手持式数字存储示波器文献综述1.docx
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手持式数字存储示波器文献综述1
文献综述
手持示波器的现状
手持数字示波表是近年出现的一种新型的检测仪表,主要功能覆盖数字存储示波器和
数字万用表,可满足机动现场维护、后勤保障、工业生产以及教育系统等领域移动测试的需求。
与台式的数字示波器相比,手持数字示波表具有轻巧、便携的特性,可以满足现场苛刻环境下的精确测量。
目前国内市场上常见的国外品牌有Fluke、Tektronix、Metrix、Svmmit、Velleman、Metex等,其中美国福禄克(Fluke作为手持示波表测量领域的行业龙头,形成了强大的品牌效力。
从国内的的市场调查来看,国内近几年对手持示波表的需求量每年可达上万台。
F120系列是福禄克(Fluke公司销售量较大的产品系列,分F123和F124两款,带宽分别为20MHz和40MHz,采样率为25MSa/s。
因此,从行业需求上来看,20MHz带宽的产品是目前市场的主流。
面对这样的行业需求,国内示波器生产企业把产品性能设定在20MHz带宽、100MSa/s采样率。
采用双通道数据采集,一般是单色LCD显示。
一、几款手持示波器的参数
●AEMCOX7104-C(100MHz,四通道;
●Fluke199C(200MHz,两通道;
●AgilentTechnologiesU1604A(40MHz,两通道;
●Protek860F(60MHz,两通道。
AEMCOX7104-C
AEMC的OX7104-C是市售的唯一一种四通道手持式示波器。
12位分辨率、100MHz带宽和触摸显示屏使其性能居于领先地位。
5995美元的高价格使其较适合于确实很需要便携性的场合。
如果不是特别需要便携性,可以找到大量具有相当价格和性能的台式示波器,不过多数都只有8位分辨率,而AEMC的分辨率为12位。
AEMC的手持式示波器包括一个谐波分析仪,适用于分析电源质量,可覆盖40Hz到450Hz的频率范围。
在低电压下,在最高5kHz的频率下可获得可靠的结果。
通过使用正弦波和方波测试分析仪,只能看到正弦波的基波和方波的奇次谐波。
谐波分析仪显示画面可显示一个信号频谱谐波,最高可达30次谐波。
每个谐波下有一个复选框。
点某个复选框可显示该谐波的振幅和相位信息。
该屏画面还可显示RMS的振幅和信号的总谐波失真。
TAEMCOX7104-C是一种功能强大的仪器。
带宽和分辨率使其成为一种值得考虑的台式示波器替代仪器,而且它利用四个通道来混用和匹配使用各个示波器和DMM输入的功能也很独特。
不过,该仪器有几个比较不好用的地方,尤其是在保存文件供PC下载时表现更为突出。
Fluke199CScopeMeter
Fluke199CScopeMeter仪器价格仅为AEMC的一半,但几乎是Agilent和Protek的产品的两倍。
它具有这几种产品中最高的带宽(200MHz和最高的采样速率(2.5Gsps。
Fluke是手持式示波器市场的先驱,从最初的ScopeMeter到199C经过了很长的历程。
199C比其前身产品要易用得多。
按钮排列很整齐,尽管有些拥挤,但四个软键很易于理解。
在我评估的四种型号的产品中,它的屏幕最大,即使在室内使用,显示依然明亮而清晰,但表面的塑料盖太亮了,由于反射的缘故,在室外时无法看清图形。
该示波器的左侧有一根手带,这根手带可以移到右边,这使它成为四种仪器中唯一一个考虑到左撇子需要的产品。
但是,移动手带位置会遮住光通信端口。
在这些产品中,Fluke示波器还具有最坚固的底座,而且它是唯一一种可以在使用中把它挂身上的仪器。
ScopeMeter有两个专用按钮,标为“Zoom”(缩放和“Replay”(重放。
缩放按钮使扫描速度(time/div减半,这样就可以快速地将波形放大两倍。
重放按钮提供一个倒过去的链接,可以按逆时间顺序查看最后100屏波形。
在退出重放功能时,数据会丢失,因为示波器会开始记录另外100屏的数据。
Fluke的记录功能很出色,有三种模式,其中两种模式用于示波器,另一个模式只用于DMM。
示波趋势图可以记录示波测量值,如Vpk-pk、交流电压、上升时间和频率。
我用它记录Vpk-pk和频率,因为它们在函数发生器上比较容易改变。
ScopeRecord(示波记录选项可以将一个长串示波采集数据存储到该设备的深存储器(deepmemory中。
DMM记录器能绘制所选DMM测量值的图形。
我选择了VRMS和生成了一个趋势图。
趋势图可以了解信号的长期变化。
199C型能记录数据,直到存储空间存满,然后,它就会压缩数据腾出一些存储空间,从而使该设备的容量加倍。
记录量为单位输入27000点。
可以将该仪器设置为存储存满时停止记录,还可以使用“time/div”按钮使时间、记录屏增大或变小。
FlukeView软件可以抓取一幅仪器屏幕画面的快照,但不提供实时的示波器更新。
它也提供有限的仪器在线控制功能,这个功能可以在该程序的Instrument(仪器菜单下找到。
可以改变模式(示波器、测量表和记录仪,还可以恢复设置。
可以操作记录器实时捕捉DMM测量值,还可以保存设置、打印和将日志数据记录到PC。
另外,在下载一屏波形显示后,还可以进行输入信号的频谱显示。
Fluke199C是一种功能强大的手持式示波器。
如果你是左撇子,这款产品很适合你。
在经常需要腾出双手的电气应用场合,其手带也很有用。
该仪器的软件有利于下载数据进行离线存储和分析。
也许唯一的缺点是它的反光塑料盖。
AgilentTechnologiesU1604A和Protek860F
由于这两款仪器出奇地相似,所以无法单独对其进行讨论。
因此我们将讨论其相似之处和不同之处。
两个仪器的用户界面都采用了四个软键和一个滚轮。
(Protek的滚轮比较容易转动,而Agilent的较难转动,经常需要两手用力。
软键可以用来设置一些参数,如示波器垂直和水平量程、触发器、测量功能、数学功能和基本工具。
其中一个基本工具可以允许或禁用该仪器的mini-USB连接端口和标准USB端口与闪存一起使用。
必须浏览到utility菜单才能找到允许使用USB端口的设置。
禁用USB时,就不能进行通信或闪存存取。
测量功能包括峰/峰值、RMS、频率、上升时间和下降时间。
通过按相应的软键和用滚轮在选项中滚动,就可以进行测量了。
Math菜单允许选择FFT和滤波窗口(Hamming、Hanning、Blackman或矩形,可以实时在屏幕上显示频谱图。
按下Meter按钮会显示一个空白屏幕,上面有三个软键选项:
电压表、欧姆计和辅助
测量(AuxMeter。
按下AuxMeter(F3键会显示一个选择画面,可以选择温度、电流、湿度和压力。
在电压表中,可以选择交流/直流、最大/最小和相对值。
如要重新选择其它测量表功能,必须按下测量表按钮,回到顶级测量菜单,没有返回按钮。
按下欧姆计按钮可以提供电阻、二极管、导通和电容测量功能。
(不过我没有料到会在欧姆项下边发现电容测量功能。
通过反复按F1,可以选择一个功能。
Agilent和Protek产品用户界面的唯一一个显著差别在于进入DMM模式时的屏幕显示。
Agilent的屏幕显示测量表功能描述,而Protek的屏幕为空白,直到出现软键功能。
两种仪器都可以将屏幕显示和波形数据存入USB闪存。
可以图形格式保存屏幕显示,用于导入到报告中。
也可以文本形式存储数据,用于导入到Excel或其它软件中。
还可以其它合适的格式保存屏幕显示,用PC软件打开
这两种仪器的软件也惊人地相似,就连水平量程(time/div指示上的“Horizon”一词都是一样的。
该软件可以完全控制该仪器,并实时获得屏幕更新。
它还允许查看测量参数、以数字形式存储波形以及捕捉屏幕显示。
只要安装好软件并打开各个仪器的USB功能,就可以通过点击一个虚拟的电源按钮建立通信。
在硬件、固件和PC软件方面也有一些值得一提的差别。
Agilent的仪器提供了设置屏幕垂直和水平参数的按钮。
Protek的仪器则要通过菜单进行所有设置。
Agilent使用了一个彩色屏幕,而Protek的屏幕为单色。
在日光下,Protek仪器的单色屏幕比Agilent、AEMC和Fluke的彩色屏幕看起来更清楚一点。
Protek产品提供的带宽比Agilent产品高20MHz。
两家公司都提供20MHz和40MHz的型号,但Protek还提供一种60MHz的型号。
Agilent产品带有记录仪功能,用于记录DMM测量值,而Protek产品则没有。
其它物理差异有:
Agilent的设备有一根带子。
两种仪器都有一个套,但Protek产品的套子比较松。
Protek产品是四种产品中唯一一种可安装5号电池(AA型的示波器,而其它产品则必须购买一个定制电池组。
Protek产品的底座设计需要推或拉才能锁定到位。
在我第一次想关上它时,底座几乎被弄破。
尽管两种仪器的顶部都安装了示波器BNC连接器,但Agilent产品的外壳使该连接器陷了进去。
除非你的手指很细,否则连接和锁定探头很困难。
Protek产品的电源按钮也让我遇到些麻烦,这个按钮有些紧,每次开关机时,都需要用指甲将按钮抠出来。
我第一次想关掉该设备时,这个按钮卡了一个晚上,耗光了电池。
尽管二者的PC软件(AgilentPCLink和ProtekWaveLink几乎一样,但安装步骤却不同。
对于Protek产品,只需要运行安装程序就可以了。
驱动程序和示波器应用程序都会很容易地安装好。
启用USB端口后,与设备通信也很容易。
Agilent的产品需要另外安装驱动程序。
起初,我无法使AgilentU1604A与PC通信。
我相信这是因为Protek驱动程序的缘故,因为它们使用与Agilent产品相同的文件。
给Agilent技术支持人员打电话和写电子邮件都没有用。
最后的解决方法是:
将PC的硬盘重新格式化,删除所有Protek的驱动程序。
即使这样,Agilent软件的安装也不顺手,很容易发生错误,导致PC无法与示波器通信。
鉴于AgilentU1604A和Protek860F的操作和价格惊人地接近,所以得由微小的差别来决定选择哪个。
如果需要与PC连接,那么,在Agilent对其软件安装步骤加以更新前还是该选择Protek产品。
如果需要在现场更换电池或是需要多20MHz带宽,也应该选择Protek产品。
如果在意用按钮进行基本示波器设置、记录功能、彩色显示屏或者手柄,则可以选择Agilent的型号。
三手持示波器的主要参数
3.1带宽
带宽是示波器最重要的特点,因为它决定这显示的信号范围,它在很大程度上还决定着用户需要支付的价格。
在制定带宽决策时,您必需把当前有限的预算与实验室中示波器使用期间预计的需求平衡起来。
在当前的数字技术中,系统时钟通常是示波器可能显示的频率最高的信号。
示波器的带宽至少应该比这一频率高三倍,以合理地显示这个信号的形状。
系统中决定示波器带宽要求的另一个信号特点是信号的上升时间。
由于您可能看到的不只是纯正弦波,因此在超出信号基础频率的频率上,信号将包含谐波。
例如,如果您考察的是方形波,那么信号包含的频率至少要比信号的基础频率高10倍。
如果在考察方形波等信号时不能保证相应的示波器带宽,您将在示波器显示屏上看到圆形的边沿,而不是预计看到的清晰快速的边沿。
这进而会影响测量精度。
幸运的是,我们有一些非常简单的公式,可以帮助您根据信号特点确定相应的示波器带宽。
1、信号带宽=0.5/信号上升时间
2、示波器带宽=2x信号带宽
3、示波器实时取样速率=4x示波器带宽在已经确定了相应的示波器带宽后,您需要考虑示波器打算同时使用的每条信道的取样速率。
如上面的公式3所列,对打算使用的每条信道,必需保证取样速率是示波器带宽的四倍,以便这些信道能够全面支持示波器的额定带宽。
3.2信道
对当前日益发展的数字领域,一种全新的示波器已经增强了示波器在数字应用和嵌入式调试应用中的应用。
混合信号示波器(通常称为MSO)除典型示波器的2条或4条示波器信道外,还紧密地插入另外16条逻辑定时信道。
其结果,实现了一个全功能示波器,提供了最多20条时间相关的触发、采集和察看信道。
3.3取样速率大多数示波器采用插入形式,在两条或多条信道偶合模数转换器时,其仅在四信道示波器中的一条或两条信道上提供最大的取样速率,从而可以提高取样速率。
许多制造商在示波器的主要技术指标中仅强调这种最大化的取样速度,而不会告诉用户该取样速率仅适用于一条信道!
如果你希望购买一个4信道示波器,那么事实上你希望不仅仅在一条信道上使用和获得全部带宽。
回忆一下第2个考虑因素中给出的公式,示波器的取样速率至少应该是示波器带宽的4倍。
在示波器使用某种数字重建形式时,最好使用4倍乘数,如sin(X)/X插补。
在示波器没有采用数字重建形式时,乘数实际上应该是10倍。
由于大多数示波器采用某种数字重建形式,4倍乘数应该足够了。
让我们考察一下使用500MHZ示波器的实例,该示波器采用sin(X)/X插补技术。
对这一示波器,为在,每条信道上支持整整500MHz的带宽,每条信道需要的最低取样速率是4x(500MHz,或每条信道2GSa/s。
当前市场上部分500MHz示波器声称最大5GSa/s取样速率,但没有指出5GSa/s取样速率只适用于一条信道。
在使用三条或四条信道时,这些示波器每条信道的取样速率实际上只有1.25GSa/s,不足以在几条信道上支持500MHz的带宽。
考虑取样速率的令一种方式是确定应用点之间希望的分辨率。
取样速率是分辨率的倒数。
例如,假设您希望在样点之间实现1ns的分辨率。
能够提高这一分辨率的取样速率是1/(1ns)=1GSa/s。
总之,要保证考虑的示波器能够为希望同时使用的所有信道提供足够的每条信道取样速率,从而每条信道都能够支持示波器的额定带宽。
3.4内存深度如前所述,带宽和取样速率紧密相关。
内存深度也与取样速率紧密相关。
模数转换器对输入波形进行数字转换,得到的数据存储到示波器的告诉内存中。
选择示波器时一个重要因素是了解示波器怎样使用存储的这些信息。
内存技术使得用户能够捕获采集数据、当大察看更多细节、或在采集的数据上进行数学运算、测量和后期处理功能等操作。
许多人认为,示波器的最大取样速率指标适用于所有时基设置。
这当然是好事,但这可能要求非常大的内存,几乎没有人能够买得起内存这样大的示波器。
由于内存深度有限,因此随着人们把时基设置成越来越宽的范围,所有示波器必须降低取样速率。
示波器的内存越深,以全部取样速率可以捕获的时间越多。
目前市场上有一种流行的示波器,其取样速率达到每秒几千兆样点及拥有10,000样点的内存。
在时基设为2ms/格及更慢时,这一示波器被迫把取样速率降低到每秒几千样点。
你必需查看有问题的示波器,了解时基设置对其取样速率的影响。
这里提到的示波器在以要求的扫描速率工作、以显示整个系统操作周期时,将只提供几千赫兹的带宽。
你所需要的内存深度取决于希望查看显示器的数量以及希望保持的取样速率。
如果你希望在不同样点间以较高分辨率查看更长的时期,您使用需要深内存。
简单的公式可以告诉您需要多少内存、其中需要考虑时间间隔和取样速率:
内存深度=取样速率x显示时间如果您需要放大及更仔细地查看波形,在示波器上所有时间设置中保证高取样速率可6
以防止假信号,提供与波形有关的更详细的信息。
一旦已经确定内存深度,同样重要的是必需考察在使用最深的内存设置时示波器的操作方式。
采用传统深内存结构的示波器响应速度慢,这会给生产效率带来负面影响。
由于响应速度慢,示波器制造商通常把深内存降到专用模式,工程师通常只在必需使用深内存时才使用它。
尽管示波器制造商几年来已经在深内存结构中取得很大进展,但某些深内存结构的速度仍然很低,操作起来要耗费大量的时间。
四运用在手持示波器上的领先技术4.1DSO技术。
硅锗技术给测量仪器的实时高速带来新的突破。
上世纪九十年代,IBM开发了一种新型的SIGEIC技术来弥补逐渐增长的市场需求和逐渐达到极限的双极性硅技术能力之间的间歇。
SiGe能够在比双极性硅速度高的情况下提供精密的性能而没有明显的缺点。
事实上,在仪器应用的方面,它能提供的潜在性能涉及微波带宽,而且SIGE还保持了在测试和测量设备中所需要的较高的集成度。
与类似功率电平双极型硅相比,在增加速度的同时,SIGE还能提供低噪声的性能。
几年前,IBM和泰克公司的合作成功地利用SIGE开发出世界上最快速的实时示波器。
示波器内部的SIGE技术给设计工程师在调试、检验和鉴定时带来了极大的便利,它也帮助设计工程师针对下一代设计中会遇到的较高数据率保持步调一致,特别实在全球通信、半导体、计算机和互联网技术的需求领域。
InstaVu采样技术。
泰克公司于1994年提出该技术,它将高速数据存储器和高速扫描结合起来从而获得了次啊杨性能的根本改进。
以该方式从采集系统获得的数据是许多触发采集样本的完整的扫描图像。
通常DSO因此处理显示数据在显示两幅波形之间有8ms的停滞时间,而采用InstaVu采样技术大大减少了由于数据处理占去的死区时间,有效的提高了捕获偶发事件的概率,使得显示两幅波形间的停滞时间可以降低到1.7us。
X-Stream技术力科公司的X-Stream技术使得快速分析长而复杂的波形成为可能。
X-Stream技术是一种极快速的数据流结构,它特别适合数字示波器处理和分析数据,即使数字示波器正在进行复杂的波形测量,它也能够保证大量数据的传输,使工程师工作更加快捷,更有信心精确地测量出信号的特性,并诊断出细微的问题。
X-Stream结构的前端是由SIGE放大器及模数转换器开始,它能处理输入的信号及在4个通道上以10Gb/s的采样速率把信号数字化,并将数据传向高速CMOS存储芯片,该芯片能以10Gb/s的速度接收并处理高达48MB的被采数据。
高速采集存储器是力科公司拥有专利权的独家设计,可完成多种工作,以实时的数据流模式将该数据传输至CPU,以奔腾处理器的Streaming技术处理数据。
以实时的数据流模式将该数据传输至CPU,以奔腾处理器的STREAMING技术处理数据。
指令及运算在CPUCache内部取出和执行的速度比在RAM中高出10-100倍。
当第一包数据到达CPU后,大量的显示、测量和分析程序可被调用。
有了X-Stream技术,CPU在分析长而复杂波形的最初部分时,信号的其余部分仍然可通过X-Stream结构传输。
虽然X-Stream结构以支持数据流传输模式并能处理长而复杂信号的硬件为基础,但X-Stream的强大功能及速度更多来自于软件的算法。
该算法允许数据包及分析程序能同时驻留在微处理器上的高速缓冲存储器内。
这样就能克服长存储及高速运算的矛盾,力科公司的WaveMaster系列示波器就是以此技术保证了分析波形的速度比以往的示波器快10-100倍。
五总结7
通过阅读最新的论文和资料,我们可以了解到手持示波器在世界上已经达到一个什么样的技术标准,而它所采取的各项先进技术又分别是什么。
本次文献综述的主要目的,就是让我们对手持示波器当下潮流,以及它采用的先进技术有一个大概的了解。
从而指导我们在手持示波器研究的领域内能找对方向,取得更大的成就六参考文献[1]刘慧敏.手持带宽数字存储示波器关键技术研究[C].国防科技技术大学,2003:
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