示波器原理及其應(yīng)用

1、示波器原理及其應(yīng)用示波器介紹示波器的作用示波器屬于通用的儀器，任一個硬件工程師都應(yīng)該了解示波器的工作原理并能夠熟練使用示波器，掌握示波器是對每個硬件工程師的基本要求。示波器是用來顯示波形的儀器，顯示的是信號電壓隨時間的變化。因此，示波器可以用來測量信號的頻率，周期，信號的上升沿/下降沿，信號的過沖，信號的噪聲，信號間的時序關(guān)系等等。在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)（X）代表時間，縱坐標(biāo)（Y）代表電壓，（注，如果示波器有測量電流的功能，縱坐標(biāo)還代表電流。）還有就是比較少被關(guān)注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度還表示了出現(xiàn)概率（它用16階灰度來表示出現(xiàn)概率）。11 示波器的分類示波器一般分為模

2、擬示波器和數(shù)字示波器；在很多情況下，模擬示波器和數(shù)字示波器都可以用來測試，不過我們一般使用模擬示波器測試那些要求實時顯示并且變化很快的信號，或者很復(fù)雜的信號。而使用數(shù)字示波器來顯示周期性相對來說比較強的信號，另外由于是數(shù)字信號，數(shù)字示波器內(nèi)置的CPU或者專門的數(shù)字信號處理器可以處理分析信號，并可以保存波形等，對分析處理有很大的方便。1.2.1 模擬示波器模擬示波器使用電子槍掃描示波器的屏幕，偏轉(zhuǎn)電壓使電子束從上到下均勻掃描，將波形顯示到屏幕上，它的優(yōu)點在于實時顯示圖像。模擬示波器的原理框圖如下：見上圖所示，被測試信號經(jīng)過垂直系統(tǒng)處理（比如衰減或放大，即我們擰垂直按鈕volts/div），然后送

3、到垂直偏轉(zhuǎn)控制中去。而觸發(fā)系統(tǒng)會根據(jù)觸發(fā)設(shè)置情況，控制產(chǎn)生水平掃描電壓（鋸齒波），送到水平偏轉(zhuǎn)控制中。信號到達觸發(fā)系統(tǒng)，開始或者觸發(fā)“水平掃描”，水平掃描是一個是鋸齒波，使亮點在水平方向掃描。觸發(fā)水平系統(tǒng)產(chǎn)生一個水平時基，使亮點在一個精確的時間內(nèi)從屏幕的左邊掃描到右邊。在快速掃描過程中，將會使亮點的運動看起來象一條平滑的曲線。而信號電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)電壓的電極上，效果也是產(chǎn)生了一個移動的亮點，電壓為正將使點向上移動，電壓為負(fù)則向下移動，水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)電壓配合在一起，就能夠在屏幕上顯示信號的波形。在比較高的速度上，亮點能夠掃描過屏幕達50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不過每秒捕捉40

4、,0000個波形，因此說模擬示波器比數(shù)字示波器的實時性要高，是有貨真價實的。水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)能使信號的波形圖像能夠顯示到屏幕上，不過觸發(fā)系統(tǒng)也是必不可少的，它不僅僅是讓你抓到你需要的波形，還能夠使圖像穩(wěn)定地顯示到屏幕上，它能使重復(fù)的波形能夠在同一個點開始掃描，在屏幕顯示一個干凈和穩(wěn)定的圖像。下圖顯示了沒有觸發(fā)和觸發(fā)的波形：沒有觸發(fā)的波形比較亂和在閃動，不穩(wěn)定，而觸發(fā)的波形則非常的穩(wěn)定和干凈。一般來說，使用一個模擬示波器，我們主要需要調(diào)整三個基本方面，也就是上面說的三個部分：信號的衰減或者放大情況：使用volts/div旋鈕，可以調(diào)整信號在屏幕的范圍里面，垂直大小合適。時基：使用sec/div

5、旋鈕，調(diào)整每格代表的時間間隔，可以使信號在水平方向放大或者縮小。觸發(fā)系統(tǒng)：可以調(diào)整觸發(fā)電平，能夠使波形穩(wěn)定顯示，或者尋找到我們需要的波形。當(dāng)然，調(diào)整亮點的大小和亮底，可以使波形顯示達到最佳的顯示效果。1.2.2 數(shù)字示波器一個數(shù)字示波器對波形進行采樣，并用AD轉(zhuǎn)換器將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，最后將波形重現(xiàn)到屏幕上面。 數(shù)字示波器的原理圖如下：當(dāng)我們將探頭接到線路上面時，垂直系統(tǒng)控制調(diào)整信號的衰減和放大，這個和模擬示波器一樣。接著，在采樣系統(tǒng)中對信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），連續(xù)的模擬信號變成了離散的點。水平系統(tǒng)的時基決定了采樣率的水平。比如我們的TDS5054的最大采樣速率為5GSa/s，說明它

6、最快的情況下能夠在每秒鐘采樣5G個點。經(jīng)過采樣量化的點被存到存儲器里面，并拼成波形圖。在數(shù)字示波器中，存儲波形點的長度，通常稱為存儲長度。由于處理要求非?？?，這些存儲器不是通用的SDRAM，而是專用的高速存儲器，價格比較貴，因此比較便宜的示波器都使用標(biāo)準(zhǔn)配置。觸發(fā)系統(tǒng)決定了保存點的開始和結(jié)束點的位置。存儲器里面的波形最后傳送到顯示系統(tǒng)中進行顯示。為了增強示波器的綜合能力，數(shù)據(jù)處理是必須的。另外預(yù)觸發(fā)能夠讓我們能夠看到觸發(fā)前的波形情況。和模擬示波器一樣，使用數(shù)字示波器來測試，也需要調(diào)整垂直幅度、水平時間間隔和觸發(fā)設(shè)置。1.2.3 采樣方法對于比較慢的信號，示波器能夠采到足夠的采樣點來顯示波形，而

7、對于比較快的信號（這里的快慢是針對示波器的采樣頻率來講的），示波器不能夠采到足夠的采樣點來顯示波形。因此，示波器采樣一般采用兩種方法來對信號采樣，一是實時采樣，二是等效采樣。1實時采樣：一次按照順序來采集采樣點，然后采用計算方法內(nèi)插一些數(shù)據(jù)，內(nèi)插技術(shù)是評估用一些點來組成波形是否和原來的圖像的靠近程度，一般的內(nèi)插技術(shù)（waveform interpolation）有線性和sin(x)/x兩種。如果沒有特別表明的情況下，示波器給出的采樣速率都是實時采樣速率，也就是一次采樣的速率。實時采樣示意圖如上面所示，它在一次采樣中采盡量多的點，而且都是順序采樣的。由于采樣得到的點是離散的點，而我們顯示一般情況

8、下都是顯示波形曲線（當(dāng)然也可以用點顯示模式，但是很少用），這就涉及到一個內(nèi)插的問題，將點還原為曲線，一般有兩種方法：直線連接和曲線模擬，曲線模擬主要使用正弦曲線做擬合，效果分別見下面所示。2等效采樣：每個周期采樣一些點，經(jīng)過多個周期后將這些點拼起來，就是一個完整的圖，不過這要求波形是周期性的，否則誤差會比較大。等效采樣有兩種方式：一種是隨機采樣，另外一種是順序采樣。對于那些快速信號，實時采樣可能一次采不到足夠的點，于是就要采用等效采樣，等效采樣只對那些周期性的信號有意義。等效采樣有兩種，一種是隨機采樣，另外一種是順序采樣，隨機的示意圖如下：由于是周期性的信號，信號在每個周期都是一樣的，隨機采樣

9、就將整個波形分開采樣，隨機采集信號，經(jīng)過數(shù)個周期，就能夠?qū)⒁粋€完整的波形采集完畢，將這些采集點拼起來，就是一個完整的波形了。而順序采樣，就是按照順序來，第一次采1、2、3點，第二次采4、5、6點等，直到將整個波形采集完畢。無論是哪種等效采樣方式，它們的結(jié)果就是提高采樣能力，比如一個實時采樣的速率為1GSa/s的示波器，它使用等效采樣的方式來采樣，每次都用最高的實時采樣速率采集數(shù)據(jù)，花了10次才將一個波形周期采集完畢，那么它的等效采樣速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。對于實時采樣，主要表示了單次波形的采集能力，而等效采樣，主要用于周期性的信號的采樣。比如TDS784的實時采樣速率為4GS

10、a/s，而等效采樣速率則高達250GSa/s。在示波器中，可以選擇使用還是不使用等效采樣的，比如在TDS794D中， ACQUIRE MENU菜單中，有這個選項，見下圖所示，圖中選擇了只用實時采樣。在我們的TDS5054示波器中，實時采樣和等效采樣是自動切換的。Channels on132or4TIME BASE800PS/PTRTRTRT400PS/PTRTETET200PS/PTRTETET100PS/PTETETETRT：real-time samplingET:equivalent-time sampling 示波器上ET顯示的是IT1.2.4 示波器的控制示波器的主要是三個部分，垂直

11、控制、水平控制和觸發(fā)控制，除此外，很多數(shù)字示波器都提供了“軟鍵”（soft key）控制，通過在示波器的屏幕周圍排放一些鍵，對于屏幕里面的菜單，這些鍵在不同的菜單中對應(yīng)不同的項目，因此定義不固定，故稱之為“軟鍵”。因為有了“軟鍵”，很多功能都可以做了進去，比如波形參數(shù)的測試、高級觸發(fā)方式等。下圖是Agilent的54800系列的控制面板示意圖，它主要分為三個區(qū)，水平控制區(qū)、垂直控制區(qū)和觸發(fā)控制區(qū)，此外還有一些其他的設(shè)置，包括保存和輸入輸出的的部件等。水平控制可以調(diào)整時基的大小，也就是間隔的大小，示波器中，只有一個水平控制鈕，調(diào)整它，所有通道的時間間隔都會變。垂直控制區(qū)，在這里是每個通道都有一個

12、，不過有的示波器為了節(jié)省面板面積，有時候所有通道共用一個垂直控制鈕，通過另外的按鍵去選擇通道。有關(guān)這些細(xì)節(jié)，實踐一下馬上有印象了，這里不做更多的描述。最后一個是觸發(fā)，這是示波器比較關(guān)鍵的部分，因為數(shù)字示波器比起模擬示波器，觸發(fā)的多樣性是它的一大特點，有關(guān)觸發(fā)在下一節(jié)詳細(xì)描述。1.2.5 示波器的觸發(fā)示波器的觸發(fā)，相對來說，里面的玄機就多一點。我們最常使用的是邊沿觸發(fā)，比如上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。 一般示波器的主要觸發(fā)有：作為熟練的硬件工程師，除了最常用的邊沿觸發(fā)模式外，還應(yīng)該掌握脈沖觸發(fā)中的毛刺觸發(fā)、矮電平觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)，以及單次觸發(fā)等，另外如果需要測試時序的話，掌握邏輯觸發(fā)也是很有用的

13、。下面以 TDS5054為例，介紹一下脈沖觸發(fā)方式。高級的觸發(fā)設(shè)置在觸發(fā)的菜單中。點擊菜單中TRIG，在下拉菜單中選擇EDGESETUP，進入如下設(shè)置界面。1、毛刺Glith觸發(fā)：選擇了毛刺觸發(fā)后，就可以在右邊選擇毛刺觸發(fā)的類型和寬度，還可以設(shè)置電平等。2、矮電平Runt觸發(fā)2-5-3 矮電平觸發(fā)設(shè)置上下界線設(shè)置示意圖設(shè)置完畢就可以開始進行測試，見上圖。3、脈沖寬度Width觸發(fā) 在選擇了寬度width后，在下邊選項Polarity選擇脈沖極性，然后在脈沖寬度選項Trig When 中選擇觸發(fā)類型（超出設(shè)置值還是小于設(shè)置值）和設(shè)置數(shù)值，見下圖，再設(shè)定電平，設(shè)置完畢就可以開始測試了。圖 2-5-

14、4 上面幾種觸發(fā)，在測試總線和控制信號的異常情況方面，比較有用。 5、單次觸發(fā) 單次觸發(fā)并非一個獨立的觸發(fā)方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以進行多次的觸發(fā)，而單次觸發(fā)只會觸發(fā)一次就停止了，并將信號顯示出來，比如對于上電的電壓上升的情況 、捕獲很少出現(xiàn)的脈沖毛刺等比較有用。1.2.6 示波器的存儲深度雖然存儲深度是示波器的四大指標(biāo)之一（分別為帶寬、采樣速率、通道數(shù)和存儲深度），但是最后一個指標(biāo)，廠家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他們有意淡化這個問題而已。比如TDS794D的存儲深度，標(biāo)準(zhǔn)配置為每通道50k點。存儲深度和采樣速率的關(guān)系是： 存儲深度最快采樣速率最大采樣速率時限

15、500上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50個點，共500個點。最大采樣速率時限是指，示波器在最快的采樣速率情況下，需要多長時間就可以將存儲器存滿。如果超過此時限，就會溢出了，實際上不會溢出，而是采取降低采樣速率的方法。例如上面的TDS794D，在標(biāo)準(zhǔn)配置的情況下，如果用最大的采樣速率（4GSa/s）采樣時，它的最大采樣速率時限為25ns，此時時基為25/102.5ns/div（注：實際上沒有這個檔，比較說明而已），也就是意味著，如果你將時基調(diào)整到2.5ns/div以上時，采樣速率就要降低。大家平時也可能注意到，當(dāng)我們測試數(shù)兆頻率的信號，示波器左上角顯示的采樣速率會遠(yuǎn)遠(yuǎn)比示

16、波器的最高采樣速率要小。存儲深度比較大的好處在于，測試比較低速的信號時，能夠以比較高的采樣速率來取樣，也就是能夠看到更多的細(xì)節(jié)，這就是存儲深度的奧妙所在。 圖2-6-2 顯示了Agilent的54600系列示波器深存儲器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般來說，低端示波器的存儲深度都比較低，比如數(shù)k到數(shù)十k，但是它配備了每通道深達2M的存儲器，它兼顧了示波器長時間捕獲及高速采樣兩個方面，因此能夠看到波形細(xì)節(jié)的可能性大大增大。在圖中，每個周期中疊加了1500脈沖，其中有一個失真，示波器就以高亮度顯示，通過放大該亮點，就可以看出脈沖失真的細(xì)節(jié)來。值得指出的是，存儲深度和采樣速

17、率都有單通道、雙通道、全通道等的差別。比如794D的采樣速率為4GSa/s，其實它是單通道下面的最高采樣速率，如果開了雙通道，就變成了每個2GSa/s，如果開了三個以上通道，就變成每個通道1GSa/s，同理，在存儲深度也有這樣的情況，就是通道存儲深度。但是這個不是絕對的，有很多 例外的情況，如TDS220，廠家標(biāo)的采樣速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同樣部分示波器標(biāo)配的存儲器為50k深度，是所有的通道都是50k，這些細(xì)節(jié)需要查看廠家的手冊才比較明確。還有的694C，也是每個通道采樣速率達10GSa/s，不是所有通道采樣速率的和。1.2.7 示波器的探頭要測試，示波器就少不了探頭，

18、探頭四個主要的指標(biāo)為帶寬、輸入電阻、輸入電容和衰減倍數(shù)。探頭的分類如圖2-7-1所示。我們最常用的探頭是測試電壓波形的有源探頭和無源探頭。圖 2-7-1 通用探頭的分類情況圖2-7-2顯示了探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，通常來說帶寬高的探頭，它的輸入阻抗普遍要低。比如同樣是有源探頭的P6204和P6249，帶寬分別為1GHz和4GHz，它們的輸入輸入阻抗分別為10M歐姆和20k歐姆。需要注意的是，阻抗會隨著輸入信號的頻率而變化，比如隨著頻率的升高而減低，它不是一個恒定的數(shù)值。上圖顯示的是一些比較老的探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，現(xiàn)在已經(jīng)有不少提高了。在低端，主要影響的因素是輸入阻抗，而在高端，主要的影響因素不再是輸入阻抗，而是輸入電容。探頭作為測試信號的連接設(shè)備，其輸入電壓是有限制，因此我們使用探頭時需要特別注意探頭的測試范圍。輸入電壓比較高的探頭，它的帶寬也低，反之，帶寬高的探頭，它的輸入電壓范圍比較小。比如有源探頭P6245的帶寬為1.5GHz，它的輸入電壓范圍僅為40V，而500MHz帶寬的無源探頭P5050的最大輸入電壓為300V。圖 2-7-3 探頭的補償效果探頭特別是有源探頭，都需要校準(zhǔn)的。一般是利用示波器提供標(biāo)