示波器是硬件研发、实验和维修中用途最为广泛、功能强大的测量仪器。它最基本的作用是把电子电路中的电信号转换成可视化图像,直观地展现电信号的实时变化、周期性记录。
本文延续了之前《如何打造自己的低成本电子实验室?》一文,针对示波器做进一步的攻略:
先说说我的大概情况,虽然我已经做了10多年硬件开发,开发成型并实际应用的产和板卡也挺多了,会用示波器的基本功能也经常需要用到,用过模拟示波器,用过一两千的国产数字示波器,也用过十多万的泰克,但是对示波器的选择其实挺模糊的,所以最近上网找了各种资料重新学习了一下,对示波器的基础需求做了梳理,知道了为什么有些示波器那么贵,为什么有的很便宜,我们一般工程师或者技术人员该怎么选择示波器?本文尽量通俗易懂地讲明白重要的内容。
分为4部分来介绍:
示波器的作用
数字示波器的重要参数
品牌介绍与型号选择
示波器的作用:
利用示波器能够具体测试得到各种不同的电参数,如电压、电流、频率、相位等等,通过这些参数以及波形,又能分析到你所想要的目标结果,太高深的我们不去深究,就举几个经常用到的实用例子,相信各位同行都有同样的经验:
案例一、模拟信号中通过电源的纹波来分析该电源的质量,有助于工程师来判断纹波频率、幅度,进而来设计针对性的改善方案:
案例二、通过最为常用的触发方式捕捉到数字波形来判断简单的通信协议,有助于在调试外设时,设备之间的逻辑关系,来判断自己的软件是否存在bug,并快速修复和验证;数字示波器的存储深度可以记录一段时间内所有的波形,使得转瞬即逝的电信号直观的延展开来,也可以通过数据接口导出到电脑上做更进一步的数据分析:
案例三、在维修电路板中定位故障信号,通过波形幅度异常,同一组信号中很快发现不正常的数字波形,找到了2根信号短路在一起,而这种用万用表发现效率是很低的:
案例四、信号完整性分析,大到高速信号质量的眼图分析,小到一根信号线上的振铃现象改善,改善前后通过示波器一目了然:
数字示波器的重要参数:
带宽、采样率、存储深度、通道数、波形刷新率、时间轴宽度。
带宽:是示波器的核心参数,决定了示波器的性能等级,大家知道,示波器本身也是电子电路组成,电路上的元器件对频率有一个响应范围,一个示波器的性能越高,能处理的信号频率越高,能捕捉到更高频率的输入信号。
而被测信号,往往是不同频率叠加后的波形,如果示波器的带宽很低,信号的高频部分就会丢失,被测信号的波形就会失真。
带宽的单位是(Hz),带宽对应的是信号频率。
示波器的带宽和被测信号的频率一般来讲有个5倍关系,即100M采样率的示波器,能检测到的被测信号的最大频率为20M。
采样率:事实上我们看到的示波器上的波形,是一个个点连接起来组成的图形,而这个点越密,则采样率越高,波形越精准,道理挺简单,放个图看看就更加简单,图中靠上的都是原始波形,左边只有6个采样点的情况下,失真很厉害,27个采样点时,波形更接近原波形:
采样率的单位是(Sa/s),其中Sa是sample的缩写,整个意思就是每秒的采样点数量,比如我们常说的采样率为1G Sa/s的示波器,就是1秒钟能采样1G个采样点的意思。
存储深度:代表了一次可以连续记录的信号点的数量,它影响了波形回放的分辨率,这个存储深度当然是越大越好的,同样的时间显示单位下,存储深度越大,波形越不容易失真。当然存储深度越大,需要更大的存储器,存下来的数据还要显示到屏幕上,兼顾用户体验,所以对CPU的负荷也越高。
存储深度这个参数的单位是(pts),是points的缩写,意思就是采样点,比如250Mpts,就代表了该示波器能存储250M个点的数据。
通道数:名义上很好理解,就是你们能看到的示波器上探头接入的数量,一般用用双通道就够了,高端示波器往往具备4通道或以上,还有混合通道,多路模拟+数字通道的配置,这种配置的示波器简称MSO,它在普通示波器功能基础上实现了一定的逻辑分析功能。
波形刷新率:波形每秒钟的刷新次数,示波器的屏幕刷新率一般就是几十Hz,波形刷新率不等同于屏幕刷新率,示波器内部有波形合成,示波器上显示的一幅图像,实际上是有多帧波形合成,更高的波形刷新率不容易漏过那些突变的波形,带来更真实的展示。
波形刷新率的单位是(wfms/s),意思就是每秒能刷新的波形数量。
示波器品牌、型号介绍:
先附上一个国外大神整理的链接,记录了大量示波器的参数,感谢他的贡献,例图就是一部分示波器的详细核心参数,非常直观:
https://www.eevblog.com/forum/testgear/digital-oscilloscope-comparison-chart/www.eevblog.com
Tektronix:全球数字示波器的领导者,泰克的每一台示波器都有泰克自主开发的ASICs芯片,70多年的行业经验,从开发到生产工艺到可靠性测试,专业的代名词。大家想一想,电子行业有很多复杂的电磁干扰环境,如果示波器这种计量设备本身不可靠,那么测试出来的结论也是不精确的。另外是易用性,泰克的示波器操作比较简单,新手也比较能快速上手。
选泰克的示波器的大部分是企业或科研实验室用户,品质好,价格也不是那么友好,基础款就没必要选泰克的,性价比不高;尽量选带有混合通道,有数据分析能力的型号:
型号:MSO2024B 带宽:200MHz 采样率:1G Sa/s 存储深度:1M pts 通道数:4模拟通道+16数字通道 带有逻辑分析功能
Agilent / Keysight:美国的惠普成立于1939年,从事电子测量行业,安捷伦是上世纪90年代美国惠普在研发部门单独分离出来的科技公司,而2013年安捷伦又拆分为2个公司,其中做测量设备的就是现在的是德科技,安捷伦的产品在无线通信、航空国防、工业、半导体等行业里市场份额处于领先地位。
型号:DSOX3052T 带宽:500MHz 采样率:5G Sa/s 存储深度:4M pts 波形刷新率:1M wfms/s 通道数:2模拟通道+16数字通道 带有逻辑分析功能
Rohde-schwarz:简称R/S的德国著名测试、测量仪器制造商,做频谱仪,做各种无线通信测试设备,它的示波器也是以频谱分析功能比较有优势,只是国内用的少,产品形态比较新颖,大屏幕+触摸操控的方式,带来更多体验。
型号:RTB2004 带宽:200MHz 采样率:2.5G Sa/s 存储深度:20M pts 波形刷新率:50K wfms/s 通道数:4模拟通道+16数字通道 10寸大尺寸电容触摸屏,带逻辑分析
以上几款示波器,属于看看就行,除非是单位购买,普通工程师、DIY电子爱好者没有这个必要选购太贵太专业的示波器,下面列出的是国产示波器中口碑较好,实用、实惠的品牌和型号:
Rigol(普源):20多年前,3个北工大学生创立的普源,第一款做的是虚拟示波器;普源是国产品牌里唯一拥有自研芯片的示波器,代表了我们国家的示波器最高水平,普源在示波器芯片上的开发是投入了巨大成本的,虽然和国际一线品牌的差距还很大,但普源在不断挑战新的指标,进步迅速,最新的普源示波器,带宽已经可以做到2GHz,采样率10Sa/s。
型号:DS1102Z-E 带宽:100MHz 采样率:1G Sa/s 存储深度:24M pts 波形刷新率:30K wfms/s 通道数:2模拟通道 非常适合工程师、学生、个人电子爱好者使用
普源(RIGOL)DS1102Z-E 数字示波器显波器 100MHz模拟
待续,建议持续关注下,二三线品牌的示波器没有太多自己的核心技术,也有参数虚标的,虚拟示波器不安全就不推荐……
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