【安富莱二代示波器教程】第1章 示波器基础知识

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第1章   示波器基础知识

本章的内容整理自网络,主要讲解示波器的基础知识。如果初学的话非常有必要对这部分知识有一个了解。因为示波器是硬件调试必不可少的设备。

1.1 什么是示波器

1.2 示波器的发展史

1.3 示波器的基础概念

1.4 触发系统

1.5 李沙育图形

1.6 窗函数选择

1.7 总结

1.1  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。

自然界运行着各种形式的正弦波,比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音,或者身体运转的自然节律。物理世界里,能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光(波粒二象物质)也有自己的基频,并因为基频的不同呈现出不同的颜色。通过传感器,这些力可以转变为电信号,以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器,科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人能够“观察”随时间变化的事件。

示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变,工程师们需要最好的工具,快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来,面对当今各种测量挑战,示波器自然是满足要求的关键工具。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器,适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源,使之转变为电信号,包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器,它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1所示。

从物理学家到电视维修人员,各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器的用途是没有止境的。

1.2  示波器的发展史

电子设备可以划分为两类:模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续,而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备,而CD 播放器是属于数字设备。同样,示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是,对于一些特定应用,由于两者具备的不同特性,每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分,数字示波器可以分为数字存储示波器(DSO)、数字荧光示波器(DPO)和采样示波器。

1.2.1  模拟示波器

初期主要是模拟示波器(CRT),始创于二十世纪四十年代,最早应用于雷达和电视的开发泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器,这是近代示波器的基础。

在本质上,模拟示波器工作方式是直接测量信号电压,并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管(CRT)。电子束投到荧幕的某处,屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时,信号的电压是电子束发生上下偏转,跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大,显示得也越亮。CRT 限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方,信号呈现出明亮而缓慢移动的点,而很难分辨出波形。在高频处,起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时,显示出来的过于暗淡,难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。当把示波器探头和电路连接到一起后,电压信号通过探头到达示波器的

垂直系统。图解出模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度(对伏特/ 格进行控制)后,衰减器能够减小信号的电压,而放大器可以增加信号电压。随后,信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板,引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动,而负电压引起点向下运动。

1.2.2  数字示波器

中期数字示波器独领风骚 (DSO),始创于二十世纪九十年代,数字示波器提高带宽到1GHz以上,全面性能超越模拟示波器。

模拟示波器和数字示波器的比较:

1.2.3  数字荧光示波器(DPO)

数字荧光示波器(DPO)为示波器系列增加了一种新的类型。DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力,加速重构信号。DSO 使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号;相对而言,DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构,如下图所示(Tek DPO)。DPO采用ASIC硬件构架捕获波形图象,提供高速率的波形采集率,信号的可视化程度很高。它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。随后将对该并行处理体系结构进行阐述。

1.2.4  高灵敏度示波器

带宽很低,1MHz左右,灵敏度很高,可到几十微伏每格,用以测量和显示一般示波器不能观察到的各种微弱的电信号 。

1.2.5  虚拟示波器

利用计算机资源做数据处理和显示,体积小巧。

1.3  示波器基本概念

1.3.1  波的组成

正弦波是波形的基本组成,任何非正弦波都可以视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短,所含的谐波分量也就越多,波形所含谐波的频率也越高。

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。

比如:方波是由基波以及3,5,7,9……次谐波分量递加而成(这个咱们在介绍FFT的时候有讲解)。

1.3.2  波的基本参数

1.3.3  数字示波器串行处理

DSO 第一部分(输入)是垂直放大器。在这一阶段,垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着,在水平系统的模数转换器(ADC)部分,信号实时在离散点采样,采样位置的信号电压转换为数字值,这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率,表示为样值每秒(S/s)。来自ADC的采样点存储在捕获存储区内,叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器,被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号,调整显示运行,管理前面板调节装置,等等。信号通过显存,最后显示到示波器屏幕中。在示波器的能力范围之内,采样点会经过补充处理,显示效果得到增强。可以增加预触发,使在触发点之前也能观察到结果。

目前大多数数字示波器也提供自动参数测量,使测量过程得到简化。DSO 提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力。DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中,工程师常常同时检查四路甚至更多的信号,而DSO则成为标准的合作伙伴。

1.3.4  带宽

数字示波器带宽也称为模拟带宽,指示波器前端输入放大器的带宽,相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中,随正弦波频率的增加,信号的幅度下降到3dB(70.7%),此时的频率点称为示波器的带宽。

在波形的主要谐波分量中提到过,如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率,但是对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。

对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面:

  1. 由于低带宽导致的主要谐波分量消失,使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波。
  2. 低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。

下列图示为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器上的显示效果图。

1.3.5  带宽与最高频率准则

5 倍准则 (The 5 times rule) 。

示波器所需带宽=被测信号的最高频率成分× 5。

测定示波器带宽的方法:在具体操作中准确表征信号幅度,并运用5倍准则。使用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过+/-2%,对今天的操作来说已经足够。然而, 随着信号速率的增加,这个经验准则将不再适用。记住,带宽越高,再现的信号就越准确。

1.3.6  采样率

采样率指示示波器按照一定的时间间隔将模拟信号转换为数据,并且顺序存储的过程。

较高的采样速率提供较高的信号分辨率,可以让读者观察到断续的事件。

采样速率:表示为样点数每秒(S/s),指数字示波器对信号采样的频率,类似于电影摄影机中的帧的概念。示波器的采样速率越快,所显示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息和事件丢失的概率就越小,如果需要观测较长时间范围内的慢变信号,则最小采样速率就变得较为重要。典型地,为了在显示的波形记录中保持固定的波形数,需要调整水平控制按钮,而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化。

如何计算采样速率?计算方法取决于所测量的波形的类型,以及示波器所采用的信号重构方式。为了准确地再现信号并避免混淆,奈奎斯特定理规定,信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而,这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度,而且,从定义上看,低频干扰是不连续的,所以,采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。实际上,信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择:测量正弦信号的正弦插值法,以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。在使用正弦插值法时,为了准确再现信号,示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2.5 倍。使用线性插值法时,示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10 倍。一些采样速率高达20GS/s,带宽高达4GHA的测量系统用5倍于带宽的速率来捕获高速,单脉冲和瞬态事件。

1.3.7  实时采样率

实时采样在一次触发事件期间捕获所有用于重建波形的样本点,它要求采样率至少为被测波形最高频率分量的5倍。

如上图所示,① 表示第一次触发所采样的数据点,并且一次就完成一个采样过程。

1.3.8  等效采样率

等效采样是在多个触发事件上捕捉样本点,要求输入的波形为重复波形。对于每个触发事件示波器会捕捉多个样本点,并把它们与原已捕捉的样本点组合到一起。

如上图所示,①②③ 第1,2,3次触发事件所采样的数据点,1,2,3次触发相互间隔错开。

等效采样对信号的要求: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。

等效采样是用较低的实时采样率实现高采样率的效果的一种采样方式。它的主要特点:

  1. 必须多次触发采样才能构建一个完整波形。
  2. 要求信号必须是重复信号。
  3. 理论上可以实现无限高的采样率。
  4. 波形构建速度稍微要比实时采样慢(Normal触发方式,1Hz方波演示)。

1.3.9  平均采样

平均采样 :指将多次普通采样的波形进行算术平均,多用于信号本身噪声比较大时。

1.3.10       峰值检测

峰值检测:指通过采集采样间隔信号的最大值和最小值,获取信号的包络或可能丢失的窄脉冲。

要求观察整个周期,当使用普通采样方式时,采样率为10K,如前面描述存在波形漏失现象,无法捕获完整信号。使用峰值检测,采样率为1G,获取间隔最大最小值,就可以获取完整的周期信号。

1.3.11       采样率低的影响

采样率低主要的影响是波形失真,波形混淆和波形遗漏。

  1. 1.    波形失真

波形失真是由于某些原因导致示波器采样显示的波形与实际信号存在较大的差异。

  1. 2.    波形混淆

混淆是指当采样率低于实际信号最高频率2倍(耐奎斯特频率)时所出现的一种现象。

如下图,由于采样率低于实际信号的频率,导致结果采集的波形频率低于实际信号频率。这种信号频率与实际信号不同,它却能表示正确的波形形状,往往还具有正确的幅度。

  1. 3.    波形遗漏

波形漏失是指由于采样率低而造成的没有反映全部实际信号的一种现象。

1.3.12       存储深度

存储深度:指在波形存储器中存储波形样本的数量。

波形存储时间=存储深度/采样率

示波器的存储深度将决定能采集信号的时间以及能用到的最大采样速率。

  1. 1.    记录长度

记录长度表示为构成一个完整波形记录的点数,决定了每个通道中所能捕获的数据量。由于示波器仅能存储有限数目的波形采样,波形的持续时间和示波器的采样速率成反比。

现代的示波器允许用户选择记录长度,以便对一些操作中的细节进行优化。分析一个十分稳定的正弦信号,只需要500 点的记录长度;但如果要解析一个复杂的数字数据流,则需要有一百万个点或更多点的记录长度。 最大记录长度由示波器的存储容量决定,要增加存储容量才能增加记录长度,是为捕获和显示单次信号过渡过程提供的重要指标。

示波器的存储由两个方面来完成:触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起点。示波器的存储深度决定了数据存储的终点。记录时间=存储深度 / 采样率

由于时基和采样率是联动的,所以时基的速度快慢将同时改变采样率的高低。当采样率达到指标定义最高速率时,加快基速度的调整,采样率将不能加快。

时基与采样率的关系应为:存储深度(点)¸时间/格´10=采样间隔.   1/采样间隔=采样率

  1. 2.    采样率与存储深度的关系

示波器最高采样率决定示波器单次带宽的限制,为保证波形精确复现建议:正弦内插技术示波器以:采样率/ 5=单次带宽的公式计算单次带宽,线性内插技术示波器以:采样率/10=单次带宽公式计算。

采样率不足将限制示波器单次带宽。如果示波器在全带宽范围内,对单次信号实现捕获和精确复现。只有采样率高于示波器带宽5倍以上(正弦内插),才能使示波器的重复信号带宽=单次信号带宽。示波器存储长度对波形的记录是以波形精确捕获为前提。当信号频率或速度超过单次带宽的限制(信号不能重组),即使示波器带宽对信号不产生影响,但由于采样不足将造成显示信号的混叠、畸变和漏失。就是示波器有在长的存储,存储的波形也是畸变的失真波形。当单次信号中的高频成份,低于示波器的单次带宽,才能保证信号的高频细节。此时存储长度越长,波形记录时间越长。存储深度短,将丢失波形部分时间的信息。

1.3.13       波形刷新率

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。

刷新率是指1秒内示波器捕获波形的次数,刷新率的高低直接影响波形捕获偶然事件发生的概率。

对于示波器来说,波形刷新率高,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。

所有的示波器都会闪烁。也就是说,示波器每秒钟以特定的次数捕获信号,在这些测量点之间将不再进行测量。这就是波形捕获速率,表示为波形数每秒(wfms/s)。采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内,采样输入信号的频率,波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别,且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性,并能极大地增加示波器快速捕获瞬时的异常情况,如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。

数字存储示波器(DSO)使用串行处理机制,每秒钟可以捕获10到5000个波形。一些DSO提供一种特殊的模式,它能迅速把各种捕获信息存储到海量存储器中,暂时提供较高的波形捕获速率,而随后是较长的一段处理时间,这段处理时间内不重新活动,减少了捕获稀少和间歇事件的可能性。

大多数数字荧光示波器(DPO)采用并行处理机制来提供更高的波形捕获速率。一些DPO可以在一秒钟之内获得数百万个波形,大大提高了捕获间歇的和难以捕捉事件的可能性,并能让用户更快地发现信号中存在的问题。而且,DPO的实时捕获和显示三维信号特性(如幅度、时间以及幅度的时间分布特性)的能力使其能够得到更高等级的信号特性。

1000/s 以上的刷新率

100/s – 200/s 的刷新率

1.4  触发系统

1.4.1  基本概念

对于数字示波器,工作时都是在不断地采集波形不论仪器是否稳定触发。

触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候,都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始,这样每一次扫描或采集的波形就同步,可以每次捕获的波形相重叠,从而显示稳定的波形,或保证单次信号的捕获:

  1. 触发是使重复信号稳定显示
  2. 对单次信号进行捕获
  3. 对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形 进行隔离捕获

示波器的触发电路主要用于帮助对对所要的波形进行定位。根据不同的信号特征和测量目的,可以选择不同的触发类型。但是,最常用的还是边沿触发:

波形进入触发比较器的正输入端,在这里与另一个输入端上的触发电平电压进行比较。触发比较器有上升沿输出和下降沿输出。当您的波形的上升沿穿越触发电平时,上升沿比较器输出变为高,而下降沿输出变为低。当波形的下降沿穿越触发电平时,上升沿输出变为低,而下降沿输出变为高。示波器使用您选择的输出作为触发输出。

1.4.2  触发位置

数字示波器的一个最显著特点在于它容许用户观看触发位置之前的事件,其称之为预触发。这是因为数据被连续地存储到内存中,直到触发事件发生,并且采样数据达到存储深度一次触发结束为止。

触发点之后的数据称之为延迟触发。同时可以变更触发位置,以改变延迟触发和预触发的数据长度。

1.4.3  触发模式

触发模式主要有自动触发,普通触发和单次触发。

自动:即使没有触发,自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号的输入,示波器中的定时器触发扫描。有信号显示信号,没有信号显示水平基线。

普通:当输入信号不能满足触发条件时,不扫描,示波器没有任何显示。只有当输入信号满足设置的触发点条件时,才进行扫描,并将最后捕获到的信号冻结显示在屏幕上。如符合触发条件,再次进行捕获,清除上次信号,保留冻结此次的波形。

单次:当输入的单次信号满足触发条件时,进行捕获(扫描),将波形存储和显示在屏幕上。此时再有信号输入示波器不予理会。需要进行再次捕获必须进行单次设置。

注:在实际应用中,采用普通触发模式即使触发以很慢的速率发生,也能观测感兴趣的内容。对低重复的信号捕获是非常有意义 。

1.4.4  触发耦合

由于示波器的输入信号经放大器分两路,一路进入A/D采样器;一路到触发电路,形成触发信号。

触发耦合是触发信号与触发电路的耦合方式,就像垂直系统输入一样,可为触发信号选择各种耦合方式。正确的选择触发耦合可使示波器稳定触发。耦合方式:

DC耦合:触发信号直接连到触发电路

交流耦合:触发源通过一个串联的电容连到触发电路起到隔直作用

HF抑制:使触发信号通过低通滤波器以抑制高频分量,这意味即使一个低频信号中包含很多高频噪声,仍能使其按低频信号触发。

LF抑制:使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分。这意味即使一个高频信号中包含很多低频噪声,仍能使其按低频信号触发。这对于显示包含很多电源交流信号时情况是很有用处的。

1.4.5  脉宽触发

脉宽触发是让示波器通过寻找波形中比其它脉冲宽、窄或相等的脉冲来确认脉冲宽度触发。

如上图,由于信号在波形的沿上都具有触发点,如果采用正常的边沿触发方式将无法准确捕捉到关心的异常脉宽的信号。

采用脉宽触发功能,监视脉冲宽度,通过与设置脉宽进行比较(>、<、=),达到捕捉异常脉冲的功能。

1.4.6  触发释抑

一组序列脉冲在采用正常的边沿触发方式下,由于每次触发时,触发点位于不同脉冲的上升沿上,因此波形显示混乱。

触发释抑通过控制释抑时间——触发电路重新启动的时间,可使复杂的波形稳定显示。如下图,使用触发释抑让触发点总是位于脉冲序列的某个同一脉冲上。

1.5  李沙育图形

李莎育图形是以通道1来表示x轴,通道2来表示y,可通过李莎育图形来定性观察两通道之间的相位差。下表列出图形与相位的关系:

测量相位差的另一种方法:通过自动测量两通的延迟÷波形频率×2pi。

1.6  窗函数选择

在使用FFT观察频域的时候,绝大多数测量都要求使用窗函数,如 Hanning 或 Rectangular窗函数。 它们都适合典型的频率分析测量。选择这两种窗函数要在频率分辨率和幅度准确度间进行权衡。 

1.7  总结

本章节主要讲解了示波器的基础知识,初学的话一定要把这部分基础的知识点掌握,因为示波器是我们硬件调试必不可少的设备。

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