如何选择一个示波器—专题一

    选择示波器的时候，我做了详细的记录，这里想跟大家分享一下，我是如何选择一台示波器的！我研究了市场上几个品牌的示波器，最后，选择了一款Pico示波器，所以，相对于其他示波器，我将会重点介绍这款示波器。但是，内容可能有些简单，因为我没有太多的示波器，所以不能将拍成照片放在文章中。我也不是Pico的员工，在这里我会尝试着放以一些其他有这个系列产品的供应商的例子来保持平衡。

    这个系列由四个专题组成，且会在未来一段时间来发布。下次专题二，我在讨论宽带和采样率。本次专题一将介绍示波器的物理特性：台式示波器和PC示波器的探头类型和数字输入。下一次，我将会讨论示波器的核心参数，像带宽、采样率、模数转换的分辨率。之后，我将会介绍运行在示波器上的软件和一些细节，比如远程控制，快速傅立叶变换（FFT），数字解码和缓存。最后，将会介绍其他的一些参数，像外部触发和时钟同步，还有总结一下我已经介绍过的示波器参数。

    我希望你可以从中受益！

一、你是想要PC示波器的还是台式示波器？

    这是两种不同的设备类型，可根据需要去选择示波器的类型。很多人喜欢用台式示波器，因为它可以直接放在试验台上测试电路信号，而不需要配置一台电脑才能使用。也有人喜欢PC示波器，通过USB来连接到电脑上使用。我一直以来都比较喜欢于PC示波器。首先是它只需要占用很小的地方，例如，我可以将示波器垂直地放在桌子，这样就可以节省了一些地方（如图1所示）。

图1 垂直放置示波器

    我喜欢PC示波器的另一个原因是，它能够用电脑的键盘和鼠标来设置示波器，尤其是在用高级触发时，键盘和鼠标更加方便。另外，当你想要进行屏幕截图或者存储数据时，直接在用鼠标在电脑上操作就行，而不必先保存在示波器内，然后再通过一个U盘或者其他类似设备将其拷贝到电脑上。

    当然USB示波器也有一些缺点。人们抱怨最多的可能就是没有按钮控制功能，不过这个也是很容易解决的。

    图2中你可以看到USB的“旋钮板”，那是我自己做的。旋钮的每次旋转都会发送一次“键击命令”，只要你的PC示波器激活自定义快捷键、改变输入范围和时基等功能。一般情况下，我还是用键盘和鼠标，因为我发现有时他们比旋钮好用。如果你喜欢这个设计，你可以在我的博客上找得到。

图2  自制示波器旋钮

    拥有一款PC示波器也意味着你能够拥有一个大尺寸的屏幕。一款高端的示波器可以在12.1英寸的屏幕上显示，但是你可以用200美元或者更低的价格为你的电脑购买一个22寸的显示屏来显示波形。如果你的示波器的软件支持多个窗口的话，那你就可以像图3中那样来设置多个显示界面。[page]

图3  软件显示多个窗口

    对于我个人来说，我更加喜欢我的电脑上一次只显示一个界面。当然，如果你不想用你的电脑来配套示波器使用的话，这时你也许需要的就是一台台式示波器。

二、地线在哪里？

    对PC示波器，人们抱怨最多的是它探头的地线跟USB的地线是连接在一起的！所以你需要确保在测试时，PC示波器和电脑的地线间没电压差。

    其实，大多数示波器在进行测试时都需要考虑这个情况，不管台式示波器还是PC示波器。如果你用欧姆表来检测一下，你会发现那个 “探头地线”实际上也是和台式示波器的系统地连接在一起。至少我曾经测试我购买的几台其他品牌的示波器，都是这样的情况。因此对PC示波器存在抱怨是不太公平的。

    你也可以选用差分或者隔离示波器，他们主要用来消除在不同输入端之间的接地回路问题。他们也能给您更多的测量灵活性。比如说，如果你想要测试经过“高侧分流电阻”的电压，你就可以用差分示波器来测量了，TiePieHS4 DIFF差分示波器就可以实现这种测量。当然，你也可以给普通单端示波器购买差分探头，同样可以实现差分测量。大多数的供应商都制作这样的探头（安捷伦、泰克、PicoTech和Rigol等）。

三、输入信号类型

    几乎所有的示波器都有直流耦合和交流耦合的输入，你有时可能想要去对比示波器的最小量程和最大量程。其实，不要太过考虑那些所谓的上限和下限，除非您有很特殊的要求。当您考虑示波器的最大输入范围时，请记住你很有可能需要用到10:1的探头，这就意味着一个有±20V的输入范围的示波器可以在10:1的探头的帮助下变成范围为±200V。

    当考虑示波器的最小输入范围时，噪声是完全可以让你抓狂的！例如，示波器有一个1mV/div的范围，那么你就必须要考虑噪声的影响。测量一个非常小的信号时，一般不要在测量端使用有源探头。比如，你想要测经过分流器的电流的时候，是完全可以用差分放大芯片自己动手制作一个。

    除了真正的测量范围，你可能也会对“偏置范围”感兴趣。在DC耦合时，大多数示波器都能够去掉一个固定的电压（用偏置功能）。例如，你可以在一个最大1.0V的输入范围下测试1.2V的输入电压，因为示波器是可以先将信号上减少1V。当然，当你需要在一些固定的电压上去掉更小的信号时，将会更加方便。

    另一种常见的输入类型是50Ω阻抗输入。正常情况下，这就意味着示波器可以在AC、DC和DC50输入类型间切换。DC50的意思就是输入是有50Ω的阻抗的。一般用到更高模拟带宽的示波器上有这个功能。例如，它可以测量一个50Ω阻抗SMA连接器端输出的时钟信号。另外，50Ω的输入阻抗可以简化示波器与其他的实验仪器进行连接的步骤（不用额外配置1MΩ转50欧阻抗转换器）。如果你也想要用一个低噪声的放大器去测量一个非常小的信号，那也是没有问题的，因为你可以准确地将低噪声放大器的输出关闭。

    如果你最后需要DC50的终端，你可以购买一个50Ω的直通端子，最高配套1GHz 带宽的示波器使用。可以直接连接在示波器前端，从而获得50Ω的输入阻抗。

    一个大型的示波器公司往往会有不同带宽、不同输入范围，不同型号的产品。比如说，Pico5000系列最高带宽200MHz， DCAC高阻抗输入。Pico6000系列的示波器500MHz带宽及其以下的型号输入类型有DCACDC50。6000系列1000MHz带宽的示波器下只有50Ω的输入阻抗。其他的供应商几乎也是这样：在最高的带宽下也是有50Ω的输入阻抗，中等带宽的示波器有DCACDC50三种输入类型，低带宽示波器只有DCAC模式。

四、探头的质量和类型

    在日复一日的使用中，没有什么东西能够跟你的示波器的探头质量那样影响着你。这是你与示波器的互动桥梁。

    大多数“标准”的示波器探头是跟图4中的照片一样的。

图4  通用探头

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    它们是可调档位从1:1到10:1的衰减，10:1是对输入信号衰减10倍。值得注意的一点是，在1:1的模式下，大多数的示波器拥有非常有限的带宽—一般是小于10MHz。然而在10：1模式下可能会有300MHz的带宽！另外，10:1模式下的负载更小。更高带宽的探头通常只有10:1模式。我猜想是因为高频时，频繁的切换探头衰减档位会损坏。

    首先要检查的是探头的顶尖是否是可以移除的。如果你弄坏了顶尖，它是很方便的换一个顶尖，而不是把整个探头都更换了。如果你是在探测一个PCB板，它可以很容易探测测量点。当然，一般的探头都会有一个适配器，用于专门测试PCB的，而不是只有一个探头尖端。老款的安捷伦的1160A探头就是有这样一个尖端。

    我很喜欢的一款是带弹簧夹的探头（图4中）。它的尖端比标准探头小一些，弹簧支撑的作用让它更加容易地与焊接接头相连。你可以使用一些力气来戳穿氧化层，弹簧支撑的器件可以让你准确地触摸到接头。另外，你甚至可以这样做—将探头穿过焊锡表面。它上面也有一些塑料的防护层，这些可以将标准的接口器件规格（例如1.27mm,1mm,0.5mm,0.8mm）加到TQFPSOICTSSOP封装形式的探头。

    图4是Pico6000系列标配的探头，可以有通过型号区分：TA150（350MHz带宽）或者TA133(500MHz带宽)。但是我要说明的是，安捷伦也在卖一款同样的探头—型号为N287xA—作为一种附件。相似的，力科也在卖类似的探头—PP007，罗德与施瓦茨也卖类似的型号—RTM-ZP10，同样也有相似的附件。但是我怀疑他们的探头出来自同一个供应商。根据你自己的需求和选项，如果你单独地订购这些探头的话，它的价格在$200到$400之间。

    Pomona Electronics 也在卖同样的探头，型号为6491到6501（不同的型号，带宽不同）。一款150MHz（6493）的探头，它在Digi-Key、 Mouser 和Newark element14上售卖也就几十到一百美元。这个探头是跟一开始的弹簧式的不同的，但是如果你对带宽的要求不高的话，可以选择购买它。

图5  探测电路

    如果你在使用一个高带宽的探头的话，那你要关心的是频率响应的平滑度。一个探头标称带宽1GHz，电压幅值在1GHz时会下降3dB。但是无良商家制造的产品不会有一个非常平滑的频率响应或者在-3dB点处没有下滑。

    在使用高带宽的探头的时候，接地将会是非常的重要的一个问题。经典的鳄鱼夹也许不会消失！一个最简单的附件是跟在图5中显示的那样的。也许会有更多更加适合的可用的接地的配件，这些可以查一下探头自带的一些说明文件。

    不要担心不能为你自己的探头配置附件。图6中显示的探头支架是我用一个可调的机械手制作的。

图6  为探头配置可调机械手

五、数字输入

    最后，讲一下混合数字示波器，即，同一款示波器既有模拟通道，也有数字通道。这里也是个人的选择：也许你会想要一个单独的数字分析仪，或者是你希望将它内置到你的示波器中。

    我自己选择了一个基于PC的单独的数字逻辑分析仪。数字逻辑分析仪可以以一个比较低的价格从很多供应商那里购买。根据我的经验，跟一个不带逻辑分析仪的示波器相比，带有逻辑分析仪的示波器更加不划算。当你在评价它的时候，一定要看清楚通道数、最大采样率、缓存大小和逻辑分析仪能够解码的信号种类。

    当一个系统集成商建议你买一个示波器和分析仪组合在一起的仪器来获得数字和模拟信号的同步的时候，请记住这些仪器的一般都是可以输出一个触发信号的。所以如果你的示波器在开始捕捉模拟信号时，可以产生一个触发信号，那么你完全可以在数字逻辑分析仪同步捕捉同步的数据（反之亦然）。

六、内容预告：示波器的核心参数

    这次我主要介绍了选择一台示波器时，需要考虑到的示波器的物理特性。下次将更多的介绍示波器的核心参数，像带宽、采样率和分辨率等。