示波器有关知识及选型方案
<p>摘自:海洋兴业科技</p><p> 示波器自从问世以来，它一直是最重要、最常用的电子测试仪器之一 。由于电子技术的发展，示波器的能力在不断提升，其性能与价格也五花八门，市场参差不齐。示波器看似简单，但如何选择，也存在许多问题。本文根据多年的经验，结合北京海洋兴业科技有限公司选型指南，从几个方面告知您在选择示波器时应注意的问题：<br/> 一、了解您需要测试的信号<br/> 您要知道用示波器观察什么？您要捕捉并观察的信号其典型性能是什么？您的信号是否有复杂的特性？您的信号是重复信号还是单次信号？您要测量的信号过渡过程的带宽，或者上升时间是多大？您打算用何种信号特性来触发短脉冲、脉冲宽度、窄脉冲等？您打算同时显示多少信号？您对测试信号作何种处理？<br/> 二、选择示波器的核心技术差异：模拟（DRT）、数字（DSO）、还是数模兼合（DPO）<br/> 传统的观点认为模拟示波器具有熟悉的控制面板，价格低廉，因而总觉得模拟示波器 “ 使用方便 ” 。但是随着 A/D 转换器速度逐年提高和价格不断降低，以及数字示波器不断增加的测量能力和实际上不受限制的测量功能，数字示波器已独领风骚。但是数字示波器显示具有三维的缺陷、处理连续性数据慢等缺点，需要具有数模兼合技术的示波器，例 DPO 数字荧光示波器。<br/> 三、确定测试信号带宽<br/> 带宽一般定义为正弦波输入信号幅度衰减到 -3dB 时的频率，即幅度的70.7% 。带宽决定示波器对信号的基本测量能力。如果没有足够的带宽，示波器将无法测量高频信号，幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失；如果没有足够的带宽，得到的信号所有特性，包含响铃和振鸣等都毫无意义。<br/> 一个决定您所需要的示波器带宽有效经验—— “5倍经验准则”：将您要测量的信号最高频率分量乘以5，使测量结果获得高于2%的精度。<br/>在某些应用场合，您不知道你的感兴趣的信号带宽，但是您知道它的最快上升时间，这时频率响应用下面的公式来计算关联带宽和仪器的上升时间： Bw=0.35/信号的最快上升时间。 <br/> 数字示波器带宽有两种类型：重复（或等效时间）带宽和实时（或单次）带宽。重复带宽只适用于重复的信号，显示来自于多次信号采集期间的采样。实时带宽是示波器的单次采样中所能捕捉的最高频率，且当捕捉的事件不是经常出现或瞬变信号时就更为重要，实时带宽与采样速率紧密联系。<br/> 带宽越高越好，但是更高的带宽往往意味着更高的价格，因此应按照预算来选择您要观察的信号频率成分。<br/> 四、A/D转换器的采样速率（或采样速度） <br/> 单位为每秒采样次数（ S/s ），指数字示波器对信号采样的频率。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高，重要信息和事件丢失的概率就越小。<br/>如果需要观测较长时间范围内的慢变信号或低频信号，最小采样速率就发挥了作用，为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制旋钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节旋钮的变化而变化。 <br/> 如何计算采样速率？计算方法取决于所测量的波形类型，以及示波器所采用的信号重建方式，例正弦插入法，矢量插入法等。为了准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯定理规定：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周期连续的信号。由于示波器不可能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，也不是周期的，所以采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。<br/>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，即波形重建。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。 <br/> 有一个比较采样速率和信号带宽时很有用的经验法则：如果您正在观察的示波器有内插（通过筛选以便在取样点间重新生成），则（采样速率 / 信号带宽）的比值至少应为 4∶1 ；无正弦内插时，则应采取 10∶1 的比值。<br/> 五、屏幕刷新率也称为波形更新速度 <br/> 所有的示波器都会闪烁，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，也称屏幕刷新率，表示为波形数每秒（ wfms/s ）。一定要区分波形捕获速率与A/D采样速率的区别。采样速率表示示波器在一个波形或周期内A/D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。 <br/> 一般来讲，模拟示波器由于电路简单，其屏幕刷新率较高，而数字存储示波器（ DSO ）使用串行处理结构每秒钟可以捕获 10 到 5000 个波形。 为了改变数字示波器屏幕刷新率低的问题， 数字荧光示波器采用并行处理结构，可以提供更高的波形捕获速率，有的高达每秒数百万个波形，大大提高了捕获间歇和难以捕捉事件的可能性，并能让您更快地发现信号存在的问题。<br/> 六、选用适当的存储深度，也称记录长度<br/> 存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果您需要不间断的捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的采样速率，可以计算出所要求的存储深度。<br/> 存储深度与采样速率密切相关。您所需要的存储深度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。 <br/> 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。<br/> 在正确位置上捕捉信号的有效触发，通常可以减小示波器实际需要的存储量。<br/> 七、根据需要选择不同的触发功能<br/> 示波器的触发能使信号在正确的位置点同步水平扫描，使信号特性清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单次波形。<br/> 大多数用示波器的用户只采用边沿触发方式，如果拥有其它触发能力在某些应用上是非常有用的，特别是对新设计产品的故障查寻，先进的触发方式可将所关心的事件分离出来，找出您关心的非正常问题，从而最有效地利用采样速率和存储深度。 <br/> 现今有很多示波器，具有先进的触发能力。触发能力主要围绕三个方面：①有关垂直方向的幅度，例瞬态尖峰触发、过脉冲或短脉冲触发等；②有关水平方向的与时间有关的触发，例脉冲宽度、窄脉冲、建立/保持时间等设定时间宽度的触发形式；③扩展和常规触发功能的组合能力，例对视频信号或其它难以捕捉的信号，通过时间和幅度组合设置触发条件进行触发。触发能力的提高，可以大提高测试过程的灵活性，并简化工作，尤其现今的示波器对数据总线的触发能力大大提高，例CAN，I2C等。<br/> 八、通道能力，包括通道数量和通道对地的悬浮能力和通道之间的隔离能力 <br/> 您需要的通道数取决于您的应用，对于通常的经济型故障查寻应用，需要的是双通道示波器，然而要求观察若干个模拟信号的相互关系，将需要一台 4 通道示波器，许多工作于模拟与数字两种信号的系统工程师可以选择混合信号示波器（MSO），它将逻辑分析仪的通道计数及触发能力与示波器的较高分辨率综合到具有时间相关显示的单一仪器中。如果您测量三相电，可控硅等有源器件或线路，两端之间没有绝对的零点，即所谓的浮地信号，这时候从操作安全和精度出发，应选用隔离通道示波器；如果比较多通道的时序和相移，应选用两通道以上示波器，这时通道之间的隔离更显重要。 <br/> 九、对异常现象的捕获<br/> 三个主要因素影响着示波器显示日常测试与调试中所遇到的未知和复杂信号的能力：屏幕刷新速率、波形捕获方式和触发能力。波形捕获模式有：采样模式、峰值检测模式、高分辨率模式、包络模式、平均值模式等。屏幕刷新速率指给您关于示波器对信号和控制的变化反应快慢，使用峰值检测有助于在较慢的信号中捕捉快速信号的峰值。<br/> 十、示波器的性能和指标<br/> 示波器的指标有很多：如垂直灵敏度、扫描速度、垂直精度、时间基准、垂直分辨率等等。示波器的性能取决品牌的质量，关键在于质量、稳定性和校准服务等。<br/> 十一、分析功能有助于您事半功倍<br/> 数字示波器的最大优点是它们能得到的数据进行测量，且按一下按钮即可实现各种分析功能。虽然可利用的功能因厂家和型号而异，但它们一般包括频率、上升时间、脉冲宽度等测量，有些示波器还提供很多分析模块，例FFT、功率分析、高级数学运算等超常功能。 <br/> 十二、相应配套的附件和探头 <br/> 容易忘记的一点是，当装上探头时，它就成为整个测试电路的一部分了，结果探头将造成电阻性、电容性和电感性负载，使示波器呈现出与被测对象不同的测量结果。因此，针对不同应用配有相应的探头，然后选择其中一种，使负载效应最小，使信号得到最精确的复现。由于 SMT 元件的发展，连接更困难，使用不同的附件满足特殊需要。详细见北京海洋兴业科技有限公司专业文章“走向更好的测量，合理地选择探头和附件”。<br/> 十三、示波器的操作性能 <br/> 很显然，如果您不能访问各种功能，或者要花很多时间去学习它们，那么您的示波器将价值不大，适当的培训和中文操作界面会使您突破使用上的障碍。<br/> 十四、示波器的数据管理和通讯能力 <br/> 对测量结果的分析非常重要。将信息和测量结果在高速通信网络中便捷地保存和共享变得日益重要。<br/> 示波器的互联性提供对结果的高级分析能力并简化结果的存档和共享。示波器通过各种接口 （ GPIB 、 RS-232 、 USB 或以太网）和网络通信模式提供一系列的功能和控制方式。 <br/> 十五、示波器功能的扩展性<br/> 为了不断适应需求变化。示波器功能最好可以随机扩展： <br/> ○ 增加通道的内存以分析更长的记录长度 <br/> ○ 增加面对具体应用的测量功能 <br/> ○ 有一整套兼容的探头和模块，加强示波器的能力 <br/> ○ 同通用第三方的 Windows 兼容的分析软件协同工作，例如 OIscope 示波器软件。 <br/> ○ 增加附件，如电池组和机架固定件等。<br/> 总之，示波器的选择是一个看似简单而又是您很难处理的问题，市场上产品很多，并且技术各有差异，有时很难让您下决定。以上说明可能给您一些建议，采用下图的选择过程会对您更有益。根据多年经验，选择示波器有以下“经验法则”：<br/> （一） ART模拟示波器，选择四要素：性价比（价格与产品质量品牌的比较优势）、测试带宽（5倍经验法则）、通道数量（2或4）、供应商能力（售后是否得到保证）。<br/> （二） DSO数字存储示波器，在测试信号带宽、示波器带宽、示波器实时采样率、示波器存储深度之间找到平衡，有以下经验可循：示波器带宽最好是信号带宽的5倍；示波器实时采样速率≥4倍示波器带宽；存储深度≥采样速率×要求最长保存时间。<br/> （三） DPO数模兼合示波器，在基本指标要求上与DSO一致，但需要引入二个能力：屏幕刷新率、波形触发与分析能力。<br/> （四） 特殊功能需求。①你如果需要到现场工作，并且需要电池供电，对仪器的体积要求很严，对仪器的功能除示波器测量外还需要其它测试（例万用表功能），您这时最好选用手持示波表（HSO）。②如果您在隔离或悬浮时，安全不能得到保障，并且需要分析功率、相移时，请选用隔离示波器（DIO），尤其是多通道的DIO。③如果您需要多通道的模拟与数字信号混合测试，您除了选用具有串行总线触发功能的示波器外，您最好选用MSO混合示波器。<br/> <br/></p> <p>新型数字示波器的应用 </p><p> </p><p> 示波器一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展,电路系统的信号时钟速度越来越快,信号上升时间也越来越短,导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。针对这些新的测试挑战,示波器供应商不断推出了性能更好的数字示波器。但要想准确快速地对系统信号进行分析,测量时还有很多新的因素必须考虑。如仪器速度能否跟上被测信号的变化、带宽是否足够、测量方法会不会引入干扰,甚至还有所使用的探头是否合适等等。</p><p> </p><p> 下面是本次论坛中一些有代表性,同时也是工程师比较关注的问题及专家的解答,如果您对本文及观点有其它意见与建议,欢迎和我们联系。</p><p> </p><p> 问题1:每一台示波器都有一个频率范围,例如10M、60M、100M...我手头上使用的示波器标称为60MHz,是不是可以理解为艺最大可以溯到60MHz,可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到,总是什么原因呢?</p><p> </p><p> 答:60MHz带宽示波器,并不意味着它可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义,如果输入峰峰值为lV的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上,那么您在示波器上将可以看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波,选择示波器的参考标准应是信号上升时间,示波器带宽=0.35/信号上升时间×3,此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。</p><p> </p><p> 示波器的探头带宽也很重要,若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低,将会使示波器带宽大大下降。如若使用20MHz带宽的探头,则能实现的最大带宽是20MHz,如果在探头前端使用连接导线,将会进一步降低探头性能,但对4MHz左右方波不应有太大影响,因为速度不是很快。</p><p> </p><p> 另外,还要看一下示波器使用手册,有的60MHz示波器在1:1设置下,其实际带宽将会锐减到6MHz以下,对于4MHz左右的方波,其三次谐波是12MHz,五次谐波是20MHz,如果带宽降到6MHz,对信号幅值衰减很大,即使能看到信号也绝对不是方波,而是幅值被衰减了的正弦波。</p><p> </p><p> 当然,测不出信号的原因可能有很多种,如探头接触不好(该现象很容易排除),建议用BNC电缆连接一函数发生器,检验该示波器本身有没有问题,探头有没有问题,如有问题,可以和厂商直接联系。</p><p> </p><p> 问题2:存些瞬时信号稍纵即逝,如何捕捉并使其重现?</p><p> </p><p> 答:将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式),注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的最大采样速率。</p><p> </p><p> 问题3:在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏,但是要精确测量却非常困难,存什么方法和技巧吗?</p><p> </p><p> 答:在使用示波器时,要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求,如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时,若不能保证示波器的系统带宽,测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量,可使用示波器+USB-GPIB适配器+软件选件来完成,也可以用较为便宜的调制域分析仪。</p><p> </p><p> 问题4:为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的启流信号呢？</p><p> </p><p> 答:如果信号的确存在,但示波器有时能抓到有时抓不到,这就可能和示波器的设置有关系。通常可将示波器触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行,那就可能是仪器出了问题。</p><p> </p><p> 问题5:如何测量电源纹波？</p><p> </p><p> 答:可以先用示波器将整个波形捕获,然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可),同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。</p><p> </p><p> <br/></p> <p>问题6:新型数字示波器怎样用于单片机开发?</p><p> </p><p> 答:I2C总线信号一般工作速率不会超过400kbps,最近也出现了几Mbps的芯片,有的示波器在设置触发条件时,无需顾及不同速率的影响,但对其它总线,如CAN总线,则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率,以便示波器能够正确理解协议并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析,如协议级分析,可使用逻辑分析仪,但相对来说价格比较高。</p><p> </p><p> 问题7:关于模拟和数字示波器此校的问题:1.模拟和数字示波器在观察波形的细部时,哪一个更具存优势呢(例如在过零点和峰值时,观察l%以下寄生波形)？2.数字示波捞一般提供在线显示均方根值,它的精度一般是多少呢?</p><p> </p><p> 答:1.观察1%以下寄生波形,无论是模拟示波器还是数字示波器,观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高,如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%,这并不比数字示波器(通常精度为l~2%)更具优势,而且对细节,数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更精确。</p><p> </p><p> 2.对于示波器的幅值测量精度,很多人用A/D位数来衡量。实际上,随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等,它会有所变化。如果带宽不够,本身带来的幅值测量误差就很大,若带宽够了,采样设置很高,实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册,它可能会给出不同采样率下,示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲,示波器测量幅值,包括均方根值的精度往往不如万用表,同理,测量频率它不如频率计数器。</p><p> </p><p> 问题8:毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)呢?假如有一个l00MHz的示波器,测量的方波信号大约是l0M左右,而且是占空比l:l左右的方波,设想一下，一个10M的方波,它的正向或者负向的脉宽都是50ns,那么在什么样的情况下才能真正用到5ns这个性能呢？</p><p> </p><p> 答:毛刺/脉宽触发一般有以下两种典型的应用场合,一种是同步电路行为,如利用它来同步串行信号,或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时,脉宽触发就是一个选择;另一种是用来发现信号中的异常现象,如因干扰或竞争引起的窄毛刺,由于该异常是偶发显现,所以必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式,但是,峰值检测方法有可能受其最大采样率的限制,所以一般是只能看而不能测)。</p><p> </p><p> 在问题所提的例子当中,如果被测对象的脉冲宽度是50ns,而且该信号没有任何问题,也就是说没有因为干扰、竞争等问题而引起的信号畸变或者变窄,那么用边沿触发就可以同步该信号,而无需使用毛刺触发。根据不同的应用,未必会使用到5ns这个指标,一般用户将脉宽触发设置为1Ons~30ns。</p><p> </p><p> 问题9:选择示波器时,一般考虑最多的是带宽,那么在什么倩况下要对采样速率存</p><p>所考虑呢？</p><p> </p><p> 答:取决于被测对象。在带宽满足的前提下,希望最小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到您需要的信号细节。业界有些关于采样速率经验的公式,但基本上都是针对示波器带宽得出的,实际应用中,最好不用示波器测相同频率的信号。若在选型时,对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上,采样率是带宽的4到5倍,也即实际上是信号的12到15倍;若是其它波形,要保证采样率足以捕获信号细节。</p><p> </p><p> 若您正在使用示波器,可通过以下方法验证采样率是否够用:将波形停下来,放大波形,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够,否则无碍。另外也可用点显示来分析采样率是否够用。</p><p> </p><p> 问题10:如何理解“考核波形采样率够不够时,将波形停下来,放大波彩,若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够,否则无碍。也可用点显示来分折采样率是否够用。”这一段话？</p><p> </p><p> 答:我有幸给用户做过实测,曾亲历这种现象。</p><p> </p><p> 当时被测对象是一种看上去很随机且高速变化的信号,用户将触发电平设在-13V左右。波形采集下来后想放大测量细节时,却发现改变示波器时基(SEC/DIV)设置时,信号幅值突然变小,我当时将示波器改成点显示,发现好像是点数(存储深度)不够,但我比较点显示和矢量显示后,发现若矢量显示有一定可信性,那么就是当前的两个采样间隔(采样率的倒数)中信号有突变,但未能被采集到(采样间隔不够细,即采样率不够高)。我换了一台同样存储深度但采样率较高的示波器,发现问题消失了。</p><p> </p><p> 存储深度也会影响示波器能用到的实际最大采样率。存储深度太浅可能是个问题,因为存储深度可能限制能实际用到的最大采样速率,但实质上是采样率不够,丢失了信号细节。存储深度不够深,可能会导致实际采样率不高,这跟厂商提供的指标关系不大。 <br/></p> <p>[img]http://www.wanlubao.com/pic/g/D6725_14.gif[/img]</p><p>顶顶顶学习了学习了</p><p></p><p></p><p></p><p><br/> <a>\\\|///</a><br/> \\ - - //<br/> ( @ @ )<br/>┏━━━━━━━━oOOo-(_)-oOOo━┓<br/>┃网海茫茫,认识你是我的福份； ┃<br/>┃网语缠绵,那是我们注定的缘份。 ┃<br/>┃ Oooo ┃<br/>┗━━━━━━━━ oooO━-( )━┛<br/> ( ) ) /<br/> \ ( (_/<br/> \_)</p><p><br/>贪婪是最真实的贫穷，满足是最真实的财富。 <br/>[url=http://www.centecno.com/cp.asp?id=15]动脉硬化检测[/url]<br/></p>页:
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