數(shù)字示波器使用必須注意的問(wèn)題
發(fā)布日期：2015年11月26日 瀏覽次數(shù)：
前言
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬
帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)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(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)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(xiàng)重要指標(biāo)。
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(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào)，示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍a(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(hào)的實(shí)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(duì)于一個(gè)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(guò)慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來(lái)，也說(shuō)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(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭，如一個(gè)500MHz的信號(hào)，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡(jiǎn)單地防止混迭發(fā)生：
·調(diào)整掃速；
·采用自動(dòng)設(shè)置（Autoset）；
·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測(cè)方式，因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值，而峰值檢測(cè)方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測(cè)到較快的信號(hào)變化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因?yàn)檫@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(tái)數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div) N為每格采樣點(diǎn)
當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí)，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(shí)，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(shí)間
在模擬示波器中，上升時(shí)間是示波器的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中，上升時(shí)間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測(cè)量方法的原因，以致于自動(dòng)測(cè)量出的上升時(shí)間不僅與采樣點(diǎn)的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點(diǎn)中間，這時(shí)上升時(shí)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(diǎn)，則同樣的波形，上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時(shí)間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測(cè)量同一波形時(shí)的一組掃速與上升時(shí)間的數(shù)據(jù)：
表2掃速與上升時(shí)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(shí)間是一個(gè)定值，而用數(shù)字示波器測(cè)量出來(lái)的結(jié)果卻因?yàn)閽咚俨煌嗖钌踹h(yuǎn)。模擬示波器的上升時(shí)間與掃速無(wú)關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時(shí)間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點(diǎn)的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時(shí)，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測(cè)出的時(shí)間來(lái)反推出信號(hào)的上升時(shí)間。
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，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(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬
帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)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(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)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(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)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(xiàng)重要指標(biāo)。
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(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào)，示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍a(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(hào)的實(shí)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(duì)于一個(gè)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(guò)慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來(lái)，也說(shuō)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(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭，如一個(gè)500MHz的信號(hào)，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡(jiǎn)單地防止混迭發(fā)生：
·調(diào)整掃速；
·采用自動(dòng)設(shè)置（Autoset）；
·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測(cè)方式，因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值，而峰值檢測(cè)方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測(cè)到較快的信號(hào)變化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因?yàn)檫@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(tái)數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div，采樣速率fs由下式給出：
fs=N/(t/div) N為每格采樣點(diǎn)
當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí)，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(shí)，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(shí)間
在模擬示波器中，上升時(shí)間是示波器的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中，上升時(shí)間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測(cè)量方法的原因，以致于自動(dòng)測(cè)量出的上升時(shí)間不僅與采樣點(diǎn)的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點(diǎn)中間，這時(shí)上升時(shí)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(diǎn)，則同樣的波形，上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時(shí)間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測(cè)量同一波形時(shí)的一組掃速與上升時(shí)間的數(shù)據(jù)：
表2掃速與上升時(shí)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(shí)間是一個(gè)定值，而用數(shù)字示波器測(cè)量出來(lái)的結(jié)果卻因?yàn)閽咚俨煌嗖钌踹h(yuǎn)。模擬示波器的上升時(shí)間與掃速無(wú)關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時(shí)間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點(diǎn)的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時(shí)，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測(cè)出的時(shí)間來(lái)反推出信號(hào)的上升時(shí)間。
