示波器基本理论培训教程

示波器基本理论培训教程分销事业部陈鑫磊13816606936目录波和波形什么是示波器示波器的各个组成部分示波器的类型和区别数字示波器的工作原理示波器的主要指标及其选择指南数字示波器技术的发展什么是波随时间变化的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都是波波形能够揭示信号的许多特性当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变化。平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更波的类型大多数波都属于如下类型：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波噪声波复杂波还有很多波是上述波形的组合目录波和波形什么是示波器示波器的各个组成部分示波器的类型和区别数字示波器的工作原理示波器的主要指标及其选择指南数字示波器技术的发展示波器-电子工程师的眼睛示波器的首要条件准确地显示波形保证信号完整性测量什么是示波器示波器是形象地显示信号随时间变化波形地仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。示波器的用途：电压表，电流表，功率计频率计，相位计脉冲特性，阻尼振荡示波器的应用：电子，电力，电工压力，振动，声，光，热，磁以示波器为基础的仪器：逻辑分析仪，时域反射仪，晶体管特性测试仪，心电图。。。。示波器的主要指标示波器的带宽数字示波器的采样率示波器的触发和信号存储先进的DPO技术选择示波器的带宽带宽测量AC波形的仪表通常有某种最大频率，超过它，测量精度就会下降，这一频率就是仪表的带宽，它由仪器的幅频特性决定。定义：在幅频特性中，仪表的灵敏度下降3dB，此时的频率为仪表的带宽。注：只能测量AC电压的仪表，必须对高频和低频带宽都加考虑。100%（0dB）71%（-3dB）仪表的带宽（BW）只能测量低频交流的仪表在处也下滑。幅频特性曲线带宽是选择示波器的第一参数示波器的结构决定了带宽的重要性：放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽；放大器是信号进入示波器的大门，它的带宽决定了示波器的带宽，示波器能请进什么样的信号由这个大门来决定。数字示波器的带宽也是模拟带宽。示波器的典型结构－带宽由垂直放大器决定ARTDSODPO放大器水平放大器垂直放大器延迟线触发放大器多路分解器采集信号存储器uP显示存储器A/D放大器数字荧光器A/DuP模拟实时显示串行处理并行处理选择示波器的带宽依据以谐波情况为核心选择示波器；以上升沿情况选择示波器；谐波除绝对的正弦波之外，周期波含的一切频率分量称谐波。谐波频率是基波频的整数倍。周期波无论其波形如何都有谐波。周期波给定的频率为基波频率。方波基波为正弦波以方波为例方波是由基波与无数奇次谐波叠加所构成，包含的谐波越多，波形越近似方波。方波的质量根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同。每个谐波的幅度必须使波形成为方波所需要的恰当值。此外，谐波之间的相位关系也必须正确：谐波以不等量延迟，即使谐波幅度正确，方波也会失真。叠加3次谐波叠加5次谐波基波叠加7次谐波叠加9次谐波方波由方波为例得知正弦波只有一个基波，仪表的带宽必须至少是波形的频率但是，在大多数情况下，这仅仅是最基本的，如果只是这样，是不够精确的，甚至是错误的。要对波形进行准确的测量，对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。假如组成波形的主要谐波分量超出仪表的带宽，那么我们就不能精确地测得波形的参数。测量20MHz的方波在20MHz带宽示波器测试所显示的结果在200MHz带宽示波器测试所显示的结果示波器所显示的波形仪器带宽对测量波形影响带宽对方波的影响带宽如何在时域影响波形。信号进入示波器首先是通过放大器，它是一个低通滤波器。放大器的带宽很宽（和基波比较），输出方波不表现失真。放大器的带宽变窄，波形中的某些谐波不能通过，输出的方波发生畸变，产生误差。放大器带宽很窄，输出的几乎完全不像方波，由于缺少主要的谐波分量，波形呈圆弧状。低通滤波器高带宽时的输出中带宽时的输出低带宽时的输出输入输出波形的谐波与测量精度的关系波形重要谐波数（基波10％）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％）1:26注：列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：90％10％上升时间测量*上升时间理想的方波和脉冲波的电压是有突然变化的波形，陡变有一定时间这取决于系统带宽及其他电路参数。波形从一种电压变至另一种电压的时间称为上升时间上升时间通常在过渡的10％至90％处探头也是仪器，它和示波器共同组成测量系统。这一系统带宽将影响被测信号如正弦波、脉冲和方波的幅度和上升时间的测量精度，如果探头选择不当，你将无法预知测量结果的风险。探头和示波器上升时间和带宽的关系由下式决定：探头、示波器T上升＝0.35/BW（适合于1G以下示波器）BW=带宽（－3dB时的频率）（单位Hz）仪器测量系统上升时间＝探头上升时间2＋测量仪表上升时间2测量仪表的带宽将影响脉冲和方波的上升时间，上升时间和带宽的关系由下式决定：测量所得的上升时间＝信号上升时间2＋测量系统上升时间2探头的上升时间应快于示波器的上升时间（泰克非常精细的匹配示波器的系统带宽）仪表的上升时间应小于被测量信号波形的上升时间。波形从最小值过渡到最大值越快，所含谐波就越多，波形所含的频率量也越高。上升延同带宽的关系例：使用100Mhz探头和100Mhz示波器组成测量系统，测量上升时间为3.5ns的方波信号，系统带宽为多少？测量误差是多少？系统上升时间＝3.5ns2＋3.5ns2＝4.95ns，系统带宽＝0.35/4.95ns＝70Mhz显示信号上升时间＝3.5ns2＋4.95ns2＝6.08ns，测量误差＝(6.08-3.5)/3.5＝73％使用100Mhz示波器及不当的100Mhz探头，将导致测量系统带宽性能降低100Mhz以下示波器带宽是应包含探头和示波器整个测量系统的问题，泰克公司承诺指定示波器的带宽（上升时间），是当使用原配探头时，系统上升时间是探头尖的示波器带宽上升时间（上升时间）。示波器测量系统带宽例：100Mhz正弦波使用100Mhz的示波器系统进行测量，依据幅频特性可得测量显示的信号与被测信号的误差为30％。例：一个带宽为100Mhz的方波上升时间为3,5ns的信号，使用100Mhz的示波器系统进行测量，根据上述公式计算显示信号与被测信号的误差为：100Mhz示波器上升时间＝0.35/100Mhz＝3.5ns仪器显示的信号上升时间＝3.5ns2＋3.5ns2＝4.95ns测量误差＝（4.95ns－3.5ns）/3.5ns＝0.414＝41％改善和提高测量精度只能提高示波器系统带宽，如选择比信号上升时间高5倍的示波器,测量误差为：500Mhz示波器系统上升时间为＝0.35/500Mhz＝0.7ns仪器显示的信号上升时间＝3.5ns2＋0.7ns2＝3.569ns测量误差＝（3.569ns－3.5ns）/3.5ns＝0.0198＝2％（选择示波器的5倍法则）注意：示波器系统带宽不足引起上升时间慢和异常幅度衰减示波器系统带宽（上升时间）对信号影响波形上升时间与测量精度的关系1:141%2:122%3:112%4:15%5:12%7:11%10:10.5%信号上升时间仪表上升时间之比上升时间测量精度％总结：选择示波器的带宽波形的重要谐波列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：波形重要谐波数（基波10％）正弦波1:1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％）1:26（正弦波基波为：1）上升时间与测量精度信号上升时间上升时间仪表上升时间测量精度之比％1:141%2:122%3:112%4:15%5:12%7:11%10:10.5%采样原理及应用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；采样率以“点/秒”来表示。实时采样、随机等效采样、顺序等效采样方式采样时发生了什么？采样过程信号采样数字化存储采样保持转换成为数据顺序存储屏幕显示选定部分的内存屏幕1011100111110101...11…01…11…11…10…01…00…11…采样过程模拟信号转化为数字信号经变换后最终恢复成模拟波形显示在示波器上，通俗地说，采样实际上是在用点来描绘进入示波器的模拟信号。“死区”指的是仪表不捕获信号的时间，如：数字化过程、数据处理过程，模拟示波器的回扫过程……数据存储到存储器中，还可以进行预触发，后触发的观察与分析。输入重复信号第一次采集第二次采集第三次采集。。。。数字实时采样技术：实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽4－5倍或更高。只需一次触发已采集到信号所有资料对信号的要求：重复信号且可允许信号变化实时采样技术示波器，不仅适用捕获重复信号、而且是捕捉非重复信号和单次信号的有效技术。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号前提条件。示波器标定带宽＝重复信号带宽＝瞬态（单次）信号带宽第一次触发采集第二次触发采集第三次触发采集第四次触发采集输入重复信号随机数字等效采样技术：以较低的A/D对信号采集,将多次触发采集到的资料进行重组，实现对重复信号的捕获和显示。需要经过多次触发才能采集到信号的所有资料对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化（如幅度）将造成显示混乱。等效技术示波器，只适用捕获重复稳定信号，对捕获非重复信号和单次信号的能力。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能力。将受到实时采样率的限制。示波器标定带宽＝重复信号带宽瞬态（单次）信号带宽。单次采样带宽也就是我们常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了所构建的单次波形的完整性。波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。幅度时间对于单次事件，示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍从而保证信号在恢复时不发生混迭现象。单次采集带宽波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。线性内插：在相邻采样点直接连接上直线，局限于直边缘信号。正弦内插：（SinX/x）利用曲线来连接样点，通用性更强。它利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果。这种方法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。泰克公司采用的是sinx/x正弦内插发复现信号。内插系数：泰克公司的内插系数为2.5,采用5倍以上示波器带宽的采样率是为提高信号的保真使用正弦内插，一般采用内插系数为5计算示波器的单次信号带宽。单次带宽＝实时采样率/5（内插系数）。使用线性内插，一般采用内插系数为10计算示波器的单次信号带宽。单次带宽＝实时采样率/10（内插系数）。正弦内插线性内插单次采集带宽和波形复现示波器采样率决定：窄脉冲和毛刺信号精确捕获和复现能力只有信号速度在单次带宽的范围内，对捕获信号才能精确复现示波器带宽选定后，采样率决定了单次带宽。单次宽决定示波器对毛刺和单脉冲信号的捕获能力和复现能力，也决定了示波器检测重复信号中异常信号和随机毛刺信号的捕获能力。例：示波器带宽100Mhz采样率1Gs/S,200Ms/S,100Ms/S,（不考虑带宽对波形的影响）记录长度与单次带宽取样速率应该至少是测得的模拟信号带宽的5倍一般在一个边沿上需要5-8个样点;例如10ns转换至少要求500MS/s的取样速率单次采集的记录时间与记录长度直接成正比记录时间(秒)=取样速率(样点/秒)记录长度(样点数量)欠幅脉冲捕捉毛刺捕捉实际工作中，比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析，这些都是每天都要面对的。（稳态和瞬态的分析）单次信号的捕获应用广泛总结：采样率的选择我们在确定示波器的带宽后，还要选择足够的采样率来与之相配合，这样才能获得适合于实际测量中