100MB/s，PCI总线可工作至66MS/s(132MB/s)。

示波器的吞吐率受较慢、低的I/O能力的数据处理速度的限制。速度较慢的数字化仪和数据记录器可将数据直接写人硬盘，存档几GB的数据，而示波器一般最高只有16MB。如果从另一方面看数据传输率，许多应用只需要捕捉偶发性数据，但这些突发信号可能很接近。这时快速地传输数据记录就十分重要，这类信号有高重复脉冲频率(PRF)的扫描雷达、时间分辨的超声声纳、飞行时间的质谱仪、以及核子计数等应用。