泰克數(shù)字示波器

1、了解數(shù)字示波器，了解泰克 2了解數(shù)字示波器 數(shù)字示波器與模擬示波器的區(qū)別 帶寬、采樣率和存儲長度的正確理解3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)4示波器的典型結(jié)構(gòu)ARTDSODPO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5數(shù)字熒光技術(shù)提高波形捕獲率6放大器的帶寬測量AC波形的儀表通常有某種最大頻率，超過它，測量精度就會下降，這一頻率就是儀表的帶寬，它由儀器的幅頻特性決定。定義：在幅頻特性

2、中，儀表的靈敏度下降3dB，此時的頻率為儀表的帶寬，也就是儀表的標稱帶寬。注：只能測量注：只能測量ACAC電壓的儀表，必須對高頻和低頻帶寬都加考慮。電壓的儀表，必須對高頻和低頻帶寬都加考慮。100%（0dB）71%（-3dB）儀表的帶寬（儀表的帶寬（BW） 只能測量低只能測量低頻交流的儀表在頻交流的儀表在此處也下滑。此處也下滑。幅頻特性曲線幅頻特性曲線7諧波除除絕對絕對的的正弦波正弦波之外，周期波含的一切頻率分量稱諧波。之外，周期波含的一切頻率分量稱諧波。諧波頻率是基波頻的整數(shù)倍。諧波頻率是基波頻的整數(shù)倍。周期波無論其波形如何都有諧波。周期波無論其波形如何都有諧波。周期波的頻率為基波頻率。周期

3、波的頻率為基波頻率。方波方波基波為正弦波基波為正弦波8以方波為例方波是由基波與無數(shù)奇次諧波疊加所構(gòu)成，包含的諧波越多，波形越近似方波。 方波的質(zhì)量根據(jù)包含的諧波次數(shù)，其近似程度有所不同。 每個諧波的幅度必須使波形成為方波所需要的恰當值。 此外，諧波之間的相位關(guān)系也必須正確：諧波以不等量延遲，即使諧波幅度正確，方波也會失真。疊加疊加3次諧波次諧波 疊加疊加5次諧波次諧波基波基波疊加疊加7次諧波次諧波 疊加疊加9次諧波次諧波 方波方波9測量測量20MHz的方波的方波在在20MHz帶寬示波器測帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果試所顯示的結(jié)果在在200MHz帶寬示波器測帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果試所顯示的結(jié)果

4、示波器所顯示的波形示波器所顯示的波形儀器帶寬對測量重復性波形的影響10帶寬對方波的影響帶寬如何在時域影響波形。 信號進入示波器首先是通過放大器，它是一個低通濾波器。 放大器的帶寬很寬（和基波比較），輸出方波不表現(xiàn)失真。 放大器的帶寬變窄，波形中的某些諧波不能通過，輸出的方波發(fā)生畸變，產(chǎn)生誤差。 放大器帶寬很窄，輸出的幾乎完全不像方波，由于缺少主要的諧波分量，波形呈圓弧狀。輸入輸入低通濾波器低通濾波器高帶寬時的輸出高帶寬時的輸出中帶寬時的輸出中帶寬時的輸出低帶寬時的輸出低帶寬時的輸出輸出輸出11正弦波諧波分量方波諧波分量100%70.7%,-3dbBWBW100%70.7%,-3db從波形諧波組

5、成的角度考慮從波形諧波組成的角度考慮注意：示波器帶寬與被測信號頻率一樣時，會對波形幅度和上升時間產(chǎn)生影注意：示波器帶寬與被測信號頻率一樣時，會對波形幅度和上升時間產(chǎn)生影響，帶來測量誤差，為了減少測量誤差只能針對不同的波形提高延伸示波器響，帶來測量誤差，為了減少測量誤差只能針對不同的波形提高延伸示波器帶寬。其目的是使波形的高頻分量引進到示波器。帶寬。其目的是使波形的高頻分量引進到示波器。12波形的諧波與測量精度的關(guān)系 波波 形形 重要諧波數(shù)（基波重要諧波數(shù)（基波10） 正弦波正弦波 無諧波分量無諧波分量 方方 波波 1:9 三角波三角波 1:3脈沖波（占空比脈沖波（占空比50） 1:9脈沖波（占

6、空比脈沖波（占空比25） 1:14脈沖波（占空比脈沖波（占空比10） 1:26注：列出的影響波形的諧波數(shù)是基波的倍數(shù)：注：列出的影響波形的諧波數(shù)是基波的倍數(shù)：139010上升時間測量上升時間測量*上升時間理想的方波和脈沖波的電壓是有突然變化的波形，陡變有理想的方波和脈沖波的電壓是有突然變化的波形，陡變有一定時間這取決于系統(tǒng)帶寬及其他電路參數(shù)。一定時間這取決于系統(tǒng)帶寬及其他電路參數(shù)。波形從一種電壓變至另一種電壓的時間稱為上升時間波形從一種電壓變至另一種電壓的時間稱為上升時間上升時間通常在過渡的上升時間通常在過渡的10至至90處處14探頭也是儀器，它和示波器共同組成測量系統(tǒng)。這一系統(tǒng)帶寬將影響被測

7、信號如正弦波、脈沖和方波的幅度和上升時間的測量精度，如果探頭選擇不當，你將無法預知測量結(jié)果的風險。探頭和示波器上升時間和帶寬的關(guān)系由下式?jīng)Q定：探頭、示波器T上升0.35/BW（適合于1G以下示波器）BW=帶寬（3dB時的頻率）（單位Hz）儀器測量系統(tǒng)上升時間 探頭上升時間2測量儀表上升時間2測量儀表的帶寬將影響脈沖和方波的上升時間，上升時間和帶寬的關(guān)系由下式?jīng)Q定： 測量所得的上升時間 信號上升時間2測量系統(tǒng)上升時間2探頭的上升時間應快于示波器的上升時間（泰克非常精細的匹配示波器的系統(tǒng)帶寬）儀表的上升時間應小于被測量信號波形的上升時間。波形從最小值過渡到最大值越快，所含諧波就越多，波形所含的頻率

8、量也越高。上升延同帶寬的關(guān)系15例：使用100Mhz探頭和100Mhz示波器組成測量系統(tǒng)，測量上升時間為3.5ns的方波信號，系統(tǒng)帶寬為多少？測量誤差是多少？ 系統(tǒng)上升時間 3.5ns23.5ns2 4.95ns， 系統(tǒng)帶寬0.35/4.95ns70Mhz 顯示信號上升時間 3.5ns24.95ns2 6.08ns， 測量誤差(6.08-3.5 ) / 3.573使用100Mhz示波器及不當?shù)?00Mhz探頭，將導致測量系統(tǒng)帶寬性能降低100Mhz以下示波器帶寬是應包含探頭和示波器整個測量系統(tǒng)的問題，泰克公司承諾指定示波器的帶寬（上升時間），是當使用原配探頭時，是探頭尖的示波器帶寬上升時間（上

9、升時間）。示波器測量系統(tǒng)帶寬16例：100Mhz正弦波使用100Mhz的示波器系統(tǒng)進行測量，依據(jù)幅頻特性可得測量顯示的信號與被測信號的誤差為30。例：一個帶寬為100Mhz的方波上升時間為3,5ns的信號，使用100Mhz的示波器系統(tǒng)進行測量，根據(jù)上述公式計算顯示信號與被測信號的誤差為： 100Mhz示波器上升時間0.35/100Mhz3.5ns 儀器顯示的信號上升時間 3.5ns23.5ns2 4.95ns 測量誤差（4.95ns3.5ns）/ 3.5ns0.41441改善和提高測量精度只能提高示波器系統(tǒng)帶寬，如選擇比信號上升時間高5倍的示波器,測量誤差為：500Mhz示波器系統(tǒng)上升時間為0

10、.35 / 500Mhz0.7ns 儀器顯示的信號上升時間 3.5ns20.7ns2 3.569ns 測量誤差（3.569ns3.5ns）/ 3.5ns0.01982（選擇示波器的5倍法則）注意：示波器系統(tǒng)帶寬不足引起上升時間慢和異常幅度衰減示波器系統(tǒng)帶寬（上升時間）對信號影響17波形上升時間與測量精度的關(guān)系1:1 41%2:1 22% 3:1 12%4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%信號上升時間儀表上升時間之比信號上升時間儀表上升時間之比 上升時間測量精度上升時間測量精度18采樣原理及應用19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

11、采樣是等間隔地進行；采樣是等間隔地進行；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20采樣時發(fā)生了什么？采樣時發(fā)生了什么？采樣過程信號信號采樣采樣數(shù)字化數(shù)字化存儲存儲采樣保持采樣保持轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)順序存儲順序存儲屏幕顯示選定屏幕顯示選定部分的內(nèi)存部分的內(nèi)存屏屏幕幕1 0 1 1 1 0 0 11 1 1 1 0 1 0 1.1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 21采樣過程模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號經(jīng)變換后最終恢復成模擬波形顯示在示波器上，通俗地說，采樣實際上是在用點來描繪進入

12、示波器的模擬信號?！八绤^(qū)”指的是儀表不捕獲信號的時間，如：數(shù)字化過程、數(shù)據(jù)處理過程，模擬示波器的回掃過程數(shù)據(jù)存儲到存儲器中，還可以進行預觸發(fā)，后觸發(fā)的觀察與分析。22輸入重復信號輸入重復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，不僅適用捕獲重復信號、而且是捕捉非重復信號和單次信號的有效技術(shù)。以及是捕獲隱藏在重復信號中的毛刺和異常信號前提條件。示波器標定帶寬重復信號帶寬瞬態(tài)（單次）信號帶寬23第一次觸發(fā)采集第二次觸發(fā)采集第三次觸發(fā)采集第

13、四次觸發(fā)采集輸入重復信號輸入重復信號隨機數(shù)字等效采樣技術(shù)：以較低的A/D對信號采集, 將多次觸發(fā)采集到的資料進行重組，實現(xiàn)對重復信號的捕獲和顯示。需要經(jīng)過多次觸發(fā)才能采集到信號的所有資料對信號的要求：信號必須重復并且穩(wěn)定，如信號變化（如幅度）將造成顯示混亂。等效技術(shù)示波器，只適用捕獲重復穩(wěn)定信號，對捕獲非重復信號和單次信號的能力。以及是捕獲隱藏在重復信號中的毛刺和異常信號的能力。將受到實時采樣率的限制。示波器標定帶寬重復信號帶寬 瞬態(tài)（單次）信號帶寬。24示波器采樣率決定：窄脈沖和毛刺信號精確捕獲和復現(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現(xiàn)例：示波器帶寬例：示波器帶寬100

14、Mhz100Mhz 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）25示波器采樣率決定：單次事件信號沿的精確捕獲和復現(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）26示波器采樣率決定：脈沖序列精確復現(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現(xiàn)1Gs/S

15、1Gs/S單次帶寬為單次帶寬為100Mhz100Mhz100100MhzMhz6060MhzMhz8080MhzMhz4040MhzMhz2020MhzMhz200Ms/S200Ms/S單次帶寬為單次帶寬為40Mhz40Mhz100Ms/S100Ms/S單次帶寬為單次帶寬為20Mhz20Mhz27記錄長度與單次帶寬取樣速率應該至少是測得的模擬信號帶寬的5倍一般在一個邊沿上需要 5 - 8個樣點; 例如10 ns轉(zhuǎn)換至少要求 500 MS/s的取樣速率單次采集的記錄時間與記錄長度直接成正比記錄時間記錄時間 (秒秒) = 取樣速率取樣速率 (樣點樣點/秒秒)記錄長度記錄長度 (樣點數(shù)量樣點數(shù)量)2

16、8欠幅脈沖捕捉欠幅脈沖捕捉毛刺捕捉毛刺捕捉 實際工作中，比如：沖擊電流、破壞性試驗的捕捉和測量，對欠幅脈實際工作中，比如：沖擊電流、破壞性試驗的捕捉和測量，對欠幅脈沖、單脈沖、毛刺、電源中斷、電壓擊穿、開關(guān)特性等等瞬態(tài)信號和非重沖、單脈沖、毛刺、電源中斷、電壓擊穿、開關(guān)特性等等瞬態(tài)信號和非重復信號進行捕捉和分析，這些都是每天都要面對的。復信號進行捕捉和分析，這些都是每天都要面對的。 （穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的分析）（穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的分析）單次信號的捕獲應用廣泛29采樣率不足或帶寬不夠?qū)未涡盘柌东@的影響不同的帶寬在捕獲單次信號時會有一定的差別全帶寬模式下的單次全帶寬模式下的單次捕獲捕獲20M帶寬模式下的帶寬模

17、式下的單次捕獲單次捕獲30示波器的帶寬對單次信號捕獲的影響（二）捕獲不同，測量結(jié)果也有很大的差距全帶寬模式下全帶寬模式下的參數(shù)測量結(jié)的參數(shù)測量結(jié)果果20M帶寬模式下的帶寬模式下的參數(shù)測量結(jié)果參數(shù)測量結(jié)果31總結(jié)：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上，最好能在八到十倍。32記錄長度（存儲長度）定義：一個波形記

18、錄是指可被示波器一次性采集的波形點數(shù)。最大的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。記錄長度和觀看波形細節(jié)有關(guān)：33波形的存儲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 / 采樣率觸發(fā)點觸發(fā)點延時時間延時時間記憶長度記憶長度起點起點終點終點34記錄長度的計算記錄時間存儲長度 / 采樣率舉例：TDS3012B，記錄長度10K約為10000點時基與采樣率的關(guān)系35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，為保證波形精確復現(xiàn)建議：正弦內(nèi)插技術(shù)示波器以:采樣率/

19、 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。就是示波器有再長的存儲，存儲的波形也是畸變的失真波形。 當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。36被測信號時間被測信號時間T T被測信號時間被測信號時間T T被測信號時間被測信號時間T T采樣率、單次帶寬與存儲深度對波形限制示波器存儲深度和存儲時間示波器存儲深度和存儲時間 示波器存儲深度和存儲時間