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似曾相识——认识数字示波表

一、数字示波表的由来
数字示波表出身“豪门”。祖先要追叙到20世纪40年代。雷达和电视的出现需要性能良好的波形观察工具,这时候模拟示波器兴起,到70年代达到高峰。随后,高速A/D采样技术的应用及大规模集成电路的产生,为数字示波器设计、普及提供了充分的基础空间。由于数字示波器能充分利用记忆、存储和处理,以及多种触发和预前触发能力,解决了模拟示波器长久以来难以解决的对高速过程、瞬间过程记录和重现的难题。从此,数字示波器异军突起,大有全面取代模拟示波器之势。
数字示波表是在数字存储示波器基础上发展起来一种新型便于现场检测、维修使用的手持型仪表。高速采样技术的成熟,液晶显示器件的普及都为数字示波表发展铺平了道路。数字示波表覆盖了数字存储示波器的基本功能;完成对被测信号波形捕获和显示、并自动计算处理、提取峰峰值、平均值、有效值、频率、周期等信号参数,还可以测量电阻值、二极管正向压降、开路短路;采取直流供电,体积小巧,重量轻,携带使用方便、可靠。因而被称为掌上数字示波表和工业示波器,特别在家用电器、工业电器设备的现场安装调试、快速故障诊断排除、设备运行状况监测、日常检查维护,以及野外移动作业等场合,不必继续搬运笨重的台式示波器上场。
目前常见的国外品牌数字示波表有Fluke、Tektronix、Metrix 、Hantek、Svmmit、Velleman、Metex等,其中美国福禄克(Fluke)作为数字示波表测量领域的行业龙头,形成了强大的品牌效力,但其昂贵的价位,也使众多家电维修人员只能望梅止渴。
从2000年起,国内的一些院校、厂家开始研发数字示波表产品。主要的品牌有:成都五行、青岛汉泰克、郑州中健、镇江思宇、漳州利利普、东莞优利德、珠海伊万等等。由成都五行科技发展有限责任公司研制、开发的WX4451型数字示波表,可谓首款国产数字示波表;伊万科技开发的ET521A将数字示波表和视波万用表结合在一起,也是不错的创新。
图1~图8为市场上常见的数字示波表和视波万用表。
 
            
                   
   
据有关部门的统计资料显示,近几年国内对数字示波表的需求量每年可达上万台。因此,从行业需求上来看,20MHz带宽的产品是目前市场的主流。正是由于面对这样的市场需求,所以,国内数字示波表生产企业都把基础产品设定在20MHz带宽、100MS/s采样率的机型。美国福禄克(Fluke)公司销售量较大的数字示波表为F123和F124两个型号,其带宽分别为20MHz和40MHz,采样率为25MS/s。
 
二、数字示波表与视波万用表的区别
视波万用表的出现,弥补了万用表不能观测波形的缺憾,非常适合家电维修者使用,本文将立足不同视角,对数字示波表和视波万用表加以区别。
1.出身不同
数字示波表是从模拟示波器→数字读出示波器→数字存储示波器→数字示波表发展而来;
视波表是从指针式万用表→数字万用表→视波万用表发展而来。
2.用途不同
数字示波表是用来满足对测试对象的波形作出定量的分析,尤其工作在高频状态下;
视波表是作为测量过程中,观察被测信号是否正常的一种手段,主要工作在音频或工频范围内。
3.功能不同
数字示波表追求的是采样高速度、模拟宽频带、丰富的数学运算、指示精度以dB为单位;
视波表则以双积分A/D采样为测量结果,运用高速采样就是为了观测波形,不影响测量精度;不牺牲输入阻抗,具备万用表所有功能;
4.操作不同
数字示波表已经考虑传统示波器使用习惯,从波形分析角度,也需要约20个以上的按键配合,没有使用过示波器的人不容易掌握;
视波表在传统数字万用表基础上扩展为带波形显示,凡是使用过万用表的人群,只要按一个DIS键,就能自动转换为波形显示,基本不需调节。
5.价格不同
数字示波表是采用高速A/D、高速CPU、FPGA等昂贵器件,成本高,售价在2000元到10000元以上;
视波表是以万用表芯片为核心,配以点阵液晶和带高速A/D的CPU,成本相对较低,售价在几百元不等。
6.前景不同
数字示波表是作为手持式仪器发展,面向更多的是专业工程技术人员;
视波表是作为测量工具发展,易于普及到每个使用万用表的人群。
数字示波表——可以表示出波形的表,强调的主体是仪器。
视波表——可以看得见波形的表,强调的主体是人。
在有些产品介绍中提到的万用数字示波表,只不过是在数字示波表中增加了部分万用表测量功能,其主体还是数字示波表。
这回想必你不再有疑问了吧?
三、视波表是第三代的万用表
依上面比较可见,视波万用表则出身“平民”世家。从指针万用表到数字万用表历经半个多世纪的发展,已经成为电工,电子必不可少的测量工具。但是,指针和数字万用表只能提供测量结果与数据,无法直观区别信号和噪声的瞬间特性,无法显示在电路中非正弦信号的动态及干扰信号的严重程度,就无法对引起故障的根本原因作出分析。
“视波表”顾名思义,就是看到波形的表。视波表的波形再现与数字示波表有着根本的不同;数字示波表主要用来进行波形分析和波形记录,注重频率响应宽范围,操作相对要繁杂许多;而视波表强调测量功能的准确性,波形再现仅是现场故障诊断的辅助手段,所有测量参数都是双积分A/D测量的结果,并以数码形式显示出来,更准确直观。
    市场调查表明,拥有示波器的群体,测量高频信号,对被测波形做出详尽的分析,只占40%左右,众多使用者是用来观测100kHz以下的低频信号,如可控硅整流器、开关电源的脉冲调宽电路、微处理器给出的逻辑控制信号、通信协议之间的数字信号、 总线控制等等,其间绝大部分波形的观测也只是定性的分析,如波形有无、是否正常。在这种情况下,选择数字示波器实际上是种浪费。视波万用表的出现,给这样的使用群体带来更多的选择余地。
在20世纪80年代初,当数字万用表出现时,人们已经感觉科技进步给电子、电工检测带来的精确和便利。相信在不远的将来,带波形显示的万用表逐渐被人们所认知。视波万用表是测量工具型仪表的一次变革,成为继指针式万用表——数字万用表之后的第三代万用表。
目前市场上的视波万用表除具有大家熟悉的一般万用表的功能之外,还具有44kS/s到400kS/s的采样速率,交流电压测量带宽和波形观测从2kHz到50kHz。基本满足万用表所有领域测量的需要。测量时通过“自动”键的一键转换,不需繁杂按键操作便可轻而易举地看到波测信号的波形。能看到波形的万用表,测试中会发挥怎样的作用,我会在应用举例中详细介绍。
要想深入了解数字示波表和视波万用表的使用,有必要对其基本知识做个交待。
1.带宽
随着正弦波频率增加,液晶显示屏幕上所观测的信号幅度下降到3dB(70.7%),在此频点为数字示波表的带宽。带宽决定数字示波表对信号的基本测量能力。如果没有足够的带宽,将无法测量高频信号,幅度将出现失真,边缘将会消失,细节数据将被丢失;如果没有足够的带宽,得到的信号所有特性,包含响铃和振鸣等都毫无意义。影响带宽的有二个方面;垂直通道模拟电路,包括输入衰减、可变增益放大等,表现为硬件电路对测量信号的衰减度。二是,下面提到的高速A/D的最高采样率。
2.采样率
高速A/D对信号采样的频率,单位为每秒采样次数(S/s )。最高采样率是指在单一触发中,模拟数字转换器能采集的最大采样点数目。数字示波表的采样速率越快,所显示的波形的分辨率和清晰度就高,见图9。前面所讲目前多数数字示波表采样速率为100MS/s,对应20MHz的带宽,每个测量周期仅采样5个点。随着采样速率的提高,对应示波器带宽也随之增加,价格也变得更加昂贵。

3. 记录长度
记录长度是指可被数字示波表一次性采集的波形点数,它由数字示波表的存储容量决定,要增加存储容量才能增加记录长度。如果你需要不间断地捕捉一个脉冲串,则要求数字示波表有足够大的存储器以便捕捉整个事件。存储深度是将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的采样速率。存储深度与采样速率密切相关,见图10。

 
数字示波表还分为常规、单次、视频不同的测量模式;垂直分辨率一般为8bit;垂直灵敏度从5mV/div~50V/div等等,在此不一一介绍。
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