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示波器的使用•姓名：刘邈•专业：天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室博士研究生•主要负责项目：–高铁列车动态限界仪硬件系统–wMPS室内工件三维精密定位系统–大型断路器在线质量检测系统•曾多次参与各类国际、国内各类电子设计竞技比赛并获奖，具有丰富的电子电路设计、精密测量仪器设计及使用经验。嘉宾介绍第一章：示波器基本概念-用途与功能•示波器是形象地显示信号随时间变化波形地仪器，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。什么是示波器•电压表，电流表，功率计•频率计，相位计•脉冲特性，阻尼振荡示波器的用途工程师的眼睛准确地显示波形，保证信号完整性测量讲义提纲基本概念•用途介绍•数字与模拟示波器比较•几种典型波•波形测量参数指标与功能•带宽指标•采样率指标•实时/等效采样•存储深度•触发方式基本使用•面板操作•LCD显示•触发的设定•探头的增益•探头的类型注意事项•示波器校正•有关浮动测量•交流耦合与直流耦合的区别实例讲解•开关电源测量•交流电压测量•编码器脉冲输出测量示波器测量讲解内容概要第一章：示波器基本概念-用途与功能简介•示波器的主要功能是：精确地再现时间和电压幅度的函数波形。用它可以即时地观察电压幅度相对时间的变化情况，从而获得波形的质量信息，如幅度和频率，波形，不同波形的时间和相位的关系。示波器主要功能第一章：示波器基本概念-用途与功能简介可观察的信号举例重复周期信号单次/瞬态信号重复周期信号中的异常波形调制信号串行数字通讯信号视频信号低频脉冲群数据串第一章：示波器基本概念-用途与功能简介示波器的典型结构比较ARTDSODPO放大器水平放大器垂直放大器延迟线触发器显示放大器多路分解器采集存储器y微处理器显示存储器A/D显示放大器采集光栅显示存储器A/D显示数字磷光微处理器DPX波形图像示波器模拟显示串行处理并行处理NEW第一章：示波器基本概念-数字与模拟示波器比较•测量的目标是相同，实际结构上内部采用不同技术，所以它们的表现形式并不相同。数字示波器与模拟示波器数字技术的发展赋予示波器更多波形捕获能力，更多的数学运算功能，它可以是一台具有波形显示的功率计，可以进行波形参数分析，它还能存储各种波形以及相关信息……普通数字示波器的缺点•量化误差•由于采样率不够，造成信号频域混叠模拟示波器的缺点•只有纯粹的视觉信息•闪烁，丢失•带宽提高困难•只有边沿触发，无预触发第一章：示波器基本概念-波的概念•正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。•例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次谐波分量递加而成。•1次（基波）3次5次7次方波(2500次)•F(x)=2E/Π(sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+……)•对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。•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。波的组成第一章：示波器基本概念-波的概念•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………….示波器带宽不足导致波形失真幅度衰减波形失真第一章：示波器基本概念-波的概念•由于任何非正弦波都可视为无数正弦波组成，因此谐波分量的多少将直接影响波形的形状。为保证波形不失真，考虑按基波幅度的10％以上谐波为影响波形的重要因素选择示波器带宽。波形的主要谐波分量正弦波无谐波分量方波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第一章：示波器基本概念-波的概念波形测量参数50%90%10%VmaxVminVp-pVhiRiseTime+Width-WidthVlo100%FallTime幅值正向超调负向超调频率＝1/周期第一章：示波器基本概念-波的概念•不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时间内信号重复的次数。成为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即1/周期等于频率，同理1/频率等于周期。波形的频率和周期第一章：示波器基本概念-波的概念•电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值-峰值。有效值（Vrms）是峰峰值（Vpp）的0.707倍。•我们平时说的相电压220V、线电压380V，是有效值。波形的电压表征第一章：示波器基本概念-波的概念•幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。如图所示的波形的幅度为1V，而电压的峰值-峰值为2V。波形的幅度第一章：示波器基本概念-波的概念•参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。一个圆的度数是360°，而正弦波的一个周期也是360°。为描述经过的周期数，可以参照正弦波的相位的角度。相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图中，标号为“电流”的波形比标号为“电压”的波形超前90°，因为两者到达同一点刚好相差1/4周（360o/4=90°）。在电子学中，相移比较普遍。波形的相位第二章：指标与功能-示波器主要指标看懂示波器型号和规格最大采样率•数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽，相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增加，信号的幅度下降到3dB(70.7％)，此时的频率点称为示波器的带宽。、幅频特性曲线0dB(100%)-3dB(70.7%)仪器带宽fV第二章：指标与功能-示波器主要指标示波器带宽•在波形的主要谐波分量中提到过，如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。•对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面：•①由于低带宽导致的主要谐波分量消失，使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波。•②低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。带宽对波形的影响第二章：指标与功能-示波器主要指标•下列图示为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器上的显示效果图。带宽对波形的影响正确失真200M带宽10M带宽-3dB70.7%第二章：指标与功能-示波器主要指标第二章：指标与功能-示波器主要指标带宽对波形的影响例：测量10.5MHz的方波在20MHz带宽限制的情况下的显示150MHz带宽限制的情况下的显示结果示波器所显示的波形•大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。第二章：指标与功能-示波器主要指标示波器的带宽限制功能①低通频率上限-3dB②高通④带阻③带通-3dB频率下限-3dB频率下限频率上限-3dB频率下限频率上限…..…..频率上限频率上限频率上限频率下限频率下限频率下限第二章：指标与功能-示波器主要指标数字滤波幅频特性•上升时间通常定义为信号从上升跳变沿的10％到90％的时间长度。•示波器的上升时间则与其带宽有直接关系•其关系式：T上升＝0.35/示波器带宽（1GHZ以下）带宽与上升时间90%10%上升时间第二章：指标与功能-示波器主要指标第二章：指标与功能-示波器主要指标多快才是足够快?Whatyoudon’tknow......canhurtyou!等于信号的上升时间2倍于信号的上升时间3倍于信号的上升时间5倍于信号的上升时间示波器自身上升时间41%12%5%2%显示得出被测信号的幅度衰减第二章：指标与功能-示波器主要指标采样过程①等间隔进行采样及A/D转换②顺序存储采样数据①②③③读取采样数据以构建波形第二章：指标与功能-示波器主要指标•实时采样在一次触发事件期间捕获所有用于重建波形的样本点，它要求采样率至少为被测波形最高频率分量的5倍。•如上图所示，①表示第一次触发所采样的数据点，并且一次就完成一个采样过程实时采样第二章：指标与功能-示波器主要指标•等效采样是在多个触发事件上捕捉样本点，要求输入的波形为重复波形。对于每个触发事件示波器会捕捉多个样本点，并把它们与原已捕捉的样本点组合到一起。•如上图所示，①②③第1，2，3次触发事件所采样的数据点，1，2，3次触发相互间隔错开。等效采样第二章：指标与功能-示波器主要指标•等效采样–可以通过低采样率实现对高频重复信号的采样。–可以达到高采样率采样。–不可对非周期信号进行等效采样。（进行单次触发时得设置采样方式为实时采样）•实时采样–不仅是重复信号，对于非重复性信号非常适合。–对高频信号，如果采样率不够得进行正弦内插。–结合上述特点，可根据实际信号选择合适的采样方式以更完美的观测信号。两种采样特点比较第二章：指标与功能-示波器主要指标•存储深度是指在波形存储器中存储波形样本的数量。•存储深度与采样的联系:波形存储时间＝存储深度/采样率•从上式可以看出波形存储时间与采样率成反比关系，存储深度固定的情况下，采样率越高（时基档位越高），存储的时间越短采样率存储深度（4K）当前屏幕（2.4K）第二章：指标与功能-示波器主要指标•混淆是指当采样率低于实际信号最高频率2倍（耐奎斯特频率）时所出现的一种现象。•如下图，由于采样率低于实际信号的频率，导致结果采集的波形频率低于实际信号频率。这种信号频率与实际信号不同，它却能表示正确的波形形状，往往还具有正确的幅度。•抑制混淆的方法：–打开混淆抑制。–手动较小时基，提高采样率。混淆现象实际信号混淆信号第二章：指标与功能-示波器主要功能•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/采样率波形的存储触发点延时时间记忆长度起点终点第二章：指标与功能-示波器主要功能•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。•最大的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。•记录长度和观看波形细节有关•记录时间＝记录长度/采样率•举例：TDS3012B，记录长度10K约为10000点•时基与采样率的关系记录长度第三章基本使用-示波器的触发和信号存储•触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获•触发是使重复信号稳定显示•对单次信号进行捕获•对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获触发基本概念第三章基本使用-示波器的触发和信号存储•示波器的触发电路主要用于帮助对对所要的波形进行定位。根据不同的信号特征和测量目的，可以选择不同的触发类型。但是，最常用的还是边沿触发：•波形进入触发比较器的正输入端，在这里与另一个输入端上的触发电平电压进行比较。触发比较器有上升沿输出和下降沿输出。当您的波形的上升沿穿越触发电平时，上升沿比较器输出变为高，而下降沿输出变为低。当波形的下降沿穿越触发电平时，上升沿输出变为低，而下降沿输出变为高。示波器使用您选择的输出作为触发输出。触发基本概念第三章基本使用-示波器的触发和信号存储触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b/c；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a。触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。示波器的触发}}}321不正常触发正常触发abc第三章基本使用-示波器的触发和信号存储•