選擇數(shù)字化儀/示波器需要考慮的10個方面

1. 帶寬

帶寬描述的是輸入信號能夠以最小幅值損失通過模擬前端的頻率范圍——從探針的針頭或測試夾具到ADC的輸入端。帶寬通常規(guī)定為正弦輸入信號衰減到其原始幅度的70.7％時的頻率，該頻率也稱為-3dB點。

在一般情況下，建議數(shù)字化儀的帶寬應至少是信號最高頻率分量的兩倍。

示波器和數(shù)字化儀通常用于測量諸如數(shù)字脈沖或其它具有尖銳邊緣的信號的上升時間。這些信號由高頻分量組成。為了捕捉信號的真實形狀，我們需要使用高帶寬的數(shù)字化儀。例如，一個10 MHz的方波是由一個10MHz的正弦波及無窮多的諧波組成。為了捕捉這個信號的真實形狀，數(shù)字化儀的帶寬必須足夠大才能捕捉其中一些諧波。否則，信號會失真，導致測量不正確。

一般來說，可以使用下面的公式來根據(jù)上升時間（定義為從信號幅度的10％上升至90％的過渡時間）計算出信號的帶寬。

理想情況下，數(shù)字化儀的帶寬應為根據(jù)上述公式計算的信號帶寬的三到五倍。換句話說，數(shù)字化儀的上升時間應該是信號上升時間的1/5至1/3，從而以最小的誤差采集信號。您可以通過以下公式來推算出信號的實際帶寬：

2. 采樣速率

在上一節(jié)中，我們介紹了數(shù)字化儀或示波器的最重要指標之一¬——帶寬。然而，如果采樣率不夠高的話，高帶寬的性能就會大打折扣。

帶寬描述的是正弦波能夠以最小衰減進行數(shù)字化的最高頻率，而采樣率就僅僅是數(shù)字化儀或示波器中模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）將輸入信號數(shù)字化的時鐘速率。請記住，采樣率和帶寬沒有直接的關(guān)系。然而，通常情況下我們希望這兩個重要指標之間具有這樣一個關(guān)系：

數(shù)字化儀的實時采樣率=3?4倍數(shù)字化儀的帶寬

奈奎斯特定理指出，為了避免混疊，數(shù)字化儀的采樣率至少需要為被測信號中最高頻率分量的兩倍。然而，采樣速率剛好等于最高頻率分量的兩倍并不足以準確地再現(xiàn)時域信號。為了準確地數(shù)字化輸入信號，數(shù)字化儀的實時采樣率應至少為數(shù)字化儀帶寬的三到四倍。下面的圖可以幫助您理解其中的原因。觀察下面的圖，想想您希望在示波器上看到什么樣的數(shù)字化信號。

雖然這兩種情況下通過前端模擬電路的實際信號是相同的，但是左側(cè)的圖像處于欠采樣狀態(tài)，即數(shù)字化的信號失真了。另一方面，右側(cè)的圖像具有足夠的取樣點，能夠精確地重建信號，從而使測量更精確。由于清晰地表示信號對于時間域應用，如上升時間、過沖或其它脈沖測量來說非常重要，因此具有更高采樣速率的數(shù)字化儀無疑是這些應用的不二之選。

3. 采樣模式

采樣模式主要有兩種——實時采樣和等效時間采樣（ETS）。

上一節(jié)討論的就是實時采樣率，它描述了ADC的時鐘速率，規(guī)定了單次采集輸入信號的最大速率。另一方面，等效時間采樣就是基于一系列在單次模式下采集的觸發(fā)波形來重建信號的一種方法。 ETS的優(yōu)勢是它提供了較高的有效采樣率。但是，它的缺點是需要較長的時間，并且只適用于重復信號。請注意，ETS并不會增加數(shù)字化的模擬帶寬，僅適用于當您需要以更高的采樣率重構(gòu)信號的情況。 ETS常見的一種實現(xiàn)是隨機交錯采樣（RIS），下表中列出的大多數(shù)NI數(shù)字化儀均具有該功能。

4. 分辨率和動態(tài)范圍

如上所述，數(shù)字示波器和數(shù)字化儀都通過ADC將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。ADC返回的比特數(shù)就是數(shù)字化儀的分辨率。對于任意給定的輸入范圍，以數(shù)字方式表示信號的可能離散電平點數(shù)為2b，其中b是數(shù)字化儀的分辨率。當輸入范圍分成2b級時，數(shù)字化儀可檢測的最小可能電壓就表示為（輸入范圍/2b ）。例如，一個8位數(shù)字化儀把10 Vpp的輸入范圍分為28=256級，每級39毫伏，而24位的數(shù)字化儀則將相同的10 Vpp輸入范圍分為224 = 16,777,216級，每級596 nV（比8位數(shù)字化儀約小65,000倍）。

使用高分辨率數(shù)字化儀的其中一個原因是測量小信號。有人會問，為什么不直接使用較低分辨率的儀器和較小的電壓范圍來“放大”信號，從而測量小電壓？原因在于，許多信號同時具有小信號和大信號分量。使用較大的輸入范圍可以測量大信號，但此時小信號將會變成大信號的噪聲。另一方面，如果使用很小的電壓范圍內(nèi)，那么就會使大信號削波，導致測量失真和無效。因此，對于涉及動態(tài)信號（同時具有大小電壓分量的信號）的應用，就需要使用具有寬動態(tài)范圍（數(shù)字化儀在大信號存在的情況下測量小信號的能力）的高分辨率儀器。

傳統(tǒng)示波器通常使用具有8位分辨率的ADC，這對于涉及頻譜分析或動態(tài)信號（如調(diào)制波形）的應用是不夠的。一個更高性能的示波器將有助于許多應用順利實現(xiàn)。

5. 觸發(fā)

通常情況下，示波器和數(shù)字化儀用于基于特定事件的信號采集。儀器的觸發(fā)功能可允許您隔離該事件，并在事件發(fā)生前后捕獲信號。大多數(shù)數(shù)字化儀和示波器包括模擬邊沿、數(shù)字和軟件觸發(fā)。其他觸發(fā)選項包括窗、滯后和視頻觸發(fā)。

高端數(shù)字化儀具有很短的觸發(fā)間重置時間，從而可實現(xiàn)多記錄采集模式，在該模式下，數(shù)字化儀在獲得給定的觸發(fā)信號后開始采集一定點數(shù)的數(shù)據(jù)，然后快速重置，并等待下一個觸發(fā)。快速重置特性確保了數(shù)字化儀不會錯過任何事件或觸發(fā)。多記錄模式對于捕獲和存儲僅我們需要的那部分數(shù)據(jù)非常有用，這樣可以優(yōu)化板載內(nèi)存的利用并限制PC總線的活動。

6. 板載內(nèi)存

很多時候，數(shù)據(jù)是通過數(shù)字化儀或示波器傳送到PC進行測量和分析。盡管這些儀器能夠以其最大速率（通常在幾GS/s范圍內(nèi)）進行采樣，但是數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C的速率卻受到PCI、LAN、GPIB等連接總線的帶寬的限制。雖然目前這些總線都無法提供GS/s級的速率，但隨著PCI Express和PXI Express實現(xiàn)了GB/ s級的數(shù)據(jù)速率，這已經(jīng)不是一個問題了。

如果接口總線無法以與采樣率相同的速率持續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，那么板載內(nèi)存可以使儀器以最大的速率采集信號，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC進行處理。

容量大的內(nèi)存不僅可以增長采集時間，還提供了頻域方面的優(yōu)勢。最常見的頻域測量是快速傅立葉變換(FFT)，用于顯示信號的頻率分量。如果FFT具有更高的頻率分辨率，就可以輕松地檢測到離散頻率。

根據(jù)上面的公式，有兩種方法可以優(yōu)化頻率分辨率——降低采樣率或增加FFT的點數(shù)。降低采樣率通常不是理想的解決方案，因為這意味著頻率范圍也會隨之減小。在這種情況下，唯一的解決辦法就是增加FFT的采樣點數(shù)，這需要更大容量的板載內(nèi)存。

7. 通道密度

購買示波器或數(shù)字化儀時應考慮的一個重要因素是儀器的通道數(shù)或者通過同步多臺儀器來擴展通道的能力。大多數(shù)示波器具有兩到四個通道，每個通道以一定的速率同時采樣。在使用數(shù)字化儀的所有通道時，需要注意哪些因素會對采樣率產(chǎn)生影響。這是由于一種稱為時間交錯采樣的常用技術(shù)，該技術(shù)通過將多個通道交錯來實現(xiàn)更高的采樣率。如果數(shù)字化儀或示波器使用這種方法，而您正在使用所有通道，則您可能無法獲得最大采集速率。

所需的通道數(shù)完全取決于您的具體應用。通常情況下，傳統(tǒng)的兩到四個通道可能不能夠滿足特定應用的需求，在這種情況下，您有兩種選擇。第一種是使用更高通道密度的儀器，如8通道（同步）NI PXI-510512位60 MS / s 60 MHz數(shù)字化儀。如果您無法找到符合您分辨率、速度和帶寬要求的儀器，這時您應該考慮采用一個可以讓您通過緊密同步來擴展測試系統(tǒng)并允許觸發(fā)器和時鐘共享的平臺。雖然由于高延遲、有限的吞吐量和需要外部電纜連接，要通過GPIB或LAN來同步多個臺式儀器幾乎是不可能的，但是PXI卻提供了一個出色的解決方案。 PXI是一個行業(yè)標準，可將一流的同步技術(shù)添加到當前較高速率的總線上，如PCI和PCI Express。

多臺設備的同步是許多應用的關(guān)鍵需求，這往往會增加軟件開發(fā)時間。但是基于同步和存儲核心（SMC）架構(gòu)的NI數(shù)字化儀可以利用NI-TClk技術(shù)幫助工程師以最少的精力實現(xiàn)精確的同步。 NI-TClk提供了用于多個NI數(shù)字化儀、任意波形發(fā)生器、高速數(shù)字I/ O設備同步編程的高層接口。此外，此類數(shù)字化儀還提供了各種預先編寫的實例，用于執(zhí)行這一類型的同步，幫助您更輕松進行開發(fā)。以下是在LabVIEW環(huán)境中編程多個PXI數(shù)字化儀以實現(xiàn)均相同步所需的三個函數(shù)（niTClk Configure for Homogeneous Triggers、niTClk Synchronize和niTClk Initiate）：

8. 多儀器同步

幾乎所有的自動化測試和許多臺式應用都會需要使用多種類型的儀器，如示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字波形分析儀、數(shù)字波形發(fā)生器和開關(guān)。

PXI和NI模塊化儀器固有的定時和同步功能可讓您無需外部電纜即可同步所有這些類型的儀器。例如，您可以集成數(shù)字化儀 (如NI PXI-5122)和任意波形發(fā)生器(如NI PXI-5421)來執(zhí)行參數(shù)掃描，這對于表征待測設備的頻率和相位響應非常有用。整個掃描可以自動化進行，從而避免了對示波器和信號發(fā)生器進行手動設置以及隨后的離線分析。使用PXI模塊化方法可大幅加快您的開發(fā)速度，并可讓您專注于結(jié)果，而不是獲得這些結(jié)果所需的繁瑣步驟，進而提高您的工作效率。

9. 信號混合功能

T-CLK技術(shù)可使您在單個PXI機箱內(nèi)創(chuàng)建高達136個同步通道的系統(tǒng)或者使用多個機箱實現(xiàn)多達5000個通道（如上一節(jié)所述）。舉例來說，NI數(shù)字化儀可以通過T-CLK技術(shù)與信號發(fā)生器、數(shù)字波形發(fā)生器和數(shù)字波形分析儀同步來構(gòu)建混合信號系統(tǒng)同步。

您還可以使用具有任意波形發(fā)生器和數(shù)字波形發(fā)生器/分析儀的模塊化PXI數(shù)字化儀來構(gòu)建一個完整的混合信號應用，同時使用示波器和邏輯分析儀的功能，而不僅僅是實現(xiàn)一個具有有限數(shù)字功能的混合信號示波器。

10. 軟件、分析功能和自定義化

在選擇您應用所需的模塊化數(shù)字化儀或獨立式示波器時，確定相應的軟件和分析功能是非常重要的，這個因素可幫助您在兩臺儀器之間做出選擇。

獨立式示波器的功能由廠商定義，而數(shù)字化儀則是由用戶定義，可幫助用戶靈活地滿足應用需求。臺式示波器提供了許多工程師通常需要的標準功能。但您可以想像，這些標準功能并也不能解決所有應用，特別是自動化測試應用。如果您需要定義示波器的測量功能，可以選擇模塊化數(shù)字化儀，而不是一個具有固定功能的獨立式示波器，模塊化數(shù)字化儀既可幫助您利用PC架構(gòu)，而且還可允許您根據(jù)具體需求定制應用程序。

NI數(shù)字化儀可使用免費的NI-SCOPE驅(qū)動軟件完全編程。該驅(qū)動程序包含了50多個預先寫好的范例程序，重點展示了NI數(shù)字化儀的全部功能，內(nèi)含的NI-SCOPE軟件前面板提供了類似于示波器的熟悉界面。同一個硬件可以使用NI LabVIEW、LabWindows/CVI、Visual Basic和.NET等編程語言針對各種應用進行編程，實現(xiàn)常見測量和自定義測量。該驅(qū)動程序還可在LabVIEW環(huán)境內(nèi)支持基于快速配置的函數(shù)。

11. 下一步

雖然模塊化數(shù)字化儀和獨立式示波器都可用于采集電壓信號，但這兩種儀器具有各自的優(yōu)勢。然而，上述討論的因素對于購買合適的儀器至關(guān)重要。事先考慮好應用需求、成本限制、性能和未來擴展性可以幫助您選擇最符合您所有需求的儀器。