示波器基础-jbc

议题安排示波器的发展历史示波器的重要参数示波器的发展史示波器-电子工程师的眼睛示波器的首要条件准确地显示波形信号完整性测量示波器技术演变进程CRT屏幕荧光储存示波器MCP模拟示波器（第一代）DPO数字储存示波器数字荧光示波器（第三代）CRT取样InstaVu数字储存示波器（第二代）DRT了解它，信任它－－第一代示波器模拟示波器模拟示波器的组成水平系统垂直系统扫描系统触发系统显示系统模拟示波器的优点•对实际的信号变化有直接的视觉效果•亮度等级（信息出现的频率）•没有量化误差和信号混迭•非常快的波形获取率•单一的用户界面•在单通道作业模式下性能最好模拟示波器的不足之处•纯粹的视觉信息•无法进行舜态信号的捕获及储存•闪烁和漏失•带宽性能有限•只有边沿触发•无法观察触发事件之前的信息•对于低重复率信号写速有限模拟示波器在显示极值时会遇到问题低重复率快前沿信号显示昏暗难以读出中等重复性信号（中等频率），显示清楚但是否漏失什么信息低重复率信号（低频信号），光迹不连续由于模拟示波器的技术局限性。即使示波器触发和信号存在，但对某些信号也是无法进行清晰的显示或无法显示并丢失信息如：毛刺低频脉冲群•DRT技术能把信号清楚显示。•使用模拟示波器，您可能需要把室内灯光调暗。低频信号•DRT技术能把整个波形显示出来•磷的发亮度限制了波形显示，只能看到光点在飘动如何捕获单次信号对于DRT技术，只要能触发，就能显示您能相信您的模拟示波器吗？•射在屏幕上的电子数量决定显示波形的光亮度–您的模拟示波器有可能看不到快速上升的信号•DRT技术能捕获速度高达的毛刺数字存储示波器（DSO）的基本结构框图例：TDS2000系列数字存储示波器•提高水平时间基线的线性度和精确度•通道之间没有时间误差，可进行精确的定时和相位测量•可以长期存储波形，并调出存储波形•可以将波形传送计算机进行存储和进一步的分析，可硬拷贝•可捕获单次信号和非周期信号•通过光标和参数自动测量对多项波形参数进行测量•波形信息可用数学运算方法进行处理和显示•先进的触发方式•可以显示大量的预触发信息数字存储示波器的优势数字存储示波器不足之处•有限的波形捕获速率•二维显示不能标明事件发生的频度没有亮度等级（信息出现的分布）复杂视频信号？调制信号观察？三代示波器结构的比较模拟实时显示数字串行处理数字并行处理DPO放大器数字荧光器A/DDisplayuPART放大器水平放大器垂直放大器延迟线触发DisplayDSO放大器多路分解器采集信号存储器uP显示存储器A/DDisplay第三代示波器数字荧光示波器数字荧光示波器定义:一台能将电信号数字化,并且以三维数据(信号的幅度,时间,以及幅度相对于时间的分布)实时地存储,分析,显示波形的仪器DPOAmpA/DDisplayuPDPX波形成像处理器并行处理Acqui-sitionRasterizerDigitalPhosphorDisplayMemory波形的捕获的比较模拟示波器数字荧光示波器数字存储示波器数字荧光示波器的优势比DSO快的波形捕获率先进的触发能力象模拟示波器一样的实时显示信息相对于时间的分布，波形亮度(灰度级)的实时显示各类示波器对波形捕捉和显示的能力由于采用的技术和原理不同，在波形的保真、显示能力和捕获能力上，各技术类别的示波器之间存在较大差异。波形显示示波器类别简单重复信号复杂动态重复信号定时测量非重复单次信号触发功能预触发示波器带宽数据处理稳定信号变化信号异常信号低频信号随机毛刺快沿信号模拟示波器TRD显示技术好好差差差差好差不能边沿不能低470M不能DSO示波器等效采样技术好差差好差好差(点,余辉)改善显示好差多种能高6G能DSO示波器实时采样技术好好差好好好差(点,余辉)改善显示好好多种能高20G能DPO示波器数字荧光技术好好好好好好好好好多种能高20G能示波器带宽及上升时间带宽是示波器的首要规格参数示波器的结构决定了带宽的重要性：放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽；放大器是信号进入示波器的大门，它的带宽决定了示波器的带宽，示波器能请进什么样的信号由这个大门来决定。数字示波器的带宽也是模拟带宽。示波器所谓带宽是指:垂直放大器的频率响应，定义为：随着频率增加，信号幅度下降3dB（70.7％）.在此频点为示波器的带宽示波器带宽不足导致波形失真•非正弦波是由基波加无数奇次谐波所构成。包含的谐波越多，波形越近似方波。所以方波的质量•根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同。例：100M方波是由3次、5次、7次。。。。。。合成，3次谐波频率为300M、5次谐波频率为500M。。。。。幅度衰减波形失真正弦波谐波分量方波谐波分量100%70.7%,-3dbBWBW100%70.7%,-3db带宽不足导致波形幅度衰减和波形失真注意：示波器对波形幅度和上升时间的影响所带来的测量误差示波器带宽对测量波形影响测量20MHz的方波在20MHz带宽示波器测试所显示的结果在200MHz带宽示波器测试所显示的结果示波器所显示的波形放大器数字荧光器A/DDisplayuP波形重要谐波及上升时间与测量精度的关系影响波形的谐波数是基波的倍数波形重要谐波数（占基波幅度10％）正弦波1:01方波1:09三角波1:03脉冲波（占空比50％）1:09脉冲波（占空比25％）1:14脉冲波（占空比10％）1:26带宽与上升时间的关系示波器T上升＝0.35/BW（适合于1G以下示波器）系统上升时间的计算测量所得的上升时间＝√信号上升时间2＋测量系统上升时间2仪器测量系统上升时间＝√探头上升时间2＋测量仪表上升时间2示波器上升时间对信号上升时间测量精度影响一般情况下，为了获得正确的振幅测量，示波器的带宽应该比被测量的波形的频率大5倍。为了合理精确地测量波形的上升或下降时间，示波器必须有足够的上升时间。仪表上升时间：信号上升时间信号上升时间读值测量误差之比％1:141%2:122%3:112%4:15%5:12%7:11%10:10.5%Whatyoudon’tknow......canhurtyou!上升时间与测量精度示波器与信号上升时间之比1:012:013:014:015:017:0110:01测量精度41%22%12%5%2%1%0.50%波形上升时间与测量精度的关系上升时间在波形10％－90％处测量，上升时间可由：t上升时间＝0.35/BWBW：3db带宽(单位为Hz),0.35：系数例：波形上升时间为3.5nS,经计算带宽为100M被测上升时间可由波形上升时间和仪表上升时间计算被测上升时间＝/信号上升时间²＋仪表上升时间²例：信号上升3.5nS,仪表上升3.5nS,测得上升时间为：4.95ns带宽和上升时间小结如何选择合适的示波器从带宽上选择：可以看到信号的5次以上的谐波，最好7-9倍从上升时间选择：示波器本身的上升时间是被测信号的1/5以下。一个有用的经验保证信号的每个边沿采集到5-8个点数字示波器采样技术采样采样点数字化需要的保持时间采样间隔采样是等间隔地进行；采样率以“点/秒”来表示。第一次触发采集第二次触发采集第三次触发采集第四次触发采集输入重复信号数字等效采样技术：以较低的A/D对信号采集,将多次触发采集到资料进行重组，实现对高频重复信号的捕获和显示。需要经过多次次触发才能采集到信号的所有资料对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化（如幅度）将造成显示混乱。等效技术示波器，只适用捕获重复稳定信号，对捕获非重复信号和单次信号的能力。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能力。将受到实时采样率的限制。示波器标定带宽＝重复信号带宽瞬态（单次）信号带宽(由采样率和内插系数决定)输入重复信号第一次采集第二次采集第三次采集。。。。数字实时采样技术：实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽4－5倍或更高。只需一次触发已采集到信号所有资料对信号的要求：重复信号且可允许信号变化实时采样技术示波器，不仅适用捕获重复信号、而且是捕捉非重复信号和单次信号的有效技术。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号前提条件。示波器标定带宽＝重复信号带宽＝瞬态（单次）信号带宽数字等效采样与实时采样比较采样间隔单次采样带宽也就是常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了所构建的单次波形的完整性。波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。一般采用内插系数为5计算数字示波器的单次信号带宽。单次带宽＝实时采样率/5（内插系数）幅度时间对于对数字示波器捕获单次信号事件，虽然示波器放的大器带宽保证了信号输入不失真。但示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上，从而保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真的情况发生。单次采集带宽放大器多路分解器采集信号存储器uP显示存储器A/D示波器采样率决定：窄脉冲和毛刺信号精确捕获和复现能力示波器带宽选定后，采样率决定了示波器的单次带宽。这一带宽决定示波器对毛刺和单脉冲信号的捕获能力和复现能力，也决定了示波器检测重复信号中异常信号和随机毛刺信号的捕获能力。采样率不足将使信号漏失或畸变，使信号失去高频成份影响信号完整性测量例：示波器带宽100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,脉冲宽度为5ns（不考虑带宽对波形的影响）重复信号带宽均为100Mhz1Gs/S单次带宽为100Mhz100Mhz60Mhz80Mhz40Mhz20Mhz200MMhzs/S单次带宽为40Mhz100MMhzs/S单次带宽为20Mhz例：示波器带宽100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,阶跃信号实时为5ns（不考虑带宽对波形的影响）重复信号带宽均为100Mhz1Gs/S单次带宽为100Mhz100Mhz60Mhz80Mhz40Mhz20Mhz200MMhzs/S单次带宽为40Mhz100MMhzs/S单次带宽为20Mhz示波器带宽选定后，采样率决定了示波器单次带宽。这一带宽决定示波器对阶跃、单次事件信号中的快沿信号的捕获和复现能力，也决定了示波器对检测低重复率信号的上升和下降沿捕获能力。采样率不足将使信号上升和下降时间变慢，使信号失去高频成份影响信号完整性测量示波器采样率决定：单次事件信号沿的精确捕获和复现能力泰克公司数字实时采样技术轻易地捕捉到5ns的毛刺最小水平时基为100ns，即未能对单次毛刺进行捕捉采样率对单次信号的捕获的影响欠幅脉冲捕捉毛刺捕捉实际工作中，比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析，这些都是每天都要面对的。（稳态和瞬态的分析）单次信号的捕获应用广泛采样率与单次信号带宽的关系奈奎斯特取样原理在正弦波上采样，需要在一个周期采集最少两个以上的点就可重现波形fs(取样率)＞2BW(信号频率）例：100M正弦波信号，最少采样率？2X100M＝200MS/s数字示波器的单次带宽定义为单次(瞬态)信号测量中可获得的最大带宽BWs＝fs(采样率)kR(与重现技术有关的内插系数)2.5.4.10.例：内插系数为4，采样率为100MS/s,示波器单次带宽？100MS/s4＝25MHz总结：采样率的选择我们在确定示波器的带宽后，还要选择足够的采样率来与之相配合，这样才能获得适合于实际测量中的实时带宽，从而获得满意的测量结果。如果在实际的测量中，比较重视单次信号的精确信息，我们建议采样率要在带宽的五倍以上，最好能在八到十倍。对于采用数字实时采样技术的示波器：数字实时带宽=单次带宽=采样率/内插系数模拟带宽由示波器前端的衰减放大电路数字示波器存储深度示波器波形的存储深度定义：一个波形记录是指可被示波器一次性采集的波形点数最大记录长度由示波器的存储容量决定，要增加存储容量才能增加记录长度是为捕获和显示单次事件信号过渡过程提供的