2020年08月31日 | 如何选择示波器-专题三

该系列我们将来讨论PicoScope示波器的软件特征，例如，远程控制、FFT、数字解码和缓存大小等。

前两个系列，我介绍了PC示波器和台式之间的区别，探头的物理特性和示波器的核心参数，如模拟带宽、采样率和ADC分辨率等特性。本系列将介绍示波器的其他特征：外部触发和时钟同步，并且我会总结一下所有我讲过的东西。

一、储存深度

数字示波器通过ADC转换器将模拟信号转换成数字信号，然后将其存储在存储器中，所以示波器的一个重要特征就是它能够储存多少样本，即缓存深度。这个参数在高速采样率下尤为重要---例如，在采样率5GS/s时，一百万个样本（1MS）意味着能够存储200μs的数据。一般情况下，一台低价位的示波器只有很小的缓存空间。在网上你可以看到一款这样的示波器Hantek DSO5202P，采样率1GS/s 的采样率，但是只卖400美元，因为它的记录长度只有24KS而已，即只能记录24μs的数据。你也可以发现缓存更小的示波器，例如一款型号为Agilent TDS2000C的示波器就只有2.5K的缓存深度。如果你只关注触发信号，那你可以选用更小缓存的示波器。但是，当用触发也无法捕捉到一些特殊故障时，你可能就需要一个大的缓存来捕捉长时间连续信号，以便于从中查找故障。小的缓存意味着在你很难去获得你想要的信号。

即是一些示波器声称大缓存，但是实际上，我们想要获得全部的缓存也是有困难的。PS6403D示波器是PicoTech的其中一款1GS缓存的示波器，在配套的软件上可以设置示波器的所有参数，但是该软件实际上的将驱动缓存限制在500MS左右。然而我不得不承认这真的是非常让人印象深刻的，直到存储器存满之前，一直能够保持5GS/s的采样速度，就算它建议的存储器带宽是40Gb/s！。借助于分段存储器（这个将来会介绍）我们可以用到全部的缓存，但是它不能用来捕捉一个连续的1GS大小的数据长度。

二、FFT长度

示波器的广告总会在间接地提到它们有“频谱分析仪”的功能。事实上，示波器只是对采集到的信号进行了FFT变换。一个明显的区别是频谱分析仪有一个“中心频率”，你可以在中心频率的任意一侧测量实际带宽。通过扫描中心频率，你可以得到频域中一个非常大范围内功率图表。

示波器的FFT的模式，没有什么类似于中心频率的东西。它测量从0Hz到某个特定的频率（这个上限频率往往是可以调节的）。这个限制往往是示波器的采样频率的一半，但是也会受示波器的模拟带宽的限制。示波器的频谱分析中有一个参数“FFT长度”，表示多少采样点被用来计算FFT。这个参数也可以用图表中 “bins”的数量（例如水平频率分辨率）表示。有些的台式示波器也许会有一个固定的FFT长度，例如只有2048个FFT长度。这个可以看得到0-100MHz 的所有频率，但是如果你想要放大观测95-98MHz这个范围频谱该怎么办呢？因为示波器实际上是从0Hz开始计算FFT，所以这个范围只能显示大约60个采样点的频谱。这就是为什么我们需要非常长的FFT长度—它允许您放大信号并观测局部信号频谱细节。你可以降低示波器的采样率，放大观测0Hz附近的频谱。当然，如果你想要精确的测量1-10kHz范围的频谱时，设置合适的采样率，让2048个采样点分布在0~20kHz附近，当你放大波形的时候你也可以得到正确的细节。这种情况下，2048个FFT长度也是没有问题的。

另外，为了提高水平方向的细节，更长的FFT长度可以降低噪声。如果你想要把示波器来进行频谱分析，那么更长的FFT长度将助你一臂之力。就像在图1中显示的那样，是用控制板的磁性探头来进行FFT。在这里我放大了频谱的一部分，左边是2048个点的，右边有131072个点。

图1不同FFT长度的频谱分析对比图

选择示波器时需要注意：低端小缓存示波器往往有很短的FFT长度。当然也有一些深度缓存示波器，它们却拥有很短的FFT长度，例如Rigol DS2000DS4000DS6000，从这些型号的规格书中看出，虽然他们有131MS的缓存深度，它们只用了2048个采样点。相比之下，PC示波器是比较好的，因为它们可以在更加高性能的PC上做FFT分析，而不是仅仅局限于DSP处理器或者是一个FPGA处理器。比如说，Pico6403D允许FFT的长度达到1,048,576个采样点。

三、段存储器

我认为示波器必须具备的一个功能就是段存储器。这就意味着你可以设定一个触发事件，连续采集多个的波形。对于一些偶发性毛刺，段存储器可以帮助您更快的找到它。

图2中显示的是PicoScope软件上的段存储器查看器，可以设置高达10，000存储段，同样Rigol DS4000和DS6000中也有该功能，它们称之为“帧”，最高记录200,000帧。一旦捕捉了一定数量的数据段/帧，你可以手动查看各个缓存，从中查找错误，或者用一些其他的功能，例如遮罩测试高亮显示各个帧/存储段中的异常数据。

图2  段存储器显示窗口

有些示波器会把段存储器作为一个插件，例如，安捷伦示波器中除了3000X系列默认有段存储器的功能外，其他系列的示波器默认的没有这个功能，除非花钱额外购买段存储器插件。

四、远程控制和流模式

一个更先进的方法是用电脑来控制示波器。如果你想要把示波器用在电子产品的故障检测中，那你就需要详细了解一下示波器提供的各种功能。

PC示波器在这方面就有很大的优势，因为它本身就是用来和电脑交互的。似乎大多数主流的PC示波器供应商都提供各种语言下编程接口（API）：我发现大部分PC示波器都提供了C, C#, C++, MATLAB, Python, LabVIEW和Delphi开发例程。一些不出名的PC示波器是没有API函数的，所以你要仔细核对待购买的设备是否具有该功能。

大部分的台式示波器也有发送命令的功能，一般都会遵循一些的标准，例如VISA标准。但是，我发现这些台式示波器似乎都有一个比PC示波器更慢的接口。也许是因为，对PC示波器来说，与PC接口的是一个至关重要的功能，而台式示波器只是作为一个附加的功能。当然，这说法也不是百分之百成立的，比如说一款Teledyne LeCroy的示波器，它似乎可以提供给你一些类似于PC示波器的功能（如多重窗口）。

除了控制示波器，另一个让人感兴趣的功能是流模式。流模式的数据是不经过示波器的缓存，而是直接地通过USB接口或以太网等PC接口传输到电脑上。与简单通过命令来控制示波器相比，这个功能更加复杂，因为想要通过USB获取更快的数据流绝非易事。但是，流模式却带来了更多有趣的特性，例如，你可以把你的示波器当作软件定义的无线电（SDR）的一部分。如果你真的想用流模式，请务必要仔细地阅读说明书上关于流模式的限制的说明。

五、串行解码

串行解码是另一个非常有用的功能。如果你有一台数字逻辑分析仪，那么它一般都会包括串行解码的功能。但是，在示波器中，这个功能也是非常有用的。如果你要查找一个偶发的奇偶校验错误，可以用示波器上的模拟显示来观察这个错误，看看是由于信号弱导致的还是因为噪声引起的。

虽然很多示波器都带有这样的功能，但是很多是要求你另外购买的。一般情况下， PC示波器包含该功能且不需要额外付费，而台式示波器会要求你另外付费。比如，在DS4000系列中，它要500美元，在安捷伦3000X系列中，要800美元，在泰克的3000系列中，需要1100美元。根据不同的供应商，它可能包括多个协议或者只是包括一个协议。但是如果你想要所有的协议，它的费用可能比示波器本身还要贵。一般情况下，购买一个PC逻辑分析仪会比购买一个示波器软件包还便宜。

我选择PC示波器的另一个主要原因就是额外的功能不需要额外的费用！不用串行解码时，你也可以观察信号，看看是否有噪声。有了内置解码功能，你可以很快地辨别出错误发生的位置。我录制了一些串行解码的例子，点击链接进入

https://v.youku.com/v_show/id_XODQ0Mzc2MjM2.html

六、软件特征

我已经好几次在前面提到，你应该检查一下软件真正包括了哪些功能。你也许会惊讶地发现一些需要付费的功能—例如，有时甚至FFT的模式或是高级数学通道的功能都是需要额外付费的。

我们常常希望能够以一个合理的价格购买示波器的所有功能。在我之前也提过，安捷伦最近就声称他们将会在一个价格里面包括所有的功能。一旦这个实现了，那么就意味着只要500到1500美元就可以买到所有协议的解码功能和所有的计算功能。庆幸的是，其他的供应商将会跟随着这个，也许最后会在购买价格里面包括这些功能。

如果您正在考虑购买PC示波器，即是没有示波器硬件，你也可以到PicoTech的官网上免费下载和试用软件，这可以让你体验一下PicoScope软件的用户接口有多么方便。一般情况下，你都是需要考虑多长时间能够学会使用示波器的各种操作。

七、总结

这一次，我介绍了很多功能，包括用软件来运行示波器。下一次我将会深入探讨一下示波器其他的功能，比如外部触发和时钟同步，这些会让整个专题看起来更加完善。