示波器的基本理論

1、示波器的基本理論,Bobo Bao09/14/2003,目錄,波和波形什么是示波器示波器的主要指標(biāo)及其選擇指南數(shù)字示波器技術(shù)的發(fā)展,波和波形,什么是波波的類型波的參數(shù)示波器是測量波的基本儀器,什么是波,隨時間變化的模式稱為波，聲波、腦電波、海浪、電壓波形都是波波形能夠揭示信號的許多特性,波的類型,大多數(shù)波都屬于如下類型：正弦波方波和矩形波三角波和鋸齒波階躍波和脈沖波噪聲波 復(fù)雜波還有很多波是上述波形的組合

2、,波的類型,周期信號和非周期信號同步信號和異步信號,波的參數(shù),周期頻率正脈沖寬度負(fù)脈沖寬度上升時間下降時間幅度占空比＋占空比－延遲,相位突發(fā)寬度峰-峰值均值周期均值高 低值最小值最大值過沖＋(over shoot)過沖－(under shoot),常見波形參數(shù),幅度和相位,頻率和周期,常見波形參數(shù),相位差,示波器,自1946年Tektronix的Howard Vollum先生以其發(fā)明的觸發(fā)電路，從而

3、創(chuàng)造了第一部商用示波器至今已過了半個多世紀(jì)。示波器對工程師的重要性，如同眼睛對人類的重要一樣。,什么是示波器,示波器是形象地顯示信號隨時間變化波形地儀器，是一種綜合的信號特性測試儀，是電子測量儀器的基本種類。示波器的用途：電壓表，電流表，功率計頻率計，相位計脈沖特性，阻尼振蕩示波器的應(yīng)用：電子，電力，電工壓力，振動，聲，光，熱，磁以示波器為基礎(chǔ)的儀器：邏輯分析儀，時域反射儀，晶體管特性測試儀，心電圖。。。。,示波器的組

4、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),示波器的類型,模擬示波器模擬數(shù)字混合示波器數(shù)字示波器數(shù)字熒光示波器取樣示波器,示波器的典型結(jié)構(gòu),ART,DSO,DPO,放大器,放大器,放大器,延遲線,觸發(fā),垂直放大器,水平放大器,,A/D,多路分解器,采集信號存儲器,uP,顯示存儲器,數(shù)字熒光器,,A/D,uP,,,模擬實時顯示,串行處理,并行處理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,示波器的主要指標(biāo),示

5、波器的帶寬數(shù)字示波器的采樣率示波器的觸發(fā)和信號存儲先進(jìn)的DPO技術(shù),帶寬是選擇示波器的第一參數(shù),示波器的結(jié)構(gòu)決定了帶寬的重要性：放大器的模擬帶寬決定了示波器的帶寬；放大器是信號進(jìn)入示波器的大門，它的帶寬決定了示波器的帶寬，示波器能請進(jìn)什么樣的信號由這個大門來決定。數(shù)字示波器的帶寬也是模擬帶寬,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：

6、在幅頻特性中，儀表的靈敏度下降3dB，此時的頻率為儀表的帶寬。,帶寬,注：只能測量AC電壓的儀表，必須對高頻和低頻帶寬都加考慮。,選擇示波器的帶寬依據(jù),以諧波情況為核心選擇示波器；以上升沿情況選擇示波器；,諧波,除絕對的正弦波之外，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。周期波無論其波形如何都有諧波。周期波給定的頻率為基波頻率。,方波,基波為正弦波,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，

7、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(dāng)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。,,,由方波為例得知,正弦波只有一個基波，儀表的帶寬必須至少是波形的頻率。但是，在大多數(shù)情況下，這僅僅是最基本的，如果只是這樣，是不夠精確的，甚至是錯誤的。要對波形進(jìn)行準(zhǔn)確的測量，對于非正弦波的波形，必須考慮其諧波。假如組成波

8、形的主要諧波分量超出儀表的帶寬，那么我們就不能精確地測得波形的參數(shù)。,儀器帶寬對測量波形影響,測量20MHz的方波,在200MHz帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果,在20MHz帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果,示波器所顯示的波形,,,帶寬對方波的影響,帶寬如何在時域影響波形。信號進(jìn)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)

9、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。,,,波形的諧波與測量精度的關(guān)系,波 形 重要諧波數(shù)（基波10％） 正弦波 無諧波分量 方 波 1:9 三角波

10、 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％） 1:26注：列出的影響波形的諧波數(shù)是基波的倍數(shù)：,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

11、上升時間上升時間通常在過渡的10％至90％處,90％,10％,,,,,上升時間測量,上升延同帶寬的關(guān)系,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：T上升＝0.35/BWBW=帶寬（－3dB時的頻率）（單位Hz）波形從最小值過渡到最大值越快，所含諧波就越多，波形所含的頻率量也越高。儀表的上升時間應(yīng)小于被測量信號波形的上升時間。測量所得的上升時間＝ 信號上升時間2＋測量儀表上升時間2,波形上

12、升時間與測量精度的關(guān)系,信號上升時間儀表上升時間之比,上升時間測量精度％,1:1 41%2:1 22% 3:1 12%4:1 5% 5:1 2% 7:1

13、 1% 10:1 0.5%,總結(jié)：選擇示波器的帶寬,波形的重要諧波,,列出的影響波形的諧波數(shù)是基波的倍數(shù)： 波 形 重要諧波數(shù)（基波10％）正弦波 1:1方 波

14、 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％） 1:26 （ 正弦波基波為：1 ）

15、,,上升時間與測量精度信號上升時間 上升時間 儀表上升時間 測量精度 之比 ％ 1:1 41% 2:1 22% 3:1

16、12% 4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%,采樣,采樣是等間隔地進(jìn)行；采樣率以 “點(diǎn)/秒”來表示。,采樣過程,采樣時發(fā)生了什么？,,,10111001

17、11110101...,1 1 …0 1 …1 1 …1 1 …1 0 …0 1 …0 0 …1 1 …,信號,采樣,數(shù)字化,存儲,采樣保持,轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù),順序存儲,屏幕顯示選定,部分的內(nèi)存,屏幕,,,,,,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(fù)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(diǎn)來描繪進(jìn)入

18、示波器的模擬信號。“死區(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(jìn)行預(yù)觸發(fā)，后觸發(fā)的觀察與分析。,采樣率對單次信號的捕獲的影響,數(shù)字實時采樣技術(shù)輕易地捕捉到5ns的毛刺,最小水平時基為100ns，即未能對單次毛刺進(jìn)行捕捉,,單次采集帶寬,單次采樣帶寬也就是我們常說的實時帶寬，它是由模擬帶寬、采樣率以及波形重建的方法共同決定，因此它決定了所構(gòu)建的單次波形的完整性 。

19、 波形重建的方法主要是指波形再現(xiàn)的插值算法。,對于單次事件，示波器必須具有足夠的采樣速率用以恢復(fù)單次捕捉所獲得的波形。奈奎斯特抽樣定律中指出采樣率至少為信號最高頻率帶寬的2倍從而保證信號在恢復(fù)時不發(fā)生混迭現(xiàn)象。,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。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

20、，最好能在八到十倍。,示波器的觸發(fā),觸發(fā)電路的作用就是保證每次時基在屏幕上掃描的時候，都從輸入信號上與定義的觸發(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是具有隨機(jī)起點(diǎn)的很多波形雜亂重疊的圖象，見圖a 。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)測量問題加以應(yīng)用。作為數(shù)字示波器來說，觸發(fā)實際上參與了確定波形的存儲起點(diǎn)。,,,,,,,},},},不正

21、常觸發(fā),正常觸發(fā),a,b,c,,,,,,1,2,3,觸發(fā)耦合,觸發(fā)耦合：觸發(fā)信號與觸發(fā)電路的耦合方式默認(rèn)時為直接耦合，觸發(fā)源直接連到觸發(fā)電路非直接耦合：觸發(fā)源通過一個串聯(lián)的電容連到觸發(fā)電路HF抑制：使觸發(fā)源信號通過低通濾波器以抑制高頻分量，這意味即使一個低頻信號中包含很多高頻噪聲，仍能使其按低頻信號觸發(fā)。LF抑制：使觸發(fā)源信號通過一個高通濾波器以抑制其低頻成分，這對于顯示包含很多電源交流聲的信號時的情況是很有用的。TV觸發(fā)：在

22、TV模式下觸發(fā)電平控制不起作用。這時示波器使用視頻信號中的同步脈沖作為觸發(fā)信號。TV觸發(fā)有兩種模式，TVF 場和TVL行數(shù)字示波器的高級觸發(fā)功：單次、毛刺、寬度、欠幅脈沖、斜率、建立/保持邏輯（定時關(guān)系和狀態(tài)分析）TV（可選場/行和行計數(shù)）,觸發(fā)隔離（Hold off）,有些信號具有多個可能的觸發(fā)點(diǎn)，如下圖數(shù)字信號。該信號雖然在較長的時間周期內(nèi)是重復(fù)的，但是在短時間內(nèi)情況則不然，這樣一來，正常觸發(fā)掃描出的波形出現(xiàn)混迭。為解決

23、這個問題，采用了觸發(fā)隔離功能，即在各次掃描之間加入延遲時基，使得掃描的每次觸發(fā)總是從相同的信號沿開始。從而得到穩(wěn)定的波形顯示。另一方面，觸發(fā)隔離的使用顯然在波形捕獲方面遭到了損失。,數(shù)字示波器的高級觸發(fā)功能,高級觸發(fā)功能的模式，主要針對數(shù)字信號： 首先，對偶爾出現(xiàn)問題的信號現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測； 確定脈沖的受限狀態(tài)況，以及安排用一個脈沖，或者是與這些狀況相匹配的脈沖來觸發(fā)。具體形式有：脈沖寬度觸發(fā)；矮脈沖觸發(fā)；脈沖斜率觸發(fā)；邏輯

24、觸發(fā)建立/保持時間觸發(fā)……,記錄長度,定義：一個波形記錄是指可被示波器一次性采集的波形點(diǎn)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(xì)節(jié)有關(guān)：,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(diǎn)；示波器的存儲深度決定了數(shù)據(jù)存儲的終點(diǎn)。,預(yù)觸發(fā),其他方面應(yīng)用如 ：開關(guān)特性輸入和輸出瞬態(tài)特性，以輸出信號觸發(fā)來觀看研究輸入的小信號。,捕捉毛刺,毛刺

25、預(yù)觸發(fā)單次采樣,,,單次信號的捕獲應(yīng)用廣泛,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)信號和非重復(fù)信號進(jìn)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）,欠幅脈沖捕捉,毛刺捕捉,數(shù)字示波器滾動模式,滾動模式是一種可以應(yīng)用于全連續(xù)顯示的方式在這種模式下，

26、示波器采集采樣點(diǎn)并立即將采集的數(shù)據(jù)復(fù)制到顯示存儲器。而這些新的采樣點(diǎn)顯示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形則向左滾動。老的采樣點(diǎn)一但移到屏幕左面即行消失。這樣一來屏幕上顯示的波形總是反映出最新信號對時間變化的情況。由于有了滾動模式，就可以用示波器來代替圖表記錄儀來顯示慢變化的現(xiàn)象，如化學(xué)過程、電池的沖放電周期或溫度對系統(tǒng)性能的影響等。,數(shù)字熒光示波器（DPO）,1998年Tektronix終于出現(xiàn)了一款數(shù)字熒光示波器（Digital Ph

27、osphor Oscilloscope)簡稱DPO。將“波形更新率”提升到每秒20萬次如模擬示波器一樣，并改進(jìn)了顯示技術(shù)，是一部純數(shù)字的示波器。DPO在截取技術(shù)上一改過去的DSO串列式的處理方式，以平行運(yùn)算方式提升截取速度增加波形更新率，并建立3D資料庫。,數(shù)字熒光示波器（DPO）的 定義,數(shù)字熒光示波器 能夠以信號的三維信息，即：幅度，時間，以及幅度隨時間的變化，實時地顯示，存儲與分析復(fù)雜信號的新一代示波器。,波形的捕獲的比較,,

28、模擬示波器,數(shù)字存儲示波器,數(shù)字熒光示波器,示波器的波形捕獲率,波形捕獲率也就是波形刷新率，已經(jīng)成為考核一臺示波器的重要參數(shù)之一；對于示波器來說，波形捕獲率高，就能夠組織更大數(shù)據(jù)量的波形質(zhì)量信息，尤其是在動態(tài)復(fù)雜信號和隱藏在正常信號下的異常波形的捕獲方面，有著特別的作用。,為什么模擬示波器產(chǎn)品不能夠,模擬示波器的缺點(diǎn)只有純粹的視覺信息閃爍，丟失帶寬不夠只有邊沿觸發(fā)，無預(yù)觸發(fā),為什么數(shù)字示波器產(chǎn)品不能夠,普通數(shù)字示波器的缺點(diǎn)