电子产品的发展日新月异,尤其是消费电子产品如智能手机,更新换代之快更是令人目不暇接,几个月就可能有一款新产品上市。而测试测量仪器从外形、使用方法上多年来还基本保持其一贯的风格,以集成有屏幕、操作面板和处理器的传统的台式机器为主。电子行业最基础的测试测量设备——示波器,数年来也持续追求高带宽、高精度、多通道等最新技术。而随着外部接口信号速度的进一步提升,如USB3.0的传输速度可达5Gbps/s,USB3.1的传输速度可达10Gbps/s,以及电子产品的发展趋势如传统大哥大到智能手机的转变蕴含了从大而功能简单到紧凑而功能强大的发展思路,传统台式仪器的演变似乎也有了新的趋势,如近来泰克就发布了基于PC(USB)的频谱仪和网络分析仪,而基于PC测试仪器尤其是基于PC的实时示波器和采样示波器的开创鼻祖当属来自英国女皇奖企业英国比克科技(Pico Technology),其致力于PC测试仪器的研发和生产已有26年的历史。本文将介绍PC示波器与传统台式示波器的差异及PC示波器及PicoScopes有哪些具体的优势。

一、传统台式示波器与PC(USB)示波器的原理架构

下图1所示为传统台式示波器的原理框图,主要包含有四个功能模块:采集、显示、测量与分析以及存档。其中采集模块包含了示波器中最为关键的几个核心部件:前端模拟放大器、模数转换器ADC、采集存储器,这几个部件也决定了数字示波器的几大核心指标:模拟带宽、采样率和存储深度,近年来ADC的分辨率位数也越来越受到重视,逐渐成为了各示波器厂家所追求的另一大产品核心指标,目前主要的示波器厂家都发布了其10bit或者更高精度ADC的示波器。除了采集模块外,传统台式示波器的另外三大模块主要是由仪器

Pico17080201 图1 传统台式示波器的架构图

中集成的PC(即电脑)完成的。所以一台传统的台式示波器内部其实有两块核心电路板,其一是采集板,其二是电脑主板,采集板上集成了示波器的关键芯片,也是最为昂贵的部分,电脑主板就是传统的个人电脑定制化后而成的。在传统的台式示波器中,采集板和电脑板通常是通过PCI或者PCIE总线进行互连和数据传输的。在实际应用中,有时候用户发现示波器的屏幕上无法显示采集到的信号,而显示固定的类似仿真的波形,这样的故障通常就是采集板与电脑主板之间的数据线连接问题或者采集板损坏导致的。采集板采集到数据后通过总线传输给电脑主板进行显示、测量与分析以及存档。

PC示波器本质上就是图1框图中的采集部分,也就是说PC示波器将示波器中最为核心的部分剥离了出来,形成一个独立的设备,与外部的PC配合使用,通过USB总线接口在PC示波器和外部PC之间传输数据,如图2所示。这样做的好处是可以将传统台式示波器的核心部件做得更加紧凑,在有限的空间里实现更加强大的性能,使得示波器的各项指标也可以做得更加优秀;同时,外部的PC配置相较于传统的台式示波器尤其是便携式台式示波器会更加强大,这就使得PC仪器看上去非常小巧紧凑,然而功能上却更加智能和强大,相较于传统的台式示波器能够做得更多、更好和更加便宜。

Pico17080202 图2 PC示波器的原理架构框图

二、PC示波器的优点

Pico17080203 图3 传统台式示波器与PC示波器

1、小巧,口袋型尺寸,USB供电

PC示波器非常小巧,只有手掌或者口袋尺寸大小,所以非常方便携带,而且可直接由USB接口进行供电,所以PC示波器是出差使用和外场测试的最理想选择。

2、更大和更高分辨率的显示器

因为PC示波器是需要和外部电脑配合使用的,而当前的个人电脑已经相当普及,性能已经相当强大,用户很容易就能够为PC示波器配置一台带有大显示屏和高分辨率显示屏的电脑,而且可以根据需要灵活选择外部的电脑。而当前传统台式示波器尤其是传统便携式台式示波器通常只配有10.4inch~12.1inch左右的显示屏。一台大的显示器有助于从多种角度观察和分析信号,如可同时清晰的显示一个信号的时域波形、频谱波形、逻辑波形、局部放大细节、解码信息或多个波形在多栅格中同时显示等,如图3所示。

3、可借助于最新最强大的PC处理器

传统的高带宽台式示波器通常体积比较大,其中的一个原因是其配置了更高性能的PC以获得更加强大的处理能力。而传统的便携式台式示波器为了追求更小的尺寸和便携性,使用了性能相对较差的嵌入式处理系统,所以功能会相对简单。PC示波器可以借助最新最强大的外部PC,从而兼得了便携特性和高性能示波器才具备的强大功能,而且价格要便宜得多。

4、更好的连接性

因为使用PC示波器时,所有的操作是在用户的电脑上完成的,所以所有的测试结果、保存的数据、图片、设置等信息都在电脑上,避免了过去使用传统台式示波器还需要通过U盘等工具将测试结果导到个人电脑上进行进一步分析和报告的撰写,节省了时间,提升了效率。

5、更好的升级性能

PC示波器可以非常容易的通过升级外接的PC电脑实现性能的升级,也可以通过升级应用软件实现功能的提升。

三、PicoScopes的优点

除了具备PC示波器所具备的优点外,PicoScopes还具备一系列更多的优点:

1、多种系列型号的PC示波器

英国比克科技于1991年推出其第一款基于PC的测试仪器,在那之前,几乎所有的测试仪器都是台式的,经过26年的发展,英国比克科技已经拥有78 种型号基于PC的示波器。

2、高性能PC示波器

英国比克科技的PC示波器最高带宽可达25 GHz带宽,可以用于高速串行电信号和光信号的眼图和抖动测试,以及PCB板、线缆、连接器等的TDR/TDT测试。

3、任意一款PicoScope都具有深存储

任意一款PicoScope都具有最深的存储深度,即使最低系列的2000系列口袋型示波器的存储深度也可达到128MS。PicoScope 6404D的存储深度可达2GS, 是业内最深存储深度的示波器之一。如图4所示,PicoScope的长存储有助于连续采集很长的波形并同时观察波形的整体和局部细节。

Pico17080204 图4 利用PicoScope 6000捕获10秒的波形并放大256倍、13万倍、2百万倍后的细节波形

4、16位高分辨率示波器

PicoScope拥有最高分辨率示波器,PicoScope 4262 拥有无比优秀的动态性能,能够胜过许多专用的(而且非常昂贵的)音频分析仪,ADC分辨率可达16位、底噪为8.5uV有效值、动态范围可达96dB,是低噪声、低失真测量的理想选择,内置信号发生器消除了额外的信号源需求,它能够更加容易的分析音频、超声波、振动信号、开关电源噪声等,如图5、图6所示为高分辨率示波器带来的价值,在时域中提供高信号完整性,在频域中提供高动态范围。

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5、硬件分辨率可调示波器

PicoScope 5000系列使用了并行时钟和串行交插采样技术实现了硬件ADC分辨率和采样率同时可调,在一台仪器中通过可变分辨率实现对数字信号进行高速采集和对模拟信号进行精确采集,可在 8 ,12 ,14 ,及 16位分辨率中选择,软件增强可以达到20位,而且标配高精度信号源,具有超高性价比,如图7所示为可调分辨率示波器PicoScope 5000,图8为12位示波器与8位示波器测试汽车点火信号的波形结果比较,可见,12位示波器测得的信号波形细节更加清晰。

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6、最多通道高分辨率示波器

PicoScope拥有8通道、12位高分辨率示波器、256MS深存储示波器,适合于多通道数据采集和三相电等电源系统的调试与分析,如图8所示。

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7、行业唯一4路真实差分输入高分辨率通道隔离示波器

PicoScope 4444系列具有4路真实差分输入、12位或14位ADC高分辨率、通道隔离、可测量CATIII电压达1000V,是浮地测量、电源纹波测量、差分测量、生物医疗等需要精确测试的信号的理想选择,如图9所示。

8、函数发生器 & AWG 标配于大部分型号

Pico17080210 图10 PicoScope标配的函数发生器&AWG功能

PicoScope配置的函数发生器可以产生标准的正弦波、方波、三角波以及其它许多标准的波形;任意波形发生器AWG可以导入用户自定义的波形文件产生用户自定义波形、将示波器模拟通道采集到波形复制到AWG输出、生成随机比特流 (如010100011……)。PicoScope标配的任意波形发生器控制界面如图10所示。

9、标配一系列高端台式示波器才有的功能

PicoScope标配有一系列只有高端台式示波器才可能配置的功能,如串行解码(PicoScope标配有近19种串行解码软件包括:1-Wire,ARINC 429, CAN, CAN FD, LIN, Digital Command Control, DMX512,Ethernet 10BASE-T, Fast Ethernet 100BASE-TX, FlexRay, I2C, I2S, RS-232, UART, SENT Fast, SENT Slow, SPI, USB, Modbus, 未来有新的解码软件发布后,Pico支持免费升级)、模板容限触发、高级函数如参数追踪和快速傅里叶变换、数字触发、分段存储等。图11所示PicoScope中的一个高级函数功能示例,蓝色波形为频率调制波形,黑色曲线显示了频率变化随着时间的变化趋势,Y轴为频率参数值,X轴为时间。

Pico17080211 图11 PicoScope中的高级函数功能

四、PicoScopes的应用

PicoScope不仅是一台实时示波器,也可以作为一台基于USB的采集卡来使用。而且PicoScope具有一系列独特的特点,如便携、USB供电、USB 3.0接口高速传输数据、2GS深存储深度、16位ADC分辨率、8位到16位可调ADC分辨率、8通道12位ADC分辨率、真实差分通道隔离、自定义示波器功能等,使得其广泛应用于维修、外场测试、系统集成、汽车电子、航空电子、医疗电子、通信、嵌入式系统、机电一体化、振动、加速度等领域的测试,下图12所示为PicoScopes应用于系统集成产品。

右图12所示的电源分布网络监控设备系统中,共集成有6台8通道的PicoScope 4824和2台4通道的PicoScope 6000,共实现了多达56通道的信号测试和数据采集,整个系统依然非常紧凑,这是使用传统台式示波器难以实现的。该OEM系统用于实时监测和同步采集高达380 KV的电源分布网络中关于电源连接的数据,并完成用户自定义的参数测量。多套系统分布在超过40 KM外的多个位置,各个系统通过光纤进行互连,每个系统包括传感器、放大器、PicoScopes、触发逻辑电路。采集到的数据会由用户自定义的程序进行分析,PicoScope示波器支持基于SDK及多种编程语言如C#,C++,Python,Delphi,Matlab,Labview等进行自定义应用开发。

Pico17080212 图12 PicoScope应用于电源分布设备的集成系统中