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1、示波器应用基本知识 以TDS3000B产品的基本功能为基础,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,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
2、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
3、: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。,波形测量参数,50%,90%,10%,Vmax,Vmin,Vp-p,Vhi,Rise Time,+Width,-Width,Vlo,100%,FallTime,幅值,正向超调,负向超调,频率1/周期,示波器的类型,模拟示波器 模拟数字混合示波器 数字示波器 数字荧光示波器 取样示波器,示波器的典型结构,ART 模拟示波器,DSO 数字示波器
4、,DPO 数字荧光示波器,放大器,水平 放大器,垂直 放大器,延迟线,触发,放大器,多路 分解器,采集信号 存储器,uP,显示 存储器,A/D,放大器,数字 荧光器,A/D,uP,模拟实时 显示,串行 处理,并行 处理,触发电路和时基,触发和时基电路,波形的捕获,波形捕获率也就是波形刷新率，已经成为考核一台示波器的重要参数之一； 对于示波器来说，波形捕获率高，就能够组织更大数据量的波形质量信息，尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信号下的异常波形的捕获方面，有着特别的作用。,模拟示波器,数字荧光 示波器,数字存储 示波器,各类示波器对波形显示的能力,由于采用的技术和原理不同，在波形的保真、显示能力
5、和捕获能力上，各技术类别的示波器之间存在较大差异。,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,示波器的主要指标,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
6、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,正弦波谐波分量,方波谐波分量,带宽不足将导致波形幅度衰减和波形失真,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。,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0.3
7、5/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 3.5ns23.5ns2 4.95ns，系统带宽0.35/4.95ns70Mhz 显示信号上升时间 3.5ns24.95ns2 6.08ns，测量误差
8、(6.08-3.5 ) / 3.573 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）。,示波器测量系统带宽,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
9、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350/100Mhz3.5ns 仪器显示的信号上升时间 3.5ns23.5ns2 4.95ns 测量误差（4.95ns3.5ns）/ 3.5ns0.41441 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 / 500Mhz0.7ns
10、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（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,示波器系统带宽（上升时间）对信号影响,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
11、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 1:1 41% 2:1 22% 3:1 12% 4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%,采样,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,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45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
12、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,随机数字等效采样技术：以较低的A/D对信号采集, 将多次触发采集到的资料进行重组，实现对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。,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
13、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：（Si
14、nX/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 sin x/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：窄脉冲和毛刺信号精确捕获和复现能力只有信号速度
15、在单次带宽的范围内，对捕获信号才能精确复现,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。,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。,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,
