概述

與德國科學家Karl Ferdinand Braun 于1897 年發明的陰極射線示波器(Cathode ray oscilloscope) 相較，現有的數字儲存示波器已大不相同。進步的技術不斷提升示波器的新特性，更適合讓工程師使用。其中最顯著提升的功能之一便是示波器進入數字領域，導入數字信號處理與波形分析等強大功能?，F在的數字示波器包含高速、低分辨率(一般為8 位) 的模擬數字轉換器(ADC)，已定義的控制元與顯示功能，且內建的處理器可執行常見測量操作的軟件算法。

另外來說，示波器可利用計算機最新的處理功能與高分辨率顯示，并保留高速示波器的其他功能。由于示波器屬于計算機架構，讓用戶能通過軟件而定義儀器功能。因此，示波器不僅能夠用于示波器測量，也可用于客制化測量，甚至用于頻譜分析器、頻率計數器、超音波接收器，或更多儀器。相較于傳統的獨立示波器，開放架構與靈活軟件，均讓示波器具備更多優勢。然而，示波器(Digitizer) 與高速示波器(Oscilloscope) 有許多相似之處，因此在選擇時也需要考慮多項要點。

本文將討論選用示波器所應考慮的10 大要素。

1. 帶寬

帶寬代表“輸入信號以最小振幅損耗通過模擬前端”的頻率范圍，即從探針尖端或測試設備直到 ADC 的輸入。帶寬應為“正弦輸入信號振幅衰減至 70.7% 原始振幅時的頻率”，也大家所熟知的 -3dB 點。在一般情況下，示波器的頻率應要能超過信號最高頻率的 2 倍以上。

示波器常用于測量信號的上升時間，如數字脈沖或其他具尖銳邊緣的信號。此種信號均由高頻信號組成。為了采集信號的確實形狀，則需選用高帶寬示波器。舉例來說，10 MHz 方波是由 10MHz 正弦波與無數諧波所組成。若要取得該信號的實際形狀，則所選示波器的帶寬必須能夠采集數個諧波。否則將造成信號失真與錯誤測量。

圖1. 在采集高頻率的波形時，必須使用高帶寬示波器

以下公式可根據上升時間(即為信號振幅從10% 升至90% 所需的時間) 計算信號帶寬。

圖2. 上升時間為信號從全值的10% 上升至90% 所需時間。
上升時間與帶寬直接相關，因此上述公式可相互換算此2 組值。

在理想情況下，示波器帶寬最好可達上述公式所得信號帶寬的3 至5 倍。換句話說，為了將信號采集的錯誤降至最低，示波器的上升時間應為信號上升時間的1/5 至1/3。下列公式可反推出信號實際帶寬。

=所測得的上升時間；=實際信號上升時間；=示波器上升時間

2. 取樣率

帶寬為示波器的重要規格之一。但若取樣率不足，帶寬再高也是枉然。
帶寬代表以最小衰減而數字化的最高頻率正弦波，而取樣率則為示波器中ADC數字化輸入信號的定時速率。請注意，取樣率與帶寬并無直接的相關性。但此2 項重要規格之間存在著必要關系：

示波器的實時取樣率＝ 示波器帶寬的3 至4 倍

Nyquist 定理則表明，為了避免失真，示波器取樣率至少為受測信號最高頻率要素的2 倍。然而，僅達最高頻率的2 倍取樣率，仍不足以精確重新產生時域信號。為了精確數字化輸入的信號，示波器的實時取樣率至少應為示波器帶寬的3 至4 倍。下圖即說明使用者所希望通過示波器看到的數字化信號。

圖3. 右圖示波器具備有效的高取樣率，可精確重建信號并達到更精確的測量結果。

盡管上述2 組實際信號均通過了前端模擬電路，但左圖的取樣率不足而導致數字化信號的失真。而右圖則具備足夠的取樣點，可精確重建信號，進而達到更精確的測量操作。對時域應用(如上升時間、過沖，或其他脈沖測量) 而言，能否清楚呈現信號極為重要，所以高取樣率的示波器可于此類應用中提供更佳優勢。

3. 取樣模式

取樣模式主要可分為2 種：實時取樣與等效時間取樣（ETS）。
實時取樣率如上所述，除了代表ADC 頻率之外，也表示單次采集所能取得信號的最高速率。而ETS 則屬于信號重建方法，是以單次采集模式所取得的觸發波形為基礎。ETS 的優點在于其具備更高的有效取樣率，但缺點卻是耗時更長，且僅適用于重復性信號。請注意，ETS 并不會提高示波器的模擬帶寬，且僅適用以更高取樣率重現信號。常見的ETS 為隨機間隔采樣(RIS)，而多數的NI 示波器均具備該功能。

示波器型號	通道數	實時采樣率	等時取樣率	帶寬	分辨率
NI 5152	2	2 GS/s	20 GS/s	300 MHz	8 位
NI 5114	2	250 MS/s	5 GS/s	125 MHz	8 位
NI 5124	2	200 MS/s	4 GS/s	150 MHz	12 位
NI 5122	2	100 MS/s	2 GS/s	100 MHz	14 位
NI 5105	8	60 MS/s	–	60 MHz	12 位
NI 5922	2	500 kS/s 至15 MS/s	–	6 MHz	16 ~ 24 位 使用者定義

4. 分辨率與動態范圍

如上所述，示波器所具備的ADC 可將模擬信號轉為數字信號。ADC 所回傳的位數就是示波器分辨率。針對任何已知的輸入范圍，往往以「2^b」表示信號數字化的可能離散程度，其中「b」即為示波器分辨率。輸入范圍是依2^b 個步進而劃分，而「輸入范圍/2^b」則為示波器所能偵測的最小電壓。舉例來說，8 位示波器可將10Vpp 輸入范圍切割成2⁸ = 256 級，每級39 mV；24 位示波器可將10 Vpp 輸入范圍切割成2²⁴ = 16,777,216 等級，每級596 nV (約為8 位的1/65,000)。

選用高分辨率示波器的原因之一，就是要測量更小信號。有時我們不禁有所一問：為什么不使用低分辨率儀器與較小范圍的信號，就可以「縮放」信號而測得低電壓呢？問題在于，很多信號同時具有小型信號與大型信號。使用大范圍雖可測量大型信號，但小型信號將藏在大型信號的噪聲中。換句話說，使用小范圍就必須壓縮大型信號，而造成測量失真與錯誤。因此，針對動態信號的應用(同時具備大、小型電壓的信號)，就需要較大動態范圍的高分辨率儀器，以測出大型信號中的小型信號。

傳統示波器通常使用8 位分辨率的ADC，但較難以滿足頻譜分析或動態信號的應用(如調變波形)。此類應用即可選用下表中的高分辨率示波器，包含NI PXI-5922 彈性分辨率示波器，并獲頒Test and Measurement World 的2006 年度最佳測試產品。此款模塊通過線性化技術，達到業界最高的示波器動態范圍。

示波器型號	分辨率	通道數	實時采樣率	帶寬
NI 5922	16 ~ 24 位 (用戶定義)	2	500 kS/s 至15 MS/s	6 MHz
NI 5122	14 位	2	100 MS/s	100 MHz
NI 5124	12 位	2	200 MS/s	150 MHz
NI 5105	12 位	8	60 MS/s	60 MHz

5. 觸發

一般來說，示波器均用以采集特定事件的信號。儀器的觸發功能則可獨立出特定事件，以采集事件發生前后的信號。多款示波器均具備模擬邊緣、數字，與軟件觸發等功能。其他觸發選項還有分窗 (Window)、磁滯，與視訊觸發功能 (NI 5122、NI 5124，與 NI 5114 具備該功能)。

高階示波器可于 2 次觸發之間迅速重啟 (Re-arm)，可進入多重記錄的采集模式。示波器將根據既定觸發而采集特定數量的點，并迅速重啟以等待下次觸發。快速重啟功能可確保示波器不致錯過事件或觸發。若僅需采集并儲存特定數據，則多重記錄模式可達極高效能；除了可優化內建內存使用狀態之外，并可限制計算機總線的活動。