数字示波器基础原理

数字存储示波器基础知识培训n具有观测随时间变化的电信号的功能o电信号的大小（振幅）、形状o同一电信号的2点间的时间差o2个电信号间的时间差l记录功能o画面的打印和保存l保存功能o以各种文件形式保存示波器功能可观察的信号举例重复周期信号单次/瞬态信号重复周期信号中的异常波形调制信号串行数字通讯信号视频信号低频脉冲群数据串波形测量参数■数字示波器经常使用的单位单位名称单位记号时间单位秒ｓ电压单位伏特Ｖ电流单位安培Ａ频率单位赫兹Ｈｚ■前缀倍数：１０１２１０９１０６１０３１０－３１０－６１０－９１０－１２名称：ｔｅｒａｇｉｇａｍｅｇａｋｉｌｏｍｉｌｉmicroｎａｎｏｐｉｃｏ记号：ＴＧＭｋｍμｎｐ数字示波器常用单位前缀一览倍数前缀名称记号意思语源1015ｐｅｔａＰ5希腊1012ｔｅｒａＴ怪物希腊109ｇｉｇａＧ巨人希腊或者拉丁语106ｍｅｇａＭ大量希腊或者拉丁语103ｋｉｌｏｋ1000希腊102ｈｅｃｔｏｈ100希腊10ｄｅｃａｄａ10希腊10-1ｄｅｃｉｄ10拉丁语10-2ｃｅｎｔｉｃ100拉丁语10-3ｍｉｌｉｍ1000拉丁语10-6microμ微小希腊或者拉丁语10-9ｎａｎｏｎ小人希腊或者拉丁语10-12ｐｉｃｏｐ少量西班牙10-15ｆｅｍｔｏｆ15丹麦模拟示波器•快速的波形捕获速度•灰度显示•价格便宜•不能存储波形•很难捕获瞬态现象•带宽窄，只能到几百MHz•通道数一般最多只有2个通道•参数测量很麻烦•不能作复杂的应用•模拟示波器的优点：•模拟示波器的缺点：纯“模拟”技术实现。（ａ）模拟示波器显示器扫描电路触发电路衰减器前置放大器垂直轴放大器水平轴放大器信号示波器分类数字存储示波器u始于80年代初期。采用现代的A/D技术和计算机技术实现的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的主流。•带宽可以达数10GHz•可以捕获瞬态波形•可以存储波形•易于使用•功能更多、应用范围更广泛•波形捕获速度慢•量化噪声•价格相对较贵•数字示波器的优点：•数字示波器的缺点：数字存储示波器原理框图模拟输入数字输出采样保持量化二进制代码化采样时钟Voltage电压时间时间电压电压A/D转换采样采样点数字化需要的保持时间采样间隔采样是等间隔地进行的。采样率以“点/秒”来表示。有实时采样、随机等效采样、等效采样等方式等效采样率数字示波器一般有两种采样方式采样方式实时(real-time)采样等效(repetitive)采样YokogawaElectricCorporation14等效采样实时采样捕捉不到的高速信号，可多次触发并将采集到的数据按时间顺序排列并显示。重复信号是前提。Trig1Trig2触发点Trign■带宽⇒包含在输入信号中的高频成分能够再现到什么程度？■采样率⇒数字化的时侯，时间轴的最小分辨率是多少？■存储容量⇒最多可以记录多少数据？■探头⇒选择最合适的探头■触发(触发模式)⇒什么时候开始观测波形？示波器主要指标u正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。u例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次谐波分量递加而成。u1次（基波）3次5次7次方波(2500次)uF(x)=2E/Π(sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+……)u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。u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。波的组成u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。、幅频特性曲线0dB(100%)-3dB(70.7%)仪器带宽fV示波器带宽u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。u对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面：u①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。u②低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。带宽对波形的影响•不同带宽的示波器观察到的50MHz的方波信号60MHz带宽的示波器100MHz带宽的示波器350MHz带宽的示波器500MHz带宽的示波器带宽对信号测试的影响实例u由于任何非正弦波都可视为无数正弦波组成，因此谐波分量的多少将直接影响波形的形状。为保证波形不失真，考虑按基波幅度的10％以上谐波为影响波形的重要因素选择示波器带宽。波形的主要谐波分量正弦波无谐波分量方波1:9三角波1:3脉冲波（占空比50％）1:9脉冲波（占空比25％）1:14脉冲波（占空比10％）1:26u大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。示波器的带宽限制功能①低通频率上限-3dB②高通④带阻③带通-3dB频率下限-3dB频率下限频率上限-3dB频率下限频率上限…..…..频率上限频率上限频率上限频率下限频率下限频率下限数字滤波幅频特性u上升时间通常定义为信号从上升跳变沿的10％到90％的时间长度。u示波器的上升时间则与其带宽有直接关系u其关系式：T上升＝0.35/示波器带宽（1GHZ以下）带宽与上升时间90%10%上升时间u探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要测量地信号应保证足够的保真度。探头无源电压探头u无源探头由电线和接头组成，并且，当需要补偿或衰减时，还有电阻器与电容器。探头没有有源的部件-晶体管或放大器，并且不需供电源给探头。常用无源探头的最大测量的电压大约在400～500伏特附近(直流+交流峰值)。探头分类无源探头BNC探头探头信号线测试钩探头衰减开关探头地线无源电压探头探头补偿电容调节有源电压探头u有源探头通常包含有源器件，例如晶体管。通常，有源设备是一只场效应晶体管(FET)有源的场效应管探头一般具有从500兆赫至高达4GHz的带宽。需要电源供电。差分探头u差分信号是相互作为参考，而不是以地为参考。探头分类高压探头u我们可以定义高压为：任一超过典型通用的X10无源探头安全使用的电压。u另一方面，高压探头能测量的电压最大高达20，000伏特。u如图：20kV直流电，40KV脉冲，带宽75兆HZ探头分类电流探头u电流通过导线引起导线周围电磁场的形成。电流探头感应这一场的强度，并且转换为电压信号由示波器测量探头分类u示波器探头在使用时，要保证地线夹子可靠地接地(被测系统的地，非真正的大地)，不然测量时，就会看到一个很大的50Hz的信号，这是因为示波器的地线没连好，而感应到50Hz工频而产生的。探头的接地u探头前端手柄上有一个量程选择的小开关，当选择×1挡时，信号是没经衰减进入示波器的：而选择×10挡时，信号是经过衰减1／10再到示波器的。因此，当使用示波器的×10挡时，应该将示波器上的读数扩大10倍才是实际的读数（数字示波器可通过设置探头衰减比后自动换算）。另外，×10挡的输入阻抗比×1挡要高得多，所以在测试驱动能力较弱的信号波形时。把探头打到×10挡可更好地测量。但要注意，在不确信号电压高低时，也应当先用×10挡测一下，确认电压不是过高后再选用正确量程挡测量，养成这样的习惯是很有必要的。探头的增益“X1X10X100”X1挡，它的动态测量范围同示波器一样。如果使用的示波器只能测量4mV到40V范围内的信号，那么用X1挡最大就只能测量40V的信号。但是，如果你需要测量一个超过40V的信号时该怎么办？你可以通过使用一个衰减探头，从而扩展示波器的动态范围至更高的高电压。例如用X10挡，将扩展动态测量范围至40mV到400V。它衰减输入信号10倍，有效地在增大了示波器的测量范围。动态范围限制探头衰减开关在实际测量高频信号时，为保证测量的精确度，需将探头设置X10，原因是X1时探头的带宽只有6MHz。探头和示波器共同组成一个测量系统，当探头带宽过低时（低于示波器的带宽）将影响到整个测量系统的带宽，从而影响信号的一些测量参数的精确度。实际测量高频信号时，为保证测量的精确度，需将探头设置X10，原因是X1时探头是一个简单的直通探头，含有大量的分布电容，带宽小。而X10的有补偿电容，构成阻容分压电路，最终等效的电容就小了，带宽大。探头对波形的影响探头补偿使用示波器之前要先校准探头，使其特性与示波器的通道匹配。一个补偿有欠缺的探头可能导致测量错误。补偿探头的过程可作为一种基本测试，检验该示波器工作是否正常。当出现过度补偿和补偿不足时，调节右图所示的示波器探头的补偿电容器探头补偿电容调节YokogawaElectricCorporation38１０ＭＳ／ｓ（１００ｎｓ时间分辨率）２０ＭＳ／ｓ（５０ｎｓ时间分辨率）时间分辨率：１００ｎｓ时间分辨率：５０ｎｓ10MS/s的采样率、意味着1秒钟要进行1千万次的采样。时间分辨率是采样速度的倒数。采样率10MS/s的时间分辨率为100ns。A/D转换器：采样率YokogawaElectricCorporation39３位Ａ／Ｄ的垂直分辨率（８等份）４位Ａ／Ｄ的垂直分辨率（１６等份）Ｎ位的Ａ/Ｄ转换器可以把模拟量转换成２的Ｎ次方个二进制数。（位数增加、与尺子的刻度变细的道理一样。）A/D转换器：垂直分辨率通道输入耦合方式3.选择AC耦合方式实际波形显示波形3.选择DC耦合方式实际波形显示波形u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u触发是使重复信号稳定显示u对单次信号进行捕获u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触发基本概念u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：u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。触发基本概念触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b/c；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a。触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。示波器的触发}}}321不正常触发正常触发abcu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。u正常：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。u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。u滚动（扫描）：模式是一种可以应用于全连续显示的方式，可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，如化学过程、电池的冲放电周期或温度对系统性能的影响等。数字示波器触发显示方式在实际应用中，采用正常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