示波器應(yīng)用基本知識

1、.示波器應(yīng)用基本知識.什么是示波器 示波器是形象地顯示信號幅度隨時間變化的波形顯示儀器，是一種綜合的信號特性測試儀，是電子測量儀器的基本種類 示波器的用途： 電壓表，電流表，功率計 頻率計，相位計 脈沖特性，阻尼振蕩 示波器的應(yīng)用： 電子，電力，電工 壓力，振動，聲，光，熱，磁時間時間幅度幅度.波的類型 大多數(shù)波都屬于如下類型： 正弦波 方波和矩形波 三角波和鋸齒波 階躍波和脈沖波 噪聲波 、復(fù)雜波 很多波是上述波形的組合 周期信號和非周期信號 同步信號和異步信號.正弦波是波形的基本波正弦波是波形的基本波非正弦波是由基波加無數(shù)次諧波所構(gòu)成。包含的諧波越多，波形越近似方波。非正弦波是由基波加無數(shù)

2、次諧波所構(gòu)成。包含的諧波越多，波形越近似方波。例：例：100M方波是由方波是由3次、次、5次、次、7次次.合成，合成，3次次諧波頻率為諧波頻率為300M、5次諧波頻率為次諧波頻率為500M.對于非正弦波對于非正弦波波形，波形從最小值過渡到最大值越快，所含諧波就越波形，波形從最小值過渡到最大值越快，所含諧波就越多，波形所含的諧波頻率的分量也越高。多，波形所含的諧波頻率的分量也越高。對于脈沖波占空比越小，波形對于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。諧波頻率分量也越高。.波形的重要諧波 非正弦波是由多次,按不同頻率不同相位和不同幅度的正弦波組成的合成波，諧波是基

3、波的倍數(shù)。 列出的是影響波形變化的諧波次數(shù)，(考慮諧波分量為基波幅度10以上的諧波，是對波形形狀影響較大的因素) 波 形 重要諧波數(shù) 正弦波（ 正弦波基波為：1 ） 1:1 方波 1:9 三角波 1:3 脈沖波（占空比50） 1:9 脈沖波（占空比25） 1:14 脈沖波（占空比10） 1:26 諧波數(shù)為基波的倍數(shù) 在沒有邊沿時間信息，只有信號頻率和波形類別信息，我們希望所觀測到的波形有精度不失真，可以使用倍數(shù)的的方法選擇示波器帶寬。.波形測量參數(shù)50%90%10%VmaxVminVp-pVhiRise Time+Width-WidthVlo100%FallTime幅值幅值正向超調(diào)正向超調(diào)負向

4、超調(diào)負向超調(diào)頻率頻率1/周期周期.示波器的類型 模擬示波器 模擬數(shù)字混合示波器 數(shù)字示波器 數(shù)字熒光示波器 取樣示波器.示波器的典型結(jié)構(gòu)ART模擬示波器DSO數(shù)字示波器DPO數(shù)字熒光示波器放大器放大器水平水平放大器放大器垂直垂直放大器放大器延遲線延遲線觸發(fā)觸發(fā)放大器放大器多路多路分解器分解器采集信號采集信號存儲器存儲器uP顯示顯示存儲器存儲器A/D放大器放大器數(shù)字數(shù)字熒光器熒光器A/D uP模擬實時顯示串行處理并行處理觸發(fā)電路和時基觸發(fā)電路和時基觸發(fā)和時基電路觸發(fā)和時基電路.波形的捕獲 波形捕獲率也就是波形刷新率，已經(jīng)成為考核一臺示波器的重要參數(shù)之一； 對于示波器來說，波形捕獲率高，就能夠組織

5、更大數(shù)據(jù)量的波形質(zhì)量信息，尤其是在動態(tài)復(fù)雜信號和隱藏在正常信號下的異常波形的捕獲方面，有著特別的作用。模擬示波器模擬示波器數(shù)字熒光數(shù)字熒光示波器示波器數(shù)字存儲數(shù)字存儲示波器示波器.示波器的組成 水平系統(tǒng) 垂直系統(tǒng) 掃描系統(tǒng) 觸發(fā)系統(tǒng) 顯示系統(tǒng).示波器的主要指標(biāo) 示波器主要技術(shù)指標(biāo)是保證示波器精確顯示信號波形的前提條件 示波器的帶寬 數(shù)字示波器采樣率 示波器存儲長度 波形捕獲率（先進的DPO） 示波器主要的功能是保證示波器穩(wěn)定、捕獲和顯示波形的必要條件 垂直 水平 示波器的觸發(fā) 與外部設(shè)備的互聯(lián)能力 數(shù)據(jù)的處理技術(shù)與能力 .示波器帶寬 示波器帶寬是由放大器模擬帶寬決定。示波器帶寬是應(yīng)包含探頭和示

6、波器整個測量系統(tǒng)的問題，是包括探頭的系統(tǒng)帶寬。泰克公司承諾指定的示波器帶寬（上升時間），是當(dāng)使用原配探頭時，探頭尖的上升時間（示波器帶寬）。 示波器系統(tǒng)帶寬不足，會引起上升時間慢和異常幅度衰減 為了獲得正確的振幅測量，示波器的帶寬應(yīng)該比被測量的波形的頻率大5倍。為了合理精確地測量波形的上升或下降時間，示波器必須有足夠的上升時間。 儀表上升時間：信號上升時間 信號上升時間讀值測量誤差 之比 1:1 41% 2:1 22% 3:1 12% 4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%.采樣采樣點采樣點數(shù)字化需要的數(shù)字化需要的保持時間保持時間采樣間隔采樣間隔 采樣是等間隔地進行；采樣

7、是等間隔地進行；采樣率以采樣率以 “點點/秒秒”來表示。來表示。實時采樣、隨機等效采樣、順序等效采樣方式實時采樣、隨機等效采樣、順序等效采樣方式.輸入重復(fù)信號輸入重復(fù)信號第一次采集第二次采集第三次采集。數(shù)字實時采樣技術(shù)：實時采樣是最直觀的采樣方式，采樣率超過模擬帶寬45倍或更高。只需一次觸發(fā)已采集到信號所有資料對信號的要求：重復(fù)信號且可允許信號變化實時采樣技術(shù)示波器，不僅適用捕獲重復(fù)信號、而且是捕捉非重復(fù)信號和單次信號的有效技術(shù)。以及是捕獲隱藏在重復(fù)信號中的毛刺和異常信號前提條件。示波器標(biāo)定帶寬重復(fù)信號帶寬瞬態(tài)（單次）信號帶寬.示波器采樣率決定：窄脈沖和毛刺信號精確捕獲和復(fù)現(xiàn)能力只有信號速度在

8、單次帶寬的范圍內(nèi)，對捕獲信號才能精確復(fù)現(xiàn) 示波器帶寬選定后，采樣率決定了單次帶寬。單次寬決定示波器對毛刺和單脈沖信號的捕獲能力和復(fù)現(xiàn)能力，也決定了示波器檢測重復(fù)信號中異常信號和隨機毛刺信號的捕獲能力。例：示波器帶寬例：示波器帶寬100Mhz100Mhz 采樣率采樣率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S, （不考慮帶寬對波形的影響）（不考慮帶寬對波形的影響）.8示波器帶寬選定后，采樣率決定單次帶寬。單次帶寬決定示波器對階躍、單示波器帶寬選定后，采樣率決定單次帶寬。單次帶寬決定示波器對階躍、單次信號中的快沿的捕獲和復(fù)現(xiàn)能力，也決定了示波器對檢測，低

9、重復(fù)率信號次信號中的快沿的捕獲和復(fù)現(xiàn)能力，也決定了示波器對檢測，低重復(fù)率信號的上升和下降沿捕獲能力的上升和下降沿捕獲能力。示波器采樣率決定：單次事件信號沿的精確捕獲和復(fù)現(xiàn)能力只有信號速度在單次帶寬的范圍內(nèi)，對捕獲信號才能精確復(fù)現(xiàn)例：示波器帶寬例：示波器帶寬100Mhz100Mhz 采樣率采樣率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S, （不考慮帶寬對波形的影響）（不考慮帶寬對波形的影響）.示波器采樣率決定：脈沖序列精確復(fù)現(xiàn)能力，只有信號速度在單次帶寬的范圍內(nèi)，對捕獲信號才能精確復(fù)現(xiàn)1Gs/S1Gs/S單次帶寬為單次帶寬為100Mhz100Mhz10

10、0100MhzMhz6060MhzMhz8080MhzMhz4040MhzMhz2020MhzMhz200MMhzs/S200MMhzs/S單次帶寬為單次帶寬為40Mhz40Mhz100MMhzs/S100MMhzs/S單次帶寬為單次帶寬為20Mhz20Mhz.采樣率的選擇 我們在確定示波器的帶寬后，還要選擇足夠的采樣率來與之相配合，這樣才能獲得適合于實際測量中的實時帶寬，從而獲得滿意的顯示和測量結(jié)果。 示波器采樣率不足，將會使信號失去高頻成份，影響對信號的完整性測量。如：使信號上升和下降時間變慢，或造成波形漏失。 如果在實際的測量中，比較重視單次信號的精確信息，我們建議采樣率要在帶寬的五倍以

11、上，最好能在八到十倍。.示波器存儲深度 定義：一個波形記錄是指可被示波器一次性采集的波形點數(shù)最大記錄長度由示波器的存儲容量決定，要增加存儲容量才能增加記錄長度是為捕獲和顯示單次信號過渡過程提供的重要指標(biāo) 示波器的存儲由兩個方面來完成：觸發(fā)信號和延時的設(shè)定確定了示波器存儲的起點；示波器的存儲深度決定了數(shù)據(jù)存儲的終點。 記錄時間記錄長度 / 采樣率由于時基和采樣率是聯(lián)動的，所以時基的速度快慢將同時改變采樣率的高低。當(dāng)采樣率達到指標(biāo)定義最高速率時，加快基速度的調(diào)整，采樣率將不能加快。時基與采樣率的關(guān)系應(yīng)為：存儲深度（點）時間/格10采樣間隔. 1/采樣間隔采樣率觸發(fā)點觸發(fā)點延時時間延時時間記憶長度記

12、憶長度起點起點終點終點.示波器采樣率與存儲長度的關(guān)系 示波器最高采樣率決定示波器單次帶寬的限制，為保證波形精確復(fù)現(xiàn)建議：正弦內(nèi)插技術(shù)示波器以:采樣率/ 5單次帶寬的公式計算單次帶寬，線性內(nèi)插技術(shù)示波器以:采樣率/10單次帶寬公式計算。 采樣率不足將限制示波器單次帶寬。如果示波器在全帶寬范圍內(nèi)，對單次信號實現(xiàn)捕獲和精確復(fù)現(xiàn)。只有采樣率高于示波器帶寬5倍以上（正弦內(nèi)插），才能使示波器的重復(fù)信號帶寬單次信號帶寬。 示波器存儲長度對波形的記錄是以波形精確捕獲為前提。 當(dāng)信號頻率或速度超過單次帶寬的限制（信號不能重組），即使示波器帶寬對信號不產(chǎn)生影響，但由于采樣不足將造成顯示信號的混疊、畸變和漏失。就是

13、示波器有在長的存儲，存儲的波形也是畸變的失真波形。 當(dāng)單次信號中的高頻成份，低于示波器的單次帶寬，才能保證信號的高頻細節(jié)。此時存儲長度越長，波形記錄時間越長。存儲深度短，將丟失波形部分時間的信息。.存儲深度總結(jié) 示波器帶寬、單次帶寬和記錄長度對被測波形顯示的影響： 單次帶寬對單次信號的精確復(fù)現(xiàn)起到限制作用。對單次事件和脈沖串等非重復(fù)信號，以及對重復(fù)信號中的異常信號進行捕獲時，如采樣率不符合捕獲信號速度的要求，將造成復(fù)現(xiàn)的信號會失去高頻成份。顯示的信號與被測信號相比，上升和下降時間變慢，或高頻脈沖信息漏失，影響信號完整性測量。在這種情況下不論示波器的存儲深度有多長，已沒有實際意義。 在保證對單次

14、信號進行精確捕獲前提下，示波器存儲深度越長，波形的存儲時間就越長。 由于示波器存儲深度有限。使用的不是示波器最高采樣率，對單次信號進行捕獲時。提高采樣率可以提高對信號的捕獲精度和分辨率。但降低了存儲信號的時間。 采樣率和存儲深度有限，提高存儲時間只能降低采樣率，但降低采樣率將失去波形的細節(jié)同時失去快沿信號的高頻成份使上升時間變慢。 如單次信號時間較長，要保證信號中高頻信息不丟失（信號漏失和畸變）。需要我們綜合考慮示波器帶寬、采樣率和存儲長度等指標(biāo)，以保證被測信號的精確復(fù)現(xiàn)。 示波器的捕獲率和觸發(fā)功能、可以優(yōu)化示波器的存儲深度和采樣率。.示波器的觸發(fā) 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時基掃描或采集的時

15、候，都從輸入信號上與定義的相同的觸發(fā)條件開始，這樣每一次掃描或采集的波形就同步，可以每次捕獲的波形相重疊，從而顯示穩(wěn)定的波形，或保證單次信號的捕獲、 模擬示波器觸發(fā)和數(shù)字示波器的觸發(fā)是使重復(fù)信號穩(wěn)定顯示 對單次信號進行捕獲 對重復(fù)信號中的異常波形和單次事件中的特殊波形進行隔離捕獲。 觸發(fā)設(shè)置是使用示波器最麻煩的一點 示波器設(shè)置都是依據(jù)信號特征進行的，所以應(yīng)該對被測信號有所了解。 示波器提供了許多觸發(fā)設(shè)置方式，這些觸發(fā)器（功能）可以響應(yīng)輸入信號的不同條件，根據(jù)波形特征加以設(shè)定和正確應(yīng)用。會使檢測簡化，幫助快速發(fā)現(xiàn)問題。如一個脈沖比實際應(yīng)該達到的寬度要窄，若只使用電壓門限的觸發(fā)器是不可能捕獲到這樣

16、的脈沖。 高級觸發(fā)控制使你可以單獨關(guān)注波形中感興趣的細節(jié)，這樣可以使示波器采樣速率和記錄長度得到優(yōu)化。 觸發(fā)器：邊緣（電壓門限）、釋抑、脈沖、邏輯、視頻、B觸發(fā)等、 觸發(fā)模式：自動、正常、單次、滾動模式.數(shù)字示波器時基和觸發(fā)電路功能 數(shù)字示波器的時基和觸發(fā)電路的功能與模擬示波器的有很大不同。它不像模擬示波器的時基電路那樣產(chǎn)生斜波電壓。而時基電路是一個晶體振蕩器。通過測量觸發(fā)信號和取樣時鐘之間的時間差，微處理器便可確定將波形取樣放在顯示器的什么地方。 對選定的觸發(fā)功能和設(shè)定的觸發(fā)條件，進行精確的鑒別，依據(jù)是否符合觸發(fā)條件決定取樣閥門的關(guān)斷。放大器放大器高頻高頻低頻抑制低頻抑制噪聲噪聲DCDC采集

17、信號采集信號存儲器存儲器uP顯示顯示存儲器存儲器A/D時基電路時基電路晶體振蕩器晶體振蕩器AC取樣時鐘取樣時鐘來源來源2通道通道通道通道1 1DC地地來源來源3通道通道EXT外觸發(fā)外觸發(fā)觸發(fā)比較觸發(fā)比較器電路器電路.示波器觀測波形：應(yīng)根據(jù)波形特征進行對示波器設(shè)置 所有波形都具有自己的特征，主要類別 周期信號：連續(xù)不斷的信號 周期相同的簡單重復(fù)信號如：正弦波、方波等信號 在小周期內(nèi)不同但每個小周期可以重疊的周期信號如：調(diào)制、多周期、低重復(fù)率等信號 復(fù)雜周期信號如：視頻信號 非周期信號或稱為單次信號：有起始和結(jié)止時間的信號 高速單次信號如：單脈沖、階躍等信號 單次事件信號如：脈沖序列、高壓放電、震

18、蕩等信號 重復(fù)信號中的異常信號如：重復(fù)信號中的欠幅脈沖、脈沖序列中特征碼等信號 示波器接入電路后并不能看到波形，我們需要根據(jù)已知信號的特征進行對示波器調(diào)整和觸發(fā)條件的設(shè)定，才能捕獲得到穩(wěn)定顯示的波形。 調(diào)整垂直和水平部分，合理的選擇耦合、垂直與時基等，為波形穩(wěn)定或為單次信號的捕獲做好合理顯示的準(zhǔn)備。 根據(jù)的波形特征，選擇觸發(fā)器和設(shè)定觸發(fā)條件才能穩(wěn)定和捕獲你關(guān)心的信號.數(shù)字示波器捕獲模式 示波器捕獲模式是控制如何從采樣點中產(chǎn)生出的波形點。 采集模式：是最簡單的捕獲模式，每一個采樣間隔，示波器存儲一個采樣點的值，并做為波形的一個點。 峰值檢測模式：以最高的采樣速率運行ADC，既便設(shè)置的時基非常慢。

19、采樣模式不能捕獲采樣點之間的快速變化的信號，而峰值檢測模式可以捕獲到。利用該模式可非常有效地觀察到偶爾發(fā)生的窄脈沖。 包絡(luò)模式：要觀察信號的噪聲或者抖動現(xiàn)象時。采用包絡(luò)模式。示波器在連續(xù)采集過程中，對波形記錄中的每個采樣點位置的最小值和最大值都存儲下來，并以此構(gòu)成波形顯示。這種模式可采用可變余輝的調(diào)節(jié)，使采樣點在屏幕上保持一定的時間，直至無限顯示。包絡(luò)捕獲和無限余輝顯示的用途之一，是測量信號最壞的情況。如波形抖動、監(jiān)察毛刺、觀察峰峰值噪聲、顯示包絡(luò)線、檢測信號漂移等。 平均模式：是示波器把連續(xù)的各次波形采集的結(jié)果，通過計算連續(xù)捕獲得到的波形點的平均值，產(chǎn)生最后顯示的波形。采用平均捕獲模式，示波

20、器要用更長的時間才能響應(yīng)信號的變化。平均模式在減少噪聲的同時并沒有損失帶寬，將噪聲刪除，有利于對信號進行精確測量。.數(shù)字示波器觸發(fā)模式 自動：即使沒有觸發(fā)，自動模式也能引起示波器的掃描。如果沒有信號的輸入，示波器中的定時器觸發(fā)掃描。有信號顯示信號，沒有信號顯示水平基線。 正常：當(dāng)輸入信號不能滿足觸發(fā)條件時，不掃描，示波器沒有任何顯示。只有當(dāng)輸入信號滿足設(shè)置的觸發(fā)點條件時，才進行掃描，并將最后捕獲到的信號凍結(jié)顯示在屏幕上。如符合觸發(fā)條件，再次進行捕獲，清除上次信號，保留凍結(jié)此次的波形。 單次：當(dāng)輸入的單次信號滿足觸發(fā)條件時，進行捕獲（掃描），將波形存儲和顯示在屏幕上。此時再有信號輸入示波器不予理

21、會。需要進行再次捕獲必須進行單次設(shè)置。 滾動：模式是一種可以應(yīng)用于全連續(xù)顯示的方式，可以用示波器來代替圖表記錄儀來顯示慢變化的現(xiàn)象，如化學(xué)過程、電池的沖放電周期或溫度對系統(tǒng)性能的影響等。 注：在實際應(yīng)用中，采用正常觸發(fā)模式即使觸發(fā)以很慢的速率發(fā)生，也能觀測感興趣的內(nèi)容。對低重復(fù)的信號捕獲是非常有意義。.Post-TriggerPre-TriggerTrigger預(yù)觸發(fā)和觸發(fā)位置數(shù)字示波器的一個最顯著特點在于它容許用戶觀看觸發(fā)前的事件這是因為數(shù)據(jù)被連續(xù)地存儲到內(nèi)存中，同時觸發(fā)事件在數(shù)據(jù)量足夠后停止采集。只有數(shù)字示波器才有觸發(fā)位置控制，它代表的是波形記錄中的水平位置。變更水平觸發(fā)位置，可以允許你采

22、集觸發(fā)事件以前的信號，稱為預(yù)觸發(fā)。這樣，可以確定觸發(fā)點前面部分和后面部分所包含的可視信號的長度。.毛刺毛刺預(yù)觸發(fā)預(yù)觸發(fā)單次采樣單次采樣捕捉事件前的毛刺捕捉事件前的毛刺預(yù)觸發(fā) 預(yù)觸發(fā)是一個有價值的處理故障的工具，如果故障間歇地發(fā)生，可以利用預(yù)觸發(fā)來解決這樣的問題，記錄故障發(fā)生前的事件，很可能找到原因， 由于電路器件對信號的延時效應(yīng)，其他方面應(yīng)用如 ：開關(guān)特性輸入和輸出瞬態(tài)特性，以輸出信號觸發(fā)來觀看研究輸入的小信號。.觸發(fā)耦合 由于示波器的輸入信號經(jīng)放大器分兩路，一路進入A/D采樣器；一路到觸發(fā)電路，形成觸發(fā)信號。 觸發(fā)耦合是觸發(fā)信號與觸發(fā)電路的耦合方式，就像垂直系統(tǒng)輸入一樣，可為觸發(fā)信號選擇各種

23、耦合方式。這些設(shè)置對消除觸發(fā)噪聲很有用處，噪聲的消除可以避免錯誤的觸發(fā)。耦合方式： 默認時為DC耦合：觸發(fā)信號直接連到觸發(fā)電路 交流耦合：觸發(fā)源通過一個串聯(lián)的電容連到觸發(fā)電路起到隔直作用 HF抑制：使觸發(fā)信號通過低通濾波器以抑制高頻分量，這意味即使一個低頻信號中包含很多高頻噪聲，仍能使其按低頻信號觸發(fā)。 LF抑制：使觸發(fā)源信號通過一個高通濾波器以抑制其低頻成分。這意味即使一個高頻信號中包含很多低頻噪聲，仍能使其按低頻信號觸發(fā)。這對于顯示包含很多電源交流信號時情況是很有用處的。.邊緣觸發(fā)功能：是使重復(fù)信號同步、穩(wěn)定顯示示波器為使重復(fù)波形穩(wěn)定顯示，具有邊緣觸發(fā)最基本的觸發(fā)方式，上升、下降沿和觸發(fā)電平在信號邊緣上構(gòu)成觸發(fā)點，重復(fù)信號會有多個觸發(fā)點。觸發(fā)位置、沿和觸發(fā)電平?jīng)Q定每次掃描的開始時刻。同時觸發(fā)位置還代表波形記錄中觸發(fā)水平位置。邊緣觸發(fā)控制器是使每一次掃描起始都從信號的相同觸發(fā)位置開始，不斷的顯示輸入信號的相同部分，并使每次捕獲的波形相重疊顯示。波形邊緣和觸發(fā)電平的設(shè)置成為重復(fù)信號顯示