示波器基本理论培训教程 目录 8什么是示波器 8波和波形 8示波器技术的发展 8示波器的主要指标及其选择指南 什么是示波器 8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 8示波器的用途 0电压表 电流表 功率计 0频率计 相位计 0脉冲特性 阻尼振荡 8示波器的应用 0电子 电力 电工 0压力 振动 声 光 热 磁 8以示波器为基础的仪器 0逻辑分析仪 时域反射仪 晶体管特性测试仪 心电图 示波器概念 8示波器的主要功能是 精确地再现时间和电压幅度的函数 波形 用它可以即时地观察电压幅度相对时间的变化情况 从而获得波形的质量信息 如幅度和频率 波形 不同 波形的时间和相位的关系 8在概念上 模拟示波器和数字示波器的测量的目标是相同 的 而在实际结构上它们的内部采用的技术不同 所以它 们的表现形式并不相同 8数字示波器的蓬勃发展与模拟示波器的逐渐消亡将成为历 史的必然趋势 数字技术的发展赋予示波器更多波形捕获能力 更多的数学运算 功能 它可以是一台具有波形显示的功率计 可以进行波形参数分析 它还能存储各种波形以及相关的信息 示波器的组成 8水平系统 8垂直系统 8扫描系统 8触发系统 8显示系统 什么是波 8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 8波形能够揭示信号的许多特性 0当看到波形的高度变化 则表 示电压值在变化 0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 0平直斜线表示线性变化 电压 以恒定的斜率上升或下降 0波形中的尖角指示的是突然的 变更 波的类型 8大多数波都属于如下类型 0正弦波 0方波和矩形波 0三角波和锯齿波 0阶跃波和脉冲波 0噪声波 0复杂波 8还有很多波是上述波形的组 合 波的参数 8周期 8频率 8正脉冲宽度 8负脉冲宽度 8上升时间 8下降时间 8幅度 8占空比 8占空比 8延迟 8相位 8突发宽度 8峰 峰值 8均值 8周期均值 8高 低值 8最小值 8最大值 8过冲 8过冲 8均方值 8周期均方值 示波器的类型 8模拟示波器 8模拟数字混合示波器 8数字示波器 8数字荧光示波器 8取样示波器 示波器的典型结构 ART DSO DPO 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 D uP 模拟实时 显示 串行 处理 并行 处理 波形的捕获的比较 模拟示波器模拟示波器 数字荧光 示波器 数字存储数字存储 示波器示波器 示波器的波形捕获率 8波形捕获率也就是波形刷新率 已经成为考核一台示波器 的重要参数之一 8对于示波器来说 波形捕获率高 就能够组织更大数据量 的波形质量信息 尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信 号下的异常波形的捕获方面 有着特别的作用 为什么数字示波器产品不能够 8普通数字示波器的缺点 0波形捕获率低 0由于数据不够 造成混跌 02维数据显示不能表明事件发生频度 为什么模拟示波器产品不能够 8模拟示波器的缺点 0只有纯粹的视觉信息 0闪烁 丢失 0带宽不够 0只有边沿触发 无预触发 数学荧光示波器特点 8将ART和DSO的定性和定量性能合二为一 是一项可观的成就 8提供三维的信号信息 可用它解释信号的动态特性 包括信号瞬态变 化情况和事件频率 可精确地显示复杂信号 如视频信号或数字波形 上的高速异常信号等 8DPO提供的信号数据远远多于DSO 可确保看到所有信号细节 可 防止出现数字混淆现象 并能够轻松地捕获偶发信号事件 示波器的刻度 水平刻度 垂直刻度 触发电平 刻度格线 示波器的主要指标 8示波器的带宽 8数字示波器的采样率 8示波器的触发和信号存储 8先进的DPO技术 选 择 示 波 器 的 带 宽 带宽是选择示波器的第一参数 8示波器的结构决定了带宽的重要性 0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 8数字示波器的带宽也是模拟带宽 带宽 8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 选择示波器的带宽依据 8以谐波情况为核心选择示波器 8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 8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 0方波的质量根据包含的谐波次数 其近似程度有所不同 0每个谐波的幅度必须使波形成为方波所需要的恰当值 0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 8正弦波只有一个基波 仪表的带宽必须至少是波形的频率 8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 8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 8带宽如何在时域影响波形 0信号进入示波器首先是通过放大器 它是一个低通滤波器 0放大器的带宽很宽 和基波比较 输出方波不表现失真 0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 0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 8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 T上升 0 35 BW BW 带宽 3dB时的频率 单位Hz 8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 8仪表的上升时间应小于被测量信号波形的上升时间 测量所得的上升时间 信号上升时间2 测量仪表上升时间2 上升延同带宽的关系 波形上升时间与测量精度的关系 1 1 41 2 1 22 3 1 12 4 1 5 5 1 2 7 1 1 10 1 0 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 1 41 2 1 22 3 1 12 4 1 5 5 1 2 7 1 1 10 1 0 5 采样原理及应用 数字示波器采样技术 8采样技术 0数字等效采样 0数字实时采样 8取样技术不同 使数字示波器带宽定义复杂化 0重复信号带宽即模拟带宽 放大器带宽 0单次信号带宽 采样率与单次信号带宽的关系 8奈奎斯特取样原理 0在正弦波上采样 需要在一个周期采集最少两个以上的点就可重现波形 0fs 取样率 2BW 信号频率 0例 100M正弦波信号 最少采样率 2X100M 200MS s 8数字示波器的单次带宽定义 0为单次 瞬态 信号测量中可获得的最大带宽 0BWs fs 采样率 kR 与重现技术有关的内插系数 02 5 4 10 0例 内插系数为4 采样率为100MS s 示波器单次带宽 100MS s 4 25MHz 数字等效采样技术 需要对信号进行多次触发 从重复性信号的不同的周期经过多次单采样 取得足够的采样点 来重建这个重复信号的波形 等效采样必须满足两个前提条件 1 信号必须是重复的 2 必须能稳定触发 只需一次触发已采集信号所有资料 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 每通道都有同样的表现 单一频带宽 重复带宽 单次带宽 不仅适用捕获重复信号 而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中 的毛刺和异常信号的有效方法 数字实时 Real Time 采样 DRT 数字等效采样与实时采样比较 采样间隔 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 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 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 采样过程 8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 8 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 8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 泰克公司数字实时采样技术 轻易地捕捉到5ns的毛刺 最小水平时基为100ns 即未能 对单次毛刺进行捕捉 采样率对单次信号的捕获的影响 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 只需一次触发已采集信号所有资料 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 重复带宽 单次带宽 不仅适用捕获重复信号 而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的 毛刺和异常信号的有效方法 数字实时采样技术 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 总结 采样率的选择 8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的实时带宽 从而获得满意的测量结果 8如果在实际的测量中 比较重视单次信号的精确信息 我 们建议采样率要在带宽的五倍以上 最好能在八到十倍 示波器的触发和信号存储 示波器的触发 8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 8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 8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 321 不正常触发 正常触发 a b c 触发耦合 8触发耦合