數(shù)字示波器基礎原理

1、1數(shù)字存儲示波器基礎知識培訓 2n 具有觀測隨時間變化的電信號的功能具有觀測隨時間變化的電信號的功能o 電信號的電信號的大小（振幅）大?。ㄕ穹⑿螤钚螤頾 同一電信號的同一電信號的2 2點間的時間差點間的時間差o 2 2個電信號間的時間差個電信號間的時間差l 記錄功能記錄功能o 畫面的打印和保存畫面的打印和保存l 保存功能保存功能o 以各種文件形式保存以各種文件形式保存示波器功能示波器功能3可觀察的信號舉例重復周期信號單次/瞬態(tài)信號重復周期信號中的異常波形調(diào)制信號串行數(shù)字通訊信號視頻信號低頻脈沖群數(shù)據(jù)串4波形測量參數(shù)5數(shù)字示波器經(jīng)常使用的單位數(shù)字示波器經(jīng)常使用的單位 單位名稱單位名稱 單位記

2、號單位記號 時間單位時間單位 秒秒 電壓單位電壓單位 伏特伏特 電流單位電流單位 安培安培 頻率單位頻率單位 赫茲赫茲 前綴前綴倍數(shù)倍數(shù)： 名稱名稱： micro 記號記號：數(shù)字示波器常用單位數(shù)字示波器常用單位6前綴一覽前綴一覽7模擬示波器模擬示波器快速的波形捕獲速度快速的波形捕獲速度灰度顯示灰度顯示價格便宜價格便宜 不能存儲波形不能存儲波形 很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象很難捕獲瞬態(tài)現(xiàn)象 帶寬窄，只能到幾百帶寬窄，只能到幾百MHzMHz 通道數(shù)一般最多只有通道數(shù)一般最多只有2 2個通道個通道 參數(shù)測量很麻煩參數(shù)測量很麻煩 不能作復雜的應用不能作復雜的應用模擬示波器的優(yōu)點：模擬示波器的優(yōu)點：模擬示波器的缺點

3、：模擬示波器的缺點：l純純“模擬模擬”技術(shù)實現(xiàn)。技術(shù)實現(xiàn)。8（）（）模擬示波器模擬示波器顯示器顯示器掃描掃描電路電路觸發(fā)觸發(fā)電路電路衰減器衰減器前置放大器前置放大器垂直軸垂直軸 放大器放大器水平軸水平軸放大器放大器信號信號示波器分類示波器分類9數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器u 始于始于8080年代初期。采用現(xiàn)代的年代初期。采用現(xiàn)代的A/DA/D技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當今示波器的的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當今示波器的主流。主流。 帶寬可以達數(shù)帶寬可以達數(shù)10GHz 可以捕獲瞬態(tài)波形可以捕獲瞬態(tài)波形 可以存儲波形可以存儲波形 易于使用易

4、于使用 功能更多、應用范圍更廣泛功能更多、應用范圍更廣泛 波形捕獲速度慢波形捕獲速度慢 量化噪聲量化噪聲 價格相對較貴價格相對較貴數(shù)字示波器的優(yōu)點：數(shù)字示波器的優(yōu)點：數(shù)字示波器的缺點：數(shù)字示波器的缺點：10數(shù)字存儲示波器原理框圖11模擬輸入模擬輸入數(shù)字輸出數(shù)字輸出采樣保持采樣保持量化量化二進制代碼二進制代碼化化采樣時鐘采樣時鐘VoltageVoltage電壓電壓時間時間時間時間電壓電壓電壓電壓A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換12采樣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的。采樣是等間隔地進行的。采樣率以采樣率以 “點點/秒秒”來表示。來表示。有實時采樣、

5、隨機等效采樣、等效采樣等方式有實時采樣、隨機等效采樣、等效采樣等方式13等效采樣率等效采樣率數(shù)字示波器一般有兩種采樣方式數(shù)字示波器一般有兩種采樣方式采樣方式采樣方式實時實時(real-time)采樣采樣等效等效 (repetitive)采樣采樣YokogawaElectricCorporation14等效采樣等效采樣實時采樣捕捉不到的高速信號，可多次觸實時采樣捕捉不到的高速信號，可多次觸發(fā)并將采集到的數(shù)據(jù)按時間順序排列并顯發(fā)并將采集到的數(shù)據(jù)按時間順序排列并顯示。示。重復信號是前提。重復信號是前提。Trig 1Trig 1Trig 2Trig 2觸發(fā)觸發(fā)點點Trig nTrig n15帶寬帶寬

6、包含在輸入信號中的高頻成分能夠再現(xiàn)到什么程度包含在輸入信號中的高頻成分能夠再現(xiàn)到什么程度？采樣率采樣率 數(shù)字化的時侯，時間軸的最小分辨率是多少？數(shù)字化的時侯，時間軸的最小分辨率是多少？存儲容量存儲容量 最多可以記錄多少數(shù)據(jù)？最多可以記錄多少數(shù)據(jù)？探頭探頭 選擇最合適的探頭選擇最合適的探頭觸發(fā)觸發(fā)(觸發(fā)模式觸發(fā)模式) 什么時候開始觀測波形？什么時候開始觀測波形？示波器主要指標示波器主要指標16u 正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。u 例如：方波是由基波以及3，5，7，9次諧波分量遞加而成。u 1次（基波） 3次 5次7次 方波(2500次)u F(x

7、)=2E/ (sin(t)+1/3sin(3 t)+1/5sin(5 t)+1/7sin(7 t)+)u 對于非正弦波由最小值過渡到最大值的時間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。u 對于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。波的組成17u 數(shù)字示波器帶寬也稱為模擬帶寬，指示波器前端輸入放大器的帶寬，相當于一個低通濾波。定義為在幅頻特性曲線中，隨正弦波頻率的增加，信號的幅度下降到3dB(70.7)，此時的頻率點稱為示波器的帶寬。、幅頻特性曲線0dB(100%)-3dB(70.7%)儀器帶寬fV示波器帶寬18u 如果要對波形進行準確測量應該讓示波器的帶寬大

8、于波形的主要諧波分量。因此對于正弦波可以要求示波器的帶寬大于波形的頻率，但是對應非正弦波則要求示波器的帶寬大于波形的最大主要諧波頻率。u 對于帶寬帶來的波形影響具體表現(xiàn)在以下兩方面：u 由于低帶寬導致的主要諧波分量消失，使原本規(guī)則的波形呈圓弧狀接近正弦波。u 低帶寬給波形的上升時間和幅度的測量帶來較大的誤差。帶寬對波形的影響19不同帶寬的示波器觀察到的不同帶寬的示波器觀察到的50MHz的方波信號的方波信號60MHz帶寬的帶寬的示波器示波器100MHz帶寬的帶寬的示波器示波器350MHz帶寬的帶寬的示波器示波器500MHz帶寬的示波器帶寬的示波器帶寬對信號測試的影響實例帶寬對信號測試的影響實例2

9、0u 由于任何非正弦波都可視為無數(shù)正弦波組成，因此諧波分量的多少將直接影響波形的形狀。為保證波形不失真，考慮按基波幅度的10以上諧波為影響波形的重要因素選擇示波器帶寬。波形的主要諧波分量正弦波 無諧波分量方 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）1:2621u 大多數(shù)示波器中存在限制示波器帶寬的電路。限制帶寬后，可以減少顯示波形中不時出現(xiàn)的噪聲，顯示的波形會顯得更為清晰。請注意，在消除噪聲的同時，帶寬限制同樣會減少或消除高頻信號成分。示波器的帶寬限制功能22 低通低通頻率上限頻率上限-3dB 高通高通 帶阻帶阻 帶通帶通-3dB頻率下限頻

10、率下限-3dB頻率下限頻率下限頻率上限頻率上限-3dB頻率下限頻率下限頻率上限頻率上限.頻率上限頻率上限頻率上限頻率上限頻率上限頻率上限頻率下限頻率下限頻率下限頻率下限頻率下限頻率下限數(shù)字濾波幅頻特性23u 上升時間通常定義為信號從上升跳變沿的10到90的時間長度。u 示波器的上升時間則與其帶寬有直接關(guān)系u其關(guān)系式：T上升0.35 / 示波器帶寬（1GHZ以下）帶寬與上升時間90%10%上升時間24u探頭是在一個測試點或信號源和一臺示波器之間做的物理及電路的連接，探頭對于被測回路，必須有最小的影響，同時對想要測量地信號應保證足夠的保真度。 探頭 25無源電壓探頭u無源探頭由電線和接頭組成，并且

11、，當需要補償或衰減時，還有電阻器與電容器。探頭沒有有源的部件-晶體管或放大器，并且不需供電源給探頭。常用無源探頭的最大測量的電壓大約在400500 伏特附近(直流+ 交流峰值)。 探頭分類26無源探頭無源探頭BNCBNC探頭探頭27探頭信號探頭信號線測試鉤線測試鉤探頭衰減開關(guān)探頭衰減開關(guān)探頭地線探頭地線無源電壓探頭無源電壓探頭探頭補償探頭補償電容調(diào)節(jié)電容調(diào)節(jié)28有源電壓探頭u有源探頭通常包含有源器件，例如晶體管。通常，有源設備是一只場效應晶體管( FET )有源的場效應管探頭一般具有從500 兆赫至高達 4 GHz 的帶寬。需要電源供電。差分探頭u差分信號是相互作為參考，而不是以地為參考。 探

12、頭分類29高壓探頭u 我們可以定義高壓為：任一超過典型通用的X 10 無源探頭安全使用的電壓。u 另一方面，高壓探頭能測量的電壓最大高達 20，000 伏特。u 如圖：20kV直流電，40KV脈沖，帶寬75兆HZ探頭分類30電流探頭u 電流通過導線引起導線周圍電磁場的形成。電流探頭感應這一場的強度， 并且轉(zhuǎn)換為電壓信號由示波器測量 探頭分類31u 示波器探頭在使用時，要保證地線夾子可靠地接地(被測系統(tǒng)的地，非真正的大地)，不然測量時，就會看到一個很大的50Hz的信號，這是因為示波器的地線沒連好，而感應到50Hz工頻而產(chǎn)生的。探頭的接地32u探頭前端手柄上有一個量程選擇的小開關(guān)，當選擇1擋時，信

13、號是沒經(jīng)衰減進入示波器的：而選擇10擋時，信號是經(jīng)過衰減110再到示波器的。因此，當使用示波器的10擋時，應該將示波器上的讀數(shù)擴大10倍才是實際的讀數(shù)（數(shù)字示波器可通過設置探頭衰減比后自動換算）。另外，10擋的輸入阻抗比1擋要高得多，所以在測試驅(qū)動能力較弱的信號波形時。把探頭打到10擋可更好地測量。但要注意，在不確信號電壓高低時，也應當先用10擋測一下，確認電壓不是過高后再選用正確量程擋測量，養(yǎng)成這樣的習慣是很有必要的。探頭的增益“X1 X10 X100”33X1擋，它的動態(tài)測量范圍同示波器一樣。如果使用的示波器只能測量4mV 到40V 范圍內(nèi)的信號，那么用X1擋最大就只能測量40V 的信號。

14、但是，如果你需要測量一個超過40V 的信號時該怎么辦？你可以通過使用一個衰減探頭，從而擴展示波器的動態(tài)范圍至更高的高電壓。例如用 X10擋，將擴展動態(tài)測量范圍至40 mV 到400V。它衰減輸入信號10倍，有效地在增大了示波器的測量范圍。 動態(tài)范圍限制 34探頭衰減開關(guān)探頭衰減開關(guān)在實際測量高頻信號時，在實際測量高頻信號時，為保證測量的精確度，為保證測量的精確度，需將探頭設置需將探頭設置X10，原，原因是因是X1時探頭的帶寬時探頭的帶寬只有只有6MHz。35探頭和示波器共同組成一個測量系統(tǒng)，當探頭帶寬過低時（低于示波器的帶寬）將影響到整個測量系統(tǒng)的帶寬，從而影響信號的一些測量參數(shù)的精確度。實際

15、測量高頻信號時，為保證測量的精確度，需將探頭設置X10，原因是X1時探頭是一個簡單的直通探頭，含有大量的分布電容，帶寬小。 而X 10的有補償電容，構(gòu)成阻容分壓電路，最終等效的電容就小了，帶寬大。探頭對波形的影響36探頭補償 使用示波器之前要先校準探頭，使其特性與示波器的通道匹配。一個補償有欠缺的探頭可能導致測量錯誤。 補償探頭的過程可作為一種基本測試，檢驗該示波器工作是否正常。 當出現(xiàn)過度補償和補償不足時，調(diào)節(jié)右圖所示的示波器探頭的補償電容器37探頭補償探頭補償電容調(diào)節(jié)電容調(diào)節(jié)YokogawaElectricCorporation38（時間時間分辨率分辨率） ）（時間時間分辨率分辨率） ）時

16、間分辨率時間分辨率：時間分辨率時間分辨率：10MS/s的采樣率的采樣率、 、意味著意味著1秒鐘要進行秒鐘要進行1千萬次的采樣千萬次的采樣。 。時間分辨率是采樣速度的倒時間分辨率是采樣速度的倒數(shù)數(shù)。 。采樣率采樣率10MS/s的時間分辨率為的時間分辨率為100ns。 。A/DA/D轉(zhuǎn)換器：采樣率轉(zhuǎn)換器：采樣率YokogawaElectricCorporation39 位位的垂直分辨率的垂直分辨率（等份等份） ） 位位的垂直分辨率的垂直分辨率（等份等份） ） 位的位的 / 轉(zhuǎn)換器可以把模擬量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換器可以把模擬量轉(zhuǎn)換成 的的 次方個二進制數(shù)次方個二進制數(shù)。 。（ （位數(shù)增加位數(shù)增加、 、與尺子的

17、刻度變細的道理一樣與尺子的刻度變細的道理一樣。）。）A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器：垂直分辨率垂直分辨率40通道輸入耦合方式通道輸入耦合方式413. 選擇選擇AC耦合方式耦合方式實實際際波波形形顯顯示示波波形形423. 選擇選擇DC耦合方式耦合方式實實際際波波形形顯顯示示波波形形43u 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時基掃描或采集的時候，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u 觸發(fā)是使重復信號穩(wěn)定顯示 u 對單次信號進行捕獲 u 對重復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)基本概念

18、44u 示波器的觸發(fā)電路主要用于幫助對對所要的波形進行定位。根據(jù)不同的信號特征和測量目的，可以選擇不同的觸發(fā)類型。但是，最常用的還是邊沿觸發(fā)：u 波形進入觸發(fā)比較器的正輸入端，在這里與另一個輸入端上的觸發(fā)電平電壓進行比較。觸發(fā)比較器有上升沿輸出和下降沿輸出。當您的波形的上升沿穿越觸發(fā)電平時，上升沿比較器輸出變?yōu)楦撸陆笛剌敵鲎優(yōu)榈?。當波形的下降沿穿越觸發(fā)電平時，上升沿輸出變?yōu)榈?，而下降沿輸出變?yōu)楦?。示波器使用您選擇的輸出作為觸發(fā)輸出。觸發(fā)基本概念45u 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時基在屏幕上掃描的時候，都從輸入信號上與定義的觸發(fā)點相同的點開始，這樣每一次掃描的波形就同步的，從而顯示穩(wěn)定的波形，見圖b/c；沒有觸發(fā)電路在屏幕上看到的將會是具有隨機起點的很多波形雜亂重疊的圖象，見圖a 。u 觸發(fā)是使用示波器最麻煩的一點，示波器提供了許多觸發(fā)方式，可根據(jù)測量問題加以應用。u 作為數(shù)字示波器來說，觸發(fā)實際上參與了確定波形的存儲起點。示波器的觸發(fā)321不正常觸發(fā)不正常觸發(fā)正常觸發(fā)正常觸發(fā)abc46u 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。u 正常：當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。只有當輸