示波器原理、功能及应用

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1、示波器引言自然界运行着各种形式的波形，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的基频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。通过传感器，这些力等非电的物理量可以转变为电信号，通过示波器就能够进行观察和研究。示波器是任何设计、制造或是维 修电子设备的必备之物！什么是示波器示波器（Oscilloscope）是显示信号波形随时间变化特性的仪器。示波器能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图象（波形），便于人们研究各种电现象的变化过程。电子工程师的眼睛！=示波器功能概述捕获、观察、测量、分析波形的工

2、具 ！波的类型和参数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 复杂波还有很多波是上述波形的组合波的类型和参数正弦波是基本波形，它具有和谐的数学特性，与正弦函数曲线的形状一样。时域中任何非正弦信号都是有基波和不同频率的各次谐波组成的。例如：方波是由基波以及3，5，7，9次谐波分量叠加而成。1次（基波） 3次 5次 7次 方波(2500次)波的类型和参数时间参数l 频率 l 周期 l 上升时间 l 下降时间 l 正脉宽 l 负脉宽 l 正占空比 l 负占空比 l 波的类型和参数电压参数l 最大值 l 最小值 l 峰峰值 l 顶端值 l 底端值 l 幅度

3、值 l 平均值 l 均方根值 l 过冲 l 预冲 l 捕获 / 采集 / 波形捕获率示波器结构框图9ADC采样处样处 理内存后处处理显显示垂直系垂直系统统统统触触发发发发系系统统统统采采样样样样采集采集处处处处理理信号信号调调调调理理后后处处处处理理显显示触触发发发发通道输输入Amp- 3dB例如：平均, MATH,滤波, 自动测 量, FFT,直方图, MASK测试存储深度采样时钟样时钟采样样率Sin(x)/x 内插算法 带宽带宽Bandwidth带宽BandWidth采样率Sample Rate存储深度Memory Depth选择示波器的三大基本原则 选择合适的带宽 时刻警惕采样率 捕获待

4、测信号的全貌带宽采样率存储深度数字示波器原理及主要指标带宽什么是“带宽”？带宽（英语：Bandwidth）指所占据或能够提供的频带宽度信道/系统：带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度，一 般以Hz为单位描述； 模拟信号：带宽又称为频宽，指信号所包含的频率分量， 一般以Hz为 单位描述。例如模拟语音电话的信号带宽为3400Hz，一个PAL-D电视频 道的带宽为8MHz； 数字信号：带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。由于数字信号 的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字 信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述数字示波器原理及主要指标带宽定义：输入正弦信号衰减

5、到其实际幅度的70.7% （3dB）时的频率值，是表征 示波器所能测量的频率范围，单位Hz。数字示波器带宽一般都是指其前端放大器的模拟带宽。放大器相当于一个低 通滤波器。数字示波器原理及主要指标带宽示波器带宽数字示波器原理及主要指标带宽仪器的带宽会对信号产生什么样的影响？高频信号幅度下降信号高频成分消失（也有好处，抑制噪声）数字示波器原理及主要指标带宽下列图示为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器 上的显示效果图。200M带宽 示波器10M带宽 示波器如何选择示波器的带宽？数字示波器原理及主要指标带宽以谐波情况为核心选择带宽以上升时间为核心选择带宽选择合适的带宽: 带宽

6、并不是越高越好数字示波器原理及主要指标带宽以谐波情况为核心选择带宽：应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。波 形 重要谐波数（基波10）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注：列出的影响波形的谐波数是基波的倍数。数字示波器原理及主要指标带宽以上升时间为核心选择带宽：应该让示波器的上升时间快于信号上升时间。1:1 41%2:1 22% 3:1 12%4:1 5%5:1 2%7:1 1%10:1 0.5%信号上升时间仪表上升时间之比 上升时间测量精度数字示波器原理及主要指标带宽上升时间阶跃信号从幅

7、度10%上升到90%所用的时间 示波器的上升时间示波器前置放大器的阶跃响应时间反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力数字示波器原理及主要指标带宽以上升时间为核心选择带宽：应该让示波器系统的上升时间快于信号上升时间。9010t若示波器前置放大器模型是一阶低通滤波器模型，示波器带宽与上升时间的经验公式：BW（MHz） 350 / t（ns）例如： 100M带宽示波器标称上升时间为3.5ns数字示波器原理及主要指标带宽选择多快上升时间的示波器合适呢？例如：一个100MHz上升时间为3.5ns的方波信号，使用100MHz的示波器系统进行测量，上升时间测量误 差为： 100MHz示波器上升时间350/1

8、00MHz3.5ns 仪器显示的信号上升时间3.5ns23.5ns2 4.95ns 测量误差（4.95ns3.5ns）/ 3.5ns0.414415倍法则为了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，上升时间测量 误差为： 500MHz示波器系统上升时间为350 / 500MHz0.7ns 仪器显示的信号上升时间3.5ns20.7ns2 3.569ns 测量误差（3.569ns3.5ns）/ 3.5ns0.01982数字示波器原理及主要指标根据上升时间和带宽的关系，似乎可以得出结论，带宽越高,测量的误差越小，因为带宽越高，对 应的示波器本身的上升时间越小，测

9、量出的上升时间就非常接近于真实的上升时间。 实际上带宽并不是越大越好，因为示波器毕竟不是一个理想的仪器，它本身也有噪声。 从频域来理解会更容易些。 只有当被测信号的能量远大于示波器测量系统本身带来的噪声能量的 时候即信噪比足够大的时候，选择的带宽才是合适的。 当被测信号99%的能量都在500MHz范围以内，使用500MHz 的示波器就合适了，但如果用6GHz 的示 波器，因为500MHz到6GHz 带宽范围内的示波器及探头的底噪及探头感应的噪声能量会远大于被测 信号剩下的1%的能量，测量出来的结果反而没有用500MHz带宽的更接近真实情况。 在测量电源纹波时需要将示波器带宽限制为20MHz就是

10、这个道理。小结带宽p 数字示波器的带宽指的是前端放大器的3dB（70.7%）带宽，单位Hz。p 带宽不足会使高频信号幅度下降或高频成分消失。p 选择示波器带宽有两种方式：以谐波为核心或以上升时间为核心。p 以谐波为核心选择带宽应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。p 以上升时间为核心选择带宽，示波器应该至少快于信号上升时间的5倍。数字示波器原理及主要指标采样率采样是将模拟信号通过AD转换变成数字信号的过程。采样率：示波器每秒采样多少个点采样点等时间间隔分布，相邻两点间隔时间倒数就是采样率。采样率以 “点/秒”（Sa/s）来表示。采样点数字化需要的 保持时间采样间隔数字示波器原理及主要指标采

11、样率信号采样数字化8bit存储1011100111110101. . .1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 采样保持转换成为数据顺序存储通俗讲，采样实际上是用点来描绘进入示波器的模拟信号。屏幕屏幕显示选定部分的内存数字示波器原理及主要指标采样率实时采样: 触发一次采集所需点等效采样: 触发多次将采样点拼接起来实时采样 VS 等效采样数字示波器原理及主要指标采样率实时采样 VS 等效采样实时采样：适合捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号等效采样：适合观察周期性重复信号，且前提是信号必须能稳定触发 数字示波器原理及主要指标采样率采样率不足会怎么样？示波器采样

12、率高低对波形构建的真实性有直接影响！奈奎斯特取样原理：在正弦波上采样，采样频率fs必须大于信号频率SF的两倍以上才能确保从采样值完全重构原来的信号。采样率低会对波形产生的影响：p 波形失真p 波形混淆p 波形漏失时刻警惕采样率数字示波器原理及主要指标采样率采样率不足会怎么样？波形失真数字示波器原理及主要指标采样率采样率不足会怎么样？波形混淆数字示波器原理及主要指标采样率采样率不足会怎么样？波形漏失 脉冲消失数字示波器原理及主要指标采样率信号准确重建技术：如果信号只是由各点表示，则很难观察。特别是信号的高频部分 ，获取的点很少，更增加了观察的难度。为增加信号的可视性，数字示波器一般都使 用插值法

13、显示模式。线性内插：在相邻采样点直接连上直线，局限于直边缘信号。为准确再现信号，示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10倍。正弦内插（SinX/x）：利用曲线来连接相邻采样点，通用性更强。为准确再现信号，示波器的采样速率应至少为信号最高频率成分的2.5倍。如何判断采样率是否足够？数字示波器原理及主要指标采样率交叉采样技术：随着ADC技术的发展，ADC的采样速率已经到达极限，为了提高示波器整 体的采样率，需要用2片或2片以上的ADC进行交叉采样，从而达到满足提高采样率的要求 。数字示波器原理及主要指标采样率获取方式：控制如何从采样点中产生出波形点按相等的时间间隔对信号采样以重建波形。对于大

14、多数波形来说，使用该模式均 可以产生最佳的显示效果。对采样波形的邻近点进行平均，可减小输入信号上的随机噪声，并在屏幕上产生 更加平滑的波形。普通采集采样间隔信号的最大值和最小值，以获取信号的包络或可能丢失的窄脉冲。高分辨率对多次采样的波形进行平均，以减少输入信号上的随机噪声并提高垂直分辨率。峰值检测平均小结p 相邻两个采样点的时间间隔倒数就是采样率。p 采样率以 “点/秒”（Sa/s）来表示。p 采样方式：实时采样、等效采样p 实时采样：适合捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号p 等效采样：适合观察周期性信号，且前提是信号必须能稳定触发p 采样率不足会导致波形失真、波形混淆、波形漏失p 线性内插要求示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10倍p 正弦内插要求示波器的采样速率应至少为信号最高频率成分的2.5倍采样率数字示波器原理及主要指标存储深度指在波形存储器中存储波形样本的数量，单位pts（points）。 存储深度是示波器对数字化波形的最大存储能力。预采样触发点延迟采样存储深度数字示波器原理及主要指标存储深度深存储有什么好处？深存储的优点p 深存储可保证在同等时间下，以更高采样率采集波形p 深存储可保证