示波器

示波器基础北京东方中科集成科技有限公司深圳分公司提纲1、示波器基础2、触发功能介绍3、现场试验示波器-电子工程师的眼睛示波器的首要条件准确地显示波形保证信号完整性测量什么是示波器•示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类•示波器的用途：–电压表，电流表，功率计–频率计，相位计–脉冲特性，阻尼振荡•示波器的应用：–电子，电力，电工–压力，振动，声，光，热，磁时间幅度波的类型•大多数波都属于如下类型：–正弦波–方波和矩形波–三角波和锯齿波–阶跃波和脉冲波–噪声波、复杂波•很多波是上述波形的组合•周期信号和非周期信号•同步信号和异步信号正弦波是波形的基本波•非正弦波是由基波加无数次谐波所构成。包含的谐波越多，波形越近似方波。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………….对于非正弦波波形，波形从最小值过渡到最大值越快，所含谐波就越多，波形所含的谐波频率的分量也越高。对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。波形的重要谐波•非正弦波是由多次,按不同频率不同相位和不同幅度的正弦波组成的合成波，谐波是基波的倍数。•列出的是影响波形变化的谐波次数，(考虑谐波分量为基波幅度10％以上的谐波，是对波形形状影响较大的因素)•波形重要谐波数•正弦波（正弦波基波为：1）1:1•方波1:9•三角波1:3•脉冲波（占空比50％）1:9•脉冲波（占空比25％）1:14•脉冲波（占空比10％）1:26•谐波数为基波的倍数•在没有边沿时间信息，只有信号频率和波形类别信息，我们希望所观测到的波形有精度不失真，可以使用倍数的的方法选择示波器带宽。波形的测量参数50%90%10%VmaxVminVp-pVhiRiseTime+Width-WidthVlo100%FallTime幅值正向超调负向超调频率＝1/周期示波器的重要指标•示波器主要技术指标－是保证示波器精确显示信号波形的前提条件–示波器的带宽–数字示波器采样率–示波器存储长度–波形捕获率（先进的DPO）•示波器主要的功能－是保证示波器稳定、捕获和显示波形的必要条件–垂直–水平–示波器的触发–与外部设备的互联能力–数据的处理技术与能力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：随着正弦波频率增加，信号幅度下降3dB（70.7％）.在此频点为示波器的带宽带宽不足将导致幅度衰减和波形失真正弦波谐波分量方波谐波分量100%70.7%,-3dbBWBW100%70.7%,-3db注意：示波器带宽或上升时间与信号频率或上升时间一样时，对会对波形幅度和上升时间产生影响，带来测量误差，如减少测量误差只能提高延伸示波器带宽。示波器测量系统带宽•探头也是仪器，它和示波器共同组成测量系统。这一系统带宽将影响被测信号如正弦波、脉冲和方波的幅度和上升时间的测量精度，如果探头选择不当，你将冒无法预知测量结果的风险。探头和示波器上升时间和带宽的关系由下式决定：探头、示波器T上升＝0.35/BW（适合于1G以下示波器）BW=带宽（－3dB时的频率）（单位Hz）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•探头的上升时间应快于示波器的上升时间（泰克非常精细的匹配示波器的系统带宽）•示波器的上升时间应快于被测量信号的上升时间。•例：使用100Mhz探头和100Mhz示波器组成测量系统，测量上升时间为3.5ns的方波信号，系统带宽为多少？测量误差是多少？–系统上升时间＝3.5ns2＋3.5ns2＝4.95ns，系统带宽＝0.35/4.95ns＝70Mhz–显示信号上升时间＝3.5ns2＋4.95ns2＝6.08ns，测量误差＝(6.08-3.5)/3.5＝73％•使用100Mhz示波器及不当的100Mhz探头，将导致测量系统带宽性能降低100Mhz以下•示波器带宽是应包含探头和示波器整个测量系统的问题，泰克公司承诺指定示波器的带宽（上升时间），是当使用原配探头时，是探头尖的上升时间（示波器带宽）。示波器系统带宽对信号的影响•测量系统的带宽将影响脉冲和方波的上升时间，示波器系统上升时间和带宽的关系由下式决定：示波器测量系统T上升＝0.35/BW（适合于1G以下示波器）BW=带宽（单位Hz）（－3dB时的频率）•示波器系统的上升时间应快于被测量信号波形的上升时间。仪器显示的信号上升时间＝被信号上升时间2＋仪表系统上升时间2•例：100Mhz正弦波使用100Mhz的示波器系统进行测量，依据幅频特性可得测量显示的信号与被测信号的误差为30％。•例：一个100Mhz方波上升时间为3,5ns的信号，使用100Mhz的示波器系统进行测量，根据上述公式计算显示信号与被测信号的误差为：–100Mhz示波器上升时间＝350/100Mhz＝3.5ns–仪器显示的信号上升时间＝3.5ns2＋3.5ns2＝4.95ns–测量误差＝（4.95ns－3.5ns）/3.5ns＝0.414＝41％•改善和提高测量精度只能提高示波器系统带宽，如选择比信号上升时间高5倍的示波器,测量误差为：500Mhz示波器系统上升时间为＝350/500Mhz＝0.7ns–仪器显示的信号上升时间＝3.5ns2＋0,7ns2＝3.569ns–测量误差＝（3.569ns－3.5ns）/3.5ns＝0.0198＝2％（选择示波器的5倍法则）注意：示波器系统带宽不足引起上升时间慢和异常幅度衰减示波器带宽总结示波器带宽是由放大器模拟带宽决定。示波器带宽是应包含探头和示波器整个测量系统的问题，是包括探头的系统带宽。泰克公司承诺指定的示波器带宽（上升时间），是当使用原配探头时，探头尖的上升时间（示波器带宽）。示波器系统带宽不足，会引起上升时间慢和异常幅度衰减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%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。实时采样、随机等效采样、顺序等效采样方式随机数字等效采样技术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•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。以较低的A/D对信号采集,将多次触发采集到的资料进行重组，实现对重复信号的捕获和显示。采样率对单次信号采集•数字示波器不但用于观测重复信号，同时需要观测单次事件信号。虽然示波器放的大器带宽保证了信号输入不失真。如采样率不足会造成显示信号漏失和失真。所以示波器必须具有足够的采样速率，用以捕捉单次信号和精确恢复显示波形。•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。放大器多路分解器采集信号存储器uP显示存储器A/D采样率低使信号失真采样率高使信号保真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。线性内插：在相邻采样点直接连接上直线，局限于直边缘信号。正弦内插：（SinX/x）利用曲线来连接样点，通用性更强。它利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果。这种方法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。泰克公司采用的是sinx/x正弦内插发复现信号。内插系数：泰克公司的内插系数为2.5,采用5倍以上示波器带宽的采样率是为提高信号的保真使用正弦内插，一般采用内插系数为5计算示波器的单次信号带宽。单次带宽＝实时采样率/5（内插系数）。使用线性内插，一般采用内插系数为10计算示波器的单次信号带宽。单次带宽＝实时采样率/10（内插系数）。正弦内插线性内插单次采集带宽和波形复现示波器采样率决定•示波器带宽选定后，采样率决定了单次带宽。单次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。窄脉冲和毛刺信号精确捕获和复现能力只有信号速度在单次带宽的范围内，对捕获信号才能精确复现例：示波器带宽100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,（不考虑带宽对波形的影响）示波器采样率决定示波器带宽选定后，采样率决定单次带宽。单次带宽决定示波器对阶跃、单次信号中的快沿的捕获和复现能力，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。单次事件信号沿的精确捕获和复现能力只有信号速度在单次带宽的范围内，对捕获信号才能精确复现例：示波器带宽100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,（不考虑带宽对波形的影响）示波器采样率决定1Gs/S单次带宽为100Mhz100Mhz60Mhz80Mhz40Mhz20Mhz200MMhzs/S单次带宽为40Mhz100MMhzs/S单次带宽为20Mhz脉冲序列精确复现能力，只有信号速度在单次带宽的范围内，对捕获信号才能精确复现总结：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，从而获得满意的显示和测量结果。•示波器采样率不足，将会使信号失去高频成份，影响对信号的完整性测量。如：使信号上升和下降时间变慢，或造成波形漏失。•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，最好能在八到十倍示波器存储深度•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信号过渡过程提供的重要指标•示波器的存储由两个方面来完成：–触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起点；–示波器的存储深度决定了数据存储的终点。•记录时间＝记录长度/采样率–由于时基和采样率是联动的，所以时基的速度快慢将同时改变采样率的高低。当采样率达到指标定义最高速率时，加快基速度的调整，采样率将不能加快。–时基与采样率的关系应为：存储深度（点）时间/格10＝采样间隔.1/采样间隔＝采样率触发点延时时间记忆长度起点终点采样率与存储深度的关系•示波器最高采样率决定示波器单次带宽的限制，为保证波形精确复现建议：正弦内插技术示波器以:采样率/5＝单次带宽的公式计算单次带宽，线性内插技术示波器以:采样率/10＝单次带宽公式计算。•采样率不足将限制示波器单次带宽。如果示波器在全带宽范围内，对单次信号实现捕获和精确复现。只有采样率高于示波器带宽5倍以上（正弦内插），才能使示波器的重复信号带宽＝单次信号带宽。•示波器存储长度对波形的记录是以波形精确捕获为前提。–当信号频率或速度超过单次带宽的限制（信号不能重组），即使示波器带宽对信号不产生影响，但由于采样不足将造成显示信号的混叠、畸变和漏失。就是示波器有在长的存储，存储的波形也是畸变的失真波形。–当单次信号中的高频成份，低于示波器的单次带宽，才能保证信号的高频细节。此时存储长度越长，波形记录时间越长。存储深度短，将丢失波形部分时间的信息。采样率、单次带宽与存储深度对波形限制被测信号时间T被测信号时间T被测信号时间T示波器存储深度