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1、 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 1 示波器的介绍及应用 一、什么是示波器 1.1 示波器就是看电压随着时间的变化过程的仪器 与图表类似, 示波器能帮助你看清在一段时间内究竟发生了什么. 1.2 示波器对连续信号进行片段式的采集 示波器对续信号进行片断式的采集, 然后以波形方式显示. 示波器的基本功能就是将肉眼无法识别的电子信号转换成可观测的波形图形 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 January February March April May June July August September October November Decemb
2、er 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 2 二、示波器的分类 2.1 常说的示波器一般是指实时数字示波器 模拟示波器 数字示波器 实时示波器 采样示波器 2.2 采样示波器的采样方式:顺序采样 被测信号必须是周期的重复的,这样才能找到每个周期信号的起始和结束 每个单个周期的采样率很低,但重组后的等效采样率很高 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 3 三、示波器的基本原理 3.1 数字示波器工作原理相关的示意图 3.2 从功能层面来认识也许更易于理解 示波器的五大基本功能: Capture And Store The Signal-显示 View The Signal
3、In A Variety Of Display Formats-观察 Measure The Signal Using Cursors And Parameter Readouts-测量 Analyze Signal Using Waveform Math And Signal Processing-分析 Document The Signal Using Waveform Storage And Graphics-归档 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 4 3.3 从功能出发理解示波器基本原理框图 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 5 3.4 示波器工作原理的内核
4、是信号采集的工作原理 输入信号经过探头或电缆引入到示波器,首先经过放大器将信号衰减或放大到模数转换器 （ADC） 可以 接受的电压范围数字示波器 采样保持电路将经过放大器之后的模拟信号转换为等时间间隔的离散的电平 ADC 将离散后的电平转换为一系列的数字的点。 这些数字的点首先被保存在采集存储器里采样示波器 一旦接收到“触发”指令，这些采集存储器的点将被送显示和测量分析。测量和分析的结果送屏幕显 示 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 6 3.5 示波器高保真捕获信号的 6 个基本原则 选择合适的带宽: 带宽并不是越高越好 最小化量化误差:尽量让波形占满栅格,充分利用 ADC 动态
5、范围 时刻警惕采样率：要过采样而不要欠采样 捕获信号的全貌: 保证捕获信号的时间长度包含完整频率成分 用特别获取模式：运用顺序模式,滚动模式,随机采样模式,波形滤波等,要注意它们的优缺点 减少探头的影响: 减少地线环路; 考虑到探头的负载效应 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 7 四、带宽（模拟带宽、系统带宽、数字带宽、触发带宽） 4.1 什么是带宽 带宽就是示波器前端放大器幅频特性曲线的截止频率点 示波器输入标准正弦波信号，不断提高信号频率，输入信号幅度会被不断衰减；频率越高，衰减幅度 越大 当频率提高到某个值，输入信号刚好被衰减 3dB 时所对应的频率点，即为示波器的带宽
6、深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 8 4.2 实际的频率响应曲线 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 9 4.3 带宽不够对测量的影响 上升沿变缓 信号的高频分量减少 示信号的相位失真 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 10 4.4 带宽不够对测量的影响(续) 400MHz 100MHz 10MHz 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 11 4.5 带宽与上升时间 上升时间是示波器放大器的阶跃响应 这个指标反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力。 基于 RC 电路模型的高斯响应推导出: 实际示波器的带宽和上升时间可能是 0.35-0.5 具体取
7、决于频响曲线的形状 实际上是使用远快于示波器理论上的上升时间的快沿信号计量得到的. 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 12 4.6 示波器系统带宽 VS 上升时间 在实际测量过程中，示波器需要配合探头一起使用。这样，示波器+探头构成了一 套测试 系统 结论：示波器和探头的上升时间越小，对测量上升时间的误差影响就越小！ 由于带宽与上升时间成倒数关系，所以有 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 13 4.7 如何选择带宽 任何信号都可以分解成无数次谐波的叠加 理论上来说，带宽覆盖被测信号能量的 99.9%，测量的误差可以小于 3% 有些信号基频较低，却具有快速的上升时间！
8、所以 3-5 倍的说法是不确切的 更高的频率成分，信号更快的上升时间会引入振铃现象，同时意味着的高次谐波分量 所占 能量比重更大 此时，带宽五倍法则还 适用吗？ 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 14 4.8 带宽的选择是相对的 首先取决于您需要测试的信号类型及希望的测量准确度。 最重要的因素是对上升时间和幅值测量的准确度要求。 4.9 对于时钟、快沿等方波信号的带宽选择依据 待测信号 Tr/示波器 Tr待测信号 Tr/示波器 Tr 上升时间测量误差上升时间测量误差 1：1 41.40% 3：1 5.40% 5：1 2.0% 10：1 0.50% 当实际信号的上升时间大于示波器的
9、上升时间的 3 倍时，测量的精确度可达到 5% 基于高斯响应的平方和关系式的推导 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 15 五、捕获的第一原则：选择合适的带宽 5.1 示波器的带宽并不是越高越好 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。 但是，示波器毕竟不是一个理想的仪器，测量系统本身有噪声。这些噪声包括放大器的噪声，ADC 的噪声，有源探头的噪声， 探头地线感应的空间辐射噪声及地环路耦合的传导噪声 从信噪比的角度理解，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。 在测量电源纹波时需要将
10、示波器带宽限制为 20MHz 就是这个道理。 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 16 六、捕获的第二原则：最小化量化误差 6.1 采样过程：数字示波器的本质就是将模拟信号离散为一个一个的采样点 经过放大器的输入信号加到快速电子开关 每个采样周期内开关暂时关闭使保持电容被充电到采样电压值 摸数转换器在下一个周期前将每个采样点的电平转换为一个数字值 INPUT WAVEFORM SAMPLED WAVEFORM FIELD EFFECT TRANSISTOR (FET) SWITCH HOLD CAPACITOR SAMPLING CLOCK 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有
11、限公司 17 6.2 数字化基础 一个 4 位的 ADC 表示了数字化的典型工作原理.每个采样值和不用权重的参考值进行比 较. 比较器的输出解码为带符号的二进制数值 + - + - + - - + - + + - - + V INPUT V REF V REF / 8 V REF / 4 V REF / 2 Voltage Comparators I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 O0 O1 O2 Encoding Logic 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 18 6.3 离散化之后的”点”的本质是由 8 个 0 和 1 组成 N 比特垂直精度的数字化仪将一个模拟
12、电压转换为 N 比特的数字 #Bits resolution 8 255:1 N (2n-1):1 数字化的输出采用带符号的二进制格式 采用带符号的二进制,屏幕顶部产生的代码是 +127, 屏幕中间是 0, 屏幕底部是 -128 二进制代码根据垂直增益和偏置量化后转换为电压值 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 19 6.4 量化误差 连续的模拟信号在转换为数字信号的离散化过程中 ， 由于没有无限数量的离散化的数字电平来重组 连续的模拟信号，实际的模拟电压值与对应的数字化电平值之间总会有偏差，这个偏差值叫量化误 差。 在一定数值范围内的电压用相同的二进制代码来表示，因此，这个量化的
13、不确定性是 1/2LSB LSB 可以理解为数字化的步进。量化误差是指量化结果和被量化模拟量的差值,显然量化级数越多, 量化的相对误差越小.量化级数指的是将最大值均等的级数,每一个均值的大小称为一个量化单位 3 位 ADC 5 位 ADC 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 20 6.5 量化误差 下面的信号的 4 倍衰减产生了 4 倍的量化误差 = 2 bits 的精度误差 8 位的 ADC 能代表的是 256 个量化级别 满栅格显示的信号充分利用了 ADC 信号的显示小于满栅格增加了量化台阶,减小了精度 满栅格 =8-bit 精度 栅格 =7-bit 精度 栅格 =6-bit 精度 不确定栅格=Vfullscale/2n, n=numberofbits 利用可变增益来精确测量信号的某一部分来充分利用好 ADC 的范围 深圳市优测科技有限公司深圳市优测科技有限公司 21 6.6 量化误差对测量的影响
