數(shù)字示波器使用必須注意的問題
發(fā)布日期：2019年5月24日 瀏覽次數(shù)：
前言
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬
帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。
有關(guān)采樣速率
采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標。
1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象
如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：
·調(diào)整掃速；
·采用自動設置（Autoset）；
·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。
2.采樣速率與t/div的關(guān)系
每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div) N為每格采樣點
當采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù)：
表1掃速與采樣速率
t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25
綜上所述，使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。
數(shù)字示波器的上升時間
在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數(shù)字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數(shù)字示波器測量方法的原因，以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間，這時上升時間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點，則同樣的波形，上升時間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數(shù)據(jù)：
表2掃速與上升時間
t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216
由上面這組數(shù)據(jù)可以看出，雖然波形的上升時間是一個定值，而用數(shù)字示波器測量出來的結(jié)果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測出的時間來反推出信號的上升時間。
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬
帶寬是示波器最重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。
有關(guān)采樣速率
采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標。
1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象
如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：
·調(diào)整掃速；
·采用自動設置（Autoset）；
·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。
2.采樣速率與t/div的關(guān)系
每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div) N為每格采樣點
當采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù)：
表1掃速與采樣速率
t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25
綜上所述，使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。
數(shù)字示波器的上升時間
在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數(shù)字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數(shù)字示波器測量方法的原因，以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間，這時上升時間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點，則同樣的波形，上升時間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數(shù)據(jù)：
表2掃速與上升時間
t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216
由上面這組數(shù)據(jù)可以看出，雖然波形的上升時間是一個定值，而用數(shù)字示波器測量出來的結(jié)果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測出的時間來反推出信號的上升時間。
