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數(shù)字示波器使用必須注意的問題 數(shù)字示波器是如何工作的

時間:2020-08-04    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
前言

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點,其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異,如果使用不當(dāng),會產(chǎn)生較大的測量誤差,從而影響測試任務(wù)。

區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬

帶寬是示波器較為重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值,而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復(fù)信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬,數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)(數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K),一般并不作為一項指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出,模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號的測量,而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復(fù)信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆,實際上指的是模擬帶寬,數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz,實際上是指其模擬帶寬為500MHz,而最高數(shù)字實時帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時,一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬,否則會給測量帶來意想不到的誤差。

有關(guān)采樣速率

采樣速率也稱為數(shù)字化速率,是指單位時間內(nèi),對模擬輸入信號的采樣次數(shù),常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標(biāo)。

1.如果采樣速率不夠,容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號,示波器顯示的信號頻率卻是50KHz,這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢,產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率,或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了,而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么,對于一個未知頻率的波形,如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔,看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變,如果是,說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來,也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理,采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭,如一個500MHz的信號,至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生:

·調(diào)整掃速;
·采用自動設(shè)置(Autoset);
·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測方式,因為包絡(luò)方式是在多個收集記錄中尋找極值,而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值,這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式,可以選用,因為這種方式采集波形速度快,用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

2.采樣速率與t/div的關(guān)系

每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是,在任意一個掃描時間t/div,采樣速率fs由下式給出:

      fs=N/(t/div)       N為每格采樣點

當(dāng)采樣點數(shù)N為一定值時,fs與t/div成反比,掃速越大,采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù):

表1掃速與采樣速率

t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)502510210.50.25

綜上所述,使用數(shù)字示波器時,為了避免混迭,掃速檔可以置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,掃速檔則可以置于主掃速較慢的位置。

數(shù)字示波器的上升時間

在模擬示波器中,上升時間是示波器的一項極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中,上升時間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測量方法的原因,以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關(guān),如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間,這時上升時間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點,則同樣的波形,上升時間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外,上升時間還與掃速有關(guān),下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數(shù)據(jù):

表2掃速與上升時間
t/div(ms)502010521tr(μs)800320160803216

由上面這組數(shù)據(jù)可以看出,雖然波形的上升時間是一個定值,而用數(shù)字示波器測量出來的結(jié)果卻因為掃速不同而相差甚遠(yuǎn)。模擬示波器的上升時間與掃速無關(guān),而數(shù)字示波器的上升時間不僅與掃速有關(guān),還與采樣點的位置有關(guān),使用數(shù)字示波器時,我們不能象用模擬示波器那樣,根據(jù)測出的時間來反推出信號的上升時間。
數(shù)字示波器的優(yōu)缺點介紹

    示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像,便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。

    數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集,A/D轉(zhuǎn)換,軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。

    數(shù)字示波器一般支持多級菜單,能提供給用戶多種選擇,多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲,實現(xiàn)對波形的保存和處理。

    數(shù)字示波器優(yōu)點

    1.體積小、重量輕,便于攜帶,液晶顯示器

    2.可以長期貯存波形,并可以對存儲的波形進(jìn)行放大等多種操作和分析

    3.特別適合測量單次和低頻信號,測量低頻信號時沒有模擬示波器的閃爍現(xiàn)象

    4.更多的觸發(fā)方式,除了模擬示波器不具備的預(yù)觸發(fā),還有邏輯觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等

    5.可以通過GPIB、RS232、USB接口同計算機、打印機、繪圖儀連接,可以打印、存檔、分析文件

    6.有強大的波形處理能力,能自動測量頻率、上升時間、脈沖寬度等很多參數(shù)

    數(shù)字示波器缺點

    1.失真比較大,由于數(shù)字示波器是通過對波形采樣來顯示,采樣點數(shù)越少失真越大;

    通常在水平方向有512個采樣點,受到采樣速率的限制,在快掃描速度及其附近采樣點更少,因此高速時失真更大。

    2.測量復(fù)雜信號能力差,由于數(shù)字示波器的采樣點數(shù)有限以及沒有亮度的變化,使得很多波形細(xì)節(jié)信息無法顯示出來;

    雖然有些可能具有兩個或多個亮度層次,但這只是相對意義上的區(qū)別;

    再加上示波器有限的顯示分辨率,使它仍然不能重現(xiàn)模擬顯示的效果。

    3.可能出現(xiàn)假象和混淆波形,當(dāng)采樣時鐘頻率低于信號頻率時,顯示出的波形可能不是實際的頻率和幅值。

    數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān),取樣率不高時需借助內(nèi)插計算,容易出現(xiàn)混淆波形。

 

標(biāo)簽: 數(shù)字示波器
數(shù)字示波器標(biāo)簽: 數(shù)字示波器的優(yōu)缺點介紹_數(shù)字示波器組合標(biāo)題: 一、模擬和數(shù)字,各有千秋

廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時代,雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具,帶寬100MHz的同步示波器開發(fā)成功,這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計算機的問世,促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn),出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬6GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時科學(xué)技術(shù)的高水平,為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展,開始讓位于數(shù)字示波器,英國和法國甚至退出示波器市場,技術(shù)以美國比較好,中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。

模擬示波器要提高帶寬,需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能,對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理,以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起,成果累累,大有全面取代模擬示波器之勢,模擬示波器的確從前臺退到后臺。

但是模擬示波器的某些特點,卻是數(shù)字示波器所不具備的:

操作簡單——全部操作都在面板上,波形反應(yīng)及時,數(shù)字示波器往往要較長處理時間。
垂直分辨率高——連續(xù)而且無限級,數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。
數(shù)據(jù)更新快——每秒捕捉幾十萬波形,數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。
實時帶寬和實時顯示——連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同,數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān),取樣率不高時需借助內(nèi)插計算,容易出現(xiàn)混淆波形。

簡而言之,模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實的波形,在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測試。人類五官中眼睛視覺十分靈敏,屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷,微細(xì)變化都可感知。因此,模擬示波器深受使用者的歡迎。

二、數(shù)字示波器獨領(lǐng)風(fēng)騷

八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段,還有不少地方要改進(jìn),美國的TEK公司和HP公司都對數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來甚至停產(chǎn)模擬示波器,并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代,數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上,更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象,換句話說,盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點,使數(shù)字示波器更好用。

數(shù)字示波器首先在取樣率上提高,從最初取樣率等于兩倍帶寬,提高至五倍甚至十倍,相應(yīng)對正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz,甚至10GHz。

其次,提高數(shù)字示波器的更新率,達(dá)到模擬示波器相同的水平,最高可達(dá)每秒40萬個波形,對觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖就方便多了。

再次,采用多處理器加快信號處理能力,從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié),改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié),甚至完全自動測量,使用上與模擬示波器同樣方便。

最后,數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示,賦于波形的三維狀態(tài),即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器。

三、數(shù)字示波器要有模擬功能

模擬示波器用陰極射線示波管顯示波形,示波管的帶寬與模擬示波器的相同,亦即示波管內(nèi)的電子運動速度與信號頻率成正比,信號頻率越高電子速度越快,示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比,低頻波形的高度高,高頻波形的高度低。利用熒光屏的亮度或灰度容易獲得信號的第三維信息,如用屏幕垂直軸表示幅度,水平軸表示時間,則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關(guān)的熒光余輝(灰度定標(biāo))效應(yīng)對觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效。模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品,最高的性能達(dá)到800MHz帶寬,可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件。

數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因為它是數(shù)字處理,只有兩個狀態(tài),非高即低,原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化,必需采用專用圖像處理芯片,例如TEK公司采用DPX型處理器芯片,具有數(shù)據(jù)采集、圖像處理和存儲等多項功能,DPX芯片由130萬個晶體管組成,采用0.65um的CMOS工藝,并行流水結(jié)構(gòu),取樣率2GS/s。它既是數(shù)據(jù)采集芯片,同時也是光柵掃描器,模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性,用16級亮度分級,將波形存儲在500*200像素的LCD單色或彩色顯示屏上,每0.33秒更新一次。由于模擬存儲示波器只能依靠照相底片記錄波形,對數(shù)據(jù)保存并不十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)機率最高的波形,蘭色表示出現(xiàn)機率最低的波形,達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到1GHz帶寬的水平,配合熒光顯示特性,總的性能優(yōu)于模擬存儲示波器。

四、數(shù)字熒光示器

去年著名電子示波器制造商TEK公司首先推出數(shù)字熒光示波器兩種系列TDS500(單色)和TDS700(彩色),具有500MHz-2GHz帶寬,取樣率最高2GHz,較多4通道輸入,屬于中高檔數(shù)字示波器,價位在10,000美元以上。今年生產(chǎn)一種TDS3000系列數(shù)字熒光示波器,起價只3,000美元,帶寬500MHz ,取樣率最高5GS/s,受到用戶的歡迎。另一家專門生產(chǎn)數(shù)字示波器的LeCroy公司,今年也推出一種數(shù)字余輝示波器,名稱雖有別于數(shù)字熒光示波器,它們的功能實際上是相同的。Waverunner系列的帶寬500MHz,取樣率500MS/s,較多4通道輸入,起價5,999美元。

以下較詳細(xì)介紹這兩種系列數(shù)字示波器的特點:

普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長時間記錄,然后作信號處理,這種辦法會漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示信號的動態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別,以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號,既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號,還要記錄電視信號中的異?,F(xiàn)象,對于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。

TEK公司的TDS3000數(shù)字熒光示波器提供多種測試模塊,可以從前面板右上角插入四種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā),以及脈沖參數(shù)(上升、下降邊,寬度、周期等);電視模塊專用于多種制式的(NTCS、PAL和SECAM)波形記錄;快速傅里葉變換(FFT)模塊可快速顯示信號的頻率成分和頻譜分布,既可分析脈沖響應(yīng),亦可分析諧波分布,并且識別和定位噪聲和干擾來源。 TDS3000系列示波器是便攜式的,重量不到7磅,可由電池供電,特別適于現(xiàn)場使用。

LeCroy公司的Waverunner系列數(shù)字余輝示波器的余輝時間常數(shù)是可以改變的,因此在使用上與模擬存儲示波器非常相似。它的抖動和定時分析(JTA)軟件包可對屏幕顯示的信號作定量分析,例如,經(jīng)過數(shù)字處理后可在脈沖抖動的波形下面劃出亮線,亮線長度表示抖動范圍,最亮部分表示經(jīng)常出現(xiàn)的抖動區(qū)。積累波形數(shù)目達(dá)10萬個,結(jié)果可繪制成直方圖。

Waverunner示波器還有兩種測試用軟件包:數(shù)字和測量軟件包,波形分析軟件包。前者可自動測量和分析40種常用參數(shù)(如脈沖上升、下降時間,最大、最小值,偏差值等),預(yù)測某種參數(shù)的趨勢(如測量IC的傳輸延時的變動范圍)。后者包括FFT分析,較多可達(dá)10(6)點的記錄長度;高分辨率方式;包絡(luò)方式;模板測試;合格/不合格測試等。各種測試結(jié)果均利用彩色顯示器的不同顏色不同亮度表示結(jié)果,真正讓使用者的視覺獲得迅速的反應(yīng),充分發(fā)揮余輝灰度的三維效應(yīng)。


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