數(shù)字示波器基礎(chǔ)原理

1、數(shù)字存儲(chǔ)示波器基礎(chǔ)知識(shí)培訓(xùn) n 具有觀測(cè)隨時(shí)間變化的電信號(hào)的功能具有觀測(cè)隨時(shí)間變化的電信號(hào)的功能o 電信號(hào)的電信號(hào)的大?。ㄕ穹┐笮。ㄕ穹?、形狀、形狀o 同一電信號(hào)的同一電信號(hào)的2 2點(diǎn)間的時(shí)間差點(diǎn)間的時(shí)間差o 2 2個(gè)電信號(hào)間的時(shí)間差個(gè)電信號(hào)間的時(shí)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可觀察的信號(hào)舉例重復(fù)周期信號(hào)單次/瞬態(tài)信號(hào)重復(fù)周期信號(hào)中的異常波形調(diào)制信號(hào)串行數(shù)字通訊信號(hào)視頻信號(hào)低頻脈沖群數(shù)據(jù)串波形測(cè)量參數(shù)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 單位記號(hào)單位記

2、號(hào) 時(shí)間單位時(shí)間單位 秒秒 電壓?jiǎn)挝浑妷簡(jiǎn)挝?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(hào)記號(hào)：數(shù)字示波器常用單位數(shù)字示波器常用單位前綴一覽前綴一覽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(jià)格便宜價(jià)格便宜 不能存儲(chǔ)波形不能存儲(chǔ)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M(fèi)HzMHz 通道數(shù)一般最多只有通道數(shù)一般最多只有2 2個(gè)通道個(gè)通道 參數(shù)測(cè)量很麻煩參數(shù)測(cè)量很麻煩 不能作復(fù)雜的應(yīng)用不能作復(fù)雜的應(yīng)用模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)：模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)：模擬示波器的缺點(diǎn)：模擬示波器

3、的缺點(diǎn)：l純純“模擬模擬”技術(shù)實(shí)現(xiàn)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)。（）（）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(hào)信號(hào)示波器分類示波器分類數(shù)字存儲(chǔ)示波器數(shù)字存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當(dāng)今示波器的的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當(dāng)今示波器的主流。主流。 帶寬可以達(dá)數(shù)帶寬可以達(dá)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(chǔ)波形可以存儲(chǔ)波形 易于使用易于使用 功能更多

4、、應(yīng)用范圍更廣泛功能更多、應(yīng)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(jià)格相對(duì)較貴價(jià)格相對(duì)較貴數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)：數(shù)字示波器的缺點(diǎn)：數(shù)字示波器的缺點(diǎn)：數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖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(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼化化采樣時(shí)鐘采樣時(shí)鐘VoltageVoltage電壓電壓時(shí)間時(shí)間時(shí)間時(shí)間電壓電壓電壓電壓A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換采樣采樣采樣點(diǎn)采樣點(diǎn)數(shù)字化需要的數(shù)字化需要的保持時(shí)間保持時(shí)間采樣間隔采樣間隔采樣是等間隔地進(jìn)行的。采樣是等間隔地進(jìn)行的。采樣率以采樣率以 “點(diǎn)點(diǎn)/秒秒”來(lái)表示。來(lái)表示。有實(shí)時(shí)采樣、隨機(jī)等效采樣、等效采樣等方式

5、有實(shí)時(shí)采樣、隨機(jī)等效采樣、等效采樣等方式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(shí)時(shí)實(shí)時(shí)(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(shí)時(shí)實(shí)時(shí)采樣捕捉不到的高速信號(hào)，可多次觸采樣捕捉不到的高速信號(hào)，可多次觸發(fā)并將采集到的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序排列并顯發(fā)并將采集到的數(shù)據(jù)按時(shí)間順序排列并顯示。示。重復(fù)信號(hào)是前提。重復(fù)信號(hào)是前提。Trig 1Trig 1Trig 2Trig 2觸發(fā)觸發(fā)點(diǎn)點(diǎn)Trig nTrig n帶寬帶寬 包含在輸入信號(hào)中的高頻成分能夠再現(xiàn)到

6、什么程度包含在輸入信號(hào)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(shí)侯，時(shí)間軸的最小分辨率是多少？數(shù)字化的時(shí)侯，時(shí)間軸的最小分辨率是多少？存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)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(shí)候開始觀測(cè)波形？什么時(shí)候開始觀測(cè)波形？示波器主要指標(biāo)示波器主要指標(biāo)u 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(wú)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)uF(x)=2E/ (sin(t)+1/3sin(

7、3 t)+1/5sin(5 t)+1/7sin(7 t)+)u 對(duì)于非正弦波由最小值過(guò)渡到最大值的時(shí)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(duì)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u 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(dāng)于一個(gè)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(hào)的幅度下降到3dB(70.7)，此時(shí)的頻率點(diǎn)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u 如果要對(duì)波形進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量應(yīng)該讓示波器的帶寬大于波形的主要諧波分量。因此對(duì)于正弦波可以要求示波器

8、的帶寬大于波形的頻率，但是對(duì)應(yīng)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(duì)于帶寬帶來(lái)的波形影響具體表現(xiàn)在以下兩方面：u 由于低帶寬導(dǎo)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(shí)間和幅度的測(cè)量帶來(lái)較大的誤差。帶寬對(duì)波形的影響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(hào)的方波信號(hào)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(duì)信號(hào)測(cè)試的影響實(shí)例帶寬對(duì)信號(hào)測(cè)試的影響實(shí)例u 由于任何非正弦波都可視為無(wú)數(shù)正弦波組成，因此諧波分量

9、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(wú)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）1:26u 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(shí)出現(xiàn)的噪聲，顯示的波形會(huì)顯得更為清晰。請(qǐng)注意，在消除噪聲的同時(shí)，帶寬限制同樣會(huì)減少或消除高頻信號(hào)成分。示波器的帶寬限制功能 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

10、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u(píng) 上升時(shí)間通常定義為信號(hào)從上升跳變沿的10到90的時(shí)間長(zhǎng)度。u 示波器的上升時(shí)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(shí)間90%10%上升時(shí)間u探頭是在一個(gè)測(cè)試點(diǎn)或信號(hào)源和一臺(tái)示波器之間做的物理及電路的連接，探頭對(duì)于被測(cè)回路，必須有最小的影響，同時(shí)對(duì)想要測(cè)量地信號(hào)應(yīng)保證足夠的保真度。 探頭 無(wú)源電壓探頭u無(wú)源探頭由電線和接頭組成，并且，當(dāng)需要補(bǔ)償或衰減時(shí)，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，

11、并且不需供電源給探頭。常用無(wú)源探頭的最大測(cè)量的電壓大約在400500 伏特附近(直流+ 交流峰值)。 探頭分類無(wú)源探頭無(wú)源探頭BNCBNC探頭探頭探頭信號(hào)探頭信號(hào)線測(cè)試鉤線測(cè)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(wú)源電壓探頭無(wú)源電壓探頭探頭補(bǔ)償探頭補(bǔ)償電容調(diào)節(jié)電容調(diào)節(jié)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(shè)備是一只場(chǎng)效應(yīng)晶體管( FET )有源的場(chǎng)效應(yīng)管探頭一般具有從500 兆赫至高達(dá) 4 GHz 的帶寬。需要電源供電。差分探頭u差分信號(hào)是相互作為參考，而不是以地為參考。 探頭分類高壓探頭u 我們可以定義高壓為：任一超過(guò)典型通用的X 10 無(wú)源探頭安全使用的電壓。

12、u 另一方面，高壓探頭能測(cè)量的電壓最大高達(dá) 20，000 伏特。u 如圖：20kV直流電，40KV脈沖，帶寬75兆HZ探頭分類電流探頭u 電流通過(guò)導(dǎo)線引起導(dǎo)線周圍電磁場(chǎng)的形成。電流探頭感應(yīng)這一場(chǎng)的強(qiáng)度， 并且轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)由示波器測(cè)量 探頭分類u 示波器探頭在使用時(shí)，要保證地線夾子可靠地接地(被測(cè)系統(tǒng)的地，非真正的大地)，不然測(cè)量時(shí)，就會(huì)看到一個(gè)很大的50Hz的信號(hào)，這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牡鼐€沒連好，而感應(yīng)到50Hz工頻而產(chǎn)生的。探頭的接地u探頭前端手柄上有一個(gè)量程選擇的小開關(guān)，當(dāng)選擇1擋時(shí)，信號(hào)是沒經(jīng)衰減進(jìn)入示波器的：而選擇10擋時(shí)，信號(hào)是經(jīng)過(guò)衰減110再到示波器的。因此，當(dāng)使用示波器的10擋時(shí)，

13、應(yīng)該將示波器上的讀數(shù)擴(kuò)大10倍才是實(shí)際的讀數(shù)（數(shù)字示波器可通過(guò)設(shè)置探頭衰減比后自動(dòng)換算）。另外，10擋的輸入阻抗比1擋要高得多，所以在測(cè)試驅(qū)動(dòng)能力較弱的信號(hào)波形時(shí)。把探頭打到10擋可更好地測(cè)量。但要注意，在不確信號(hào)電壓高低時(shí)，也應(yīng)當(dāng)先用10擋測(cè)一下，確認(rèn)電壓不是過(guò)高后再選用正確量程擋測(cè)量，養(yǎng)成這樣的習(xí)慣是很有必要的。探頭的增益“X1 X10 X100”X1擋，它的動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍同示波器一樣。如果使用的示波器只能測(cè)量4mV 到40V 范圍內(nèi)的信號(hào)，那么用X1擋最大就只能測(cè)量40V 的信號(hào)。但是，如果你需要測(cè)量一個(gè)超過(guò)40V 的信號(hào)時(shí)該怎么辦？你可以通過(guò)使用一個(gè)衰減探頭，從而擴(kuò)展示波器的動(dòng)態(tài)范圍至更

14、高的高電壓。例如用 X10擋，將擴(kuò)展動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍至40 mV 到400V。它衰減輸入信號(hào)10倍，有效地在增大了示波器的測(cè)量范圍。 動(dòng)態(tài)范圍限制 探頭衰減開關(guān)探頭衰減開關(guān)在實(shí)際測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，在實(shí)際測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，為保證測(cè)量的精確度，為保證測(cè)量的精確度，需將探頭設(shè)置需將探頭設(shè)置X10，原，原因是因是X1時(shí)探頭的帶寬時(shí)探頭的帶寬只有只有6MHz。探頭和示波器共同組成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，當(dāng)探頭帶寬過(guò)低時(shí)（低于示波器的帶寬）將影響到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的帶寬，從而影響信號(hào)的一些測(cè)量參數(shù)的精確度。實(shí)際測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，為保證測(cè)量的精確度，需將探頭設(shè)置X10，原因是X1時(shí)探頭是一個(gè)簡(jiǎn)單的直通探頭，含有大量的分布電容，帶寬

15、小。 而X 10的有補(bǔ)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(duì)波形的影響探頭補(bǔ)償 使用示波器之前要先校準(zhǔn)探頭，使其特性與示波器的通道匹配。一個(gè)補(bǔ)償有欠缺的探頭可能導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。 補(bǔ)償探頭的過(guò)程可作為一種基本測(cè)試，檢驗(yàn)該示波器工作是否正常。 當(dāng)出現(xiàn)過(guò)度補(bǔ)償和補(bǔ)償不足時(shí)，調(diào)節(jié)右圖所示的示波器探頭的補(bǔ)償電容器探頭補(bǔ)償探頭補(bǔ)償電容調(diào)節(jié)電容調(diào)節(jié)YokogawaElectricCorporation38（時(shí)間時(shí)間分辨率分辨率） ）（時(shí)間時(shí)間分辨率分辨率） ）時(shí)間分辨率時(shí)間分辨率：時(shí)間分辨率時(shí)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(jìn)行秒鐘要進(jìn)行1千萬(wàn)次的采樣千

16、萬(wàn)次的采樣。 。時(shí)間分辨率是采樣速度的倒時(shí)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(shí)間分辨率為的時(shí)間分辨率為100ns。 。A/DA/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器：采樣率采樣率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(gè)二進(jìn)制數(shù)次方個(gè)二進(jìn)制數(shù)。 。（ （位數(shù)增加位數(shù)增加、 、與尺子的刻度變細(xì)的道理一樣與尺子的刻度變細(xì)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通道輸入耦合方式通道輸入耦合方

17、式3. 選擇選擇AC耦合方式耦合方式實(shí)實(shí)際際波波形形顯顯示示波波形形3. 選擇選擇DC耦合方式耦合方式實(shí)實(shí)際際波波形形顯顯示示波波形形u 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時(shí)基掃描或采集的時(shí)候，都從輸入信號(hào)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(hào)的捕獲u 觸發(fā)是使重復(fù)信號(hào)穩(wěn)定顯示 u 對(duì)單次信號(hào)進(jìn)行捕獲 u 對(duì)重復(fù)信號(hào)中的異常波形和單次事件中的特殊波形進(jìn)行隔離捕獲 觸發(fā)基本概念u 示波器的觸發(fā)電路主要用于幫助對(duì)對(duì)所要的波形進(jìn)行定位。根據(jù)不同的信號(hào)特征和測(cè)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

18、形進(jìn)入觸發(fā)比較器的正輸入端，在這里與另一個(gè)輸入端上的觸發(fā)電平電壓進(jìn)行比較。觸發(fā)比較器有上升沿輸出和下降沿輸出。當(dāng)您的波形的上升沿穿越觸發(fā)電平時(shí)，上升沿比較器輸出變?yōu)楦撸陆笛剌敵鲎優(yōu)榈?。?dāng)波形的下降沿穿越觸發(fā)電平時(shí)，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u 觸發(fā)電路的作用就是保證每次時(shí)基在屏幕上掃描的時(shí)候，都從輸入信號(hào)上與定義的觸發(fā)點(diǎn)相同的點(diǎn)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(huì)是具有隨機(jī)起點(diǎn)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(diǎn)，示波器提供了許多觸發(fā)方式，可根據(jù)測(cè)量問題加以應(yīng)用。u 作為數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，觸發(fā)實(shí)際上參與了確定波形的存儲(chǔ)起點(diǎn)。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)abcu 自動(dòng)：即使沒有觸發(fā)，自動(dòng)模式也能引起示波器的掃描。如果沒有信號(hào)的輸入，示波器中的定時(shí)器觸發(fā)掃描。有信號(hào)顯示信號(hào)，沒有信號(hào)顯示水平基線。u 正常：當(dāng)輸入信號(hào)不能滿足觸發(fā)條件時(shí)，不掃描，示波器沒有任何顯示。只有當(dāng)輸入信號(hào)滿足設(shè)