示波器主要技术指标及选择样本.doc

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一、 数字示波器的主要性能指标 在选择数字示波器时, 我们主要考虑其是否能够真实地显示被测信号, 即显示信号与被测信号的一致性。 数字示波器的性能很大程度上影响到其实现信号完整性的能力, 下面根据其主要性能指标进行详细分析。示波器最主要的技术指标是带宽、 采样率和存储深度
1、 带宽 如图1所示, 数字示波器带宽指输入不同频率的等幅正弦波信号, 当输出波形的幅度随频率变化下降到实际幅度的70.7％时的频率值( 即f-3dB) 。带宽决定了数字示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加, 数字示波器对信号的准确显示能力下降。实际测试中我们会发现, 当被测信号的频率与数字示波器带宽相近时, 数字示波器将无法分辨信号的高频变化, 显示信号出现失真。例如: 频率为100MHz、 电压幅度为1V的信号用带宽为100MHz的数字示波器测试, 其显示的电压只有0.7V左右。图2为同一阶跃信号用带宽分别为4GHz、 1.5GHz和300MHz的数字示波器测量所得的结果。从图中能够看出, 数字示波器的带宽越高, 信号的上升沿越陡, 显示的高频分量成分越多, 再现的信号越准确。实际应用中考虑到价格因素( 数字示波器带宽越高价格越贵) , 经过实践经验的积累, 我们发现只要数字示波器带宽为被测信号最高频率的3-5倍, 即可获得±3%到±2%的精度, 满足一般的测试需求。示波器所能准确测量的频率范围, 大家都遵循测量的五倍法则: 示波器所需带宽=被测信号的最高信号频率*5, 使用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过＋/－2%, 对大多的操作来说已经足够。
2、 采样率, 指数字示波器对信号采样的频率, 表示为样点数每秒( S/s) 。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越高, 重要信息和事件丢失的概率就越小, 信号重建时也就越真实。根据奈奎斯特定理, 采样速率要大于等于2倍的被测信号频率, 才能不失真地还原原始信号。但这个定理的前提是基于无限长的时间和连续的信号, 在实际测试中, 数字示波器的技术无法满足此条件。根据实践经验的积累, 数字示波器为了准确地再现原始信号, 采样速率一般为原始信号最高频率的2.5-10倍。
采样率又分为实时采样率跟等效采样率, 实时采样率就是指单次采样所能达到的最大采样率. 等效采样率是指用多次采样得到的信号共同完成信号的重建,因此1G实时采样率的示波器能够达到很高的等效采样率. 可是她只能适用于周期信号. 单次信号只能用实时采样方式来捕获.我们平常所说的采样率是指实时采样率, 这是因为实时采样率能够用来实时地捕获非周期异常信号, 而等效采样率则只能用于采集周期性的稳定信号。单位GSA/S 为每秒千兆采样, 1G=1000M, Sa为sample的缩写。
3、 存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果需要不间断的捕捉一个脉冲串, 则要求示波器有足够的内存以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的取样速度, 能够计算出所要求的存储深度, 也称记录长度。并不是有些国内二流厂商对外宣称的”存储深度是指波形录制时所能录制的波形最长记录”, 这样的偷换概念, 完全向相反方向引导人们的理解, 难怪乎其技术指标高达”1042K”的记录长度。这就是为什么她们不说存储深度是在高速采样下, 一次实时采集波形所能存储的波形点数。 把经过A/D数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中, 就是示波器的存储, 这个过程是”写过程”。内存的容量( 存储深度) 是很重要的。对于DSO, 其最大存储深度是一定的, 可是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。
在存储深度一定的情况下, 存储速度越快, 存储时间就越短, 她们之间是一个反比关系。同时采样率跟时基( timebase) 是一个联动的关系, 也就是调节时基檔位越小采样率越高。存储速度等效于采样率, 存储时间等效于采样时间, 采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定, 因此; 存储深度＝采样率 × 采样时间( 距离 = 速度×时间) 由于DSO的水平刻度分为12格, 每格的所代表的时间长度即为时基 ( timebase) ,单位是s/div,因此采样时间＝ timebase × 12. 由存储关系式知道: 提高示波器的存储深度能够间接提高示波器的采样率, 当要测量较长时间的波形时, 由于存储深度是固定的, 因此只能降低采样率来达到, 但这样势必造成波形质量的下降; 如果增大存储深度, 则能够以更高的采样率来测量, 以获取不失真的波形。 下图曲线揭示了采样率、 存储深度、 采样时间三者的关系及存储深度对示波器实际采样率的影响。比如, 当时基选择10us/div文件位时, 整个示波器窗口的采样时间是10us/div * 12格=120us, 在1Mpts的存储深度下, 当前的实际采样率为: 1M÷120us︽8.3GS/s, 如果存储深度只有250K, 那当前的实际采样率就只要2.0GS/s了! 存储深度决定了实际采样率的大小, 一句话, 存储深度决定了DSO同时分析高频和低频现象的能力, 包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。明白了存储深度与取样速度密切关系后, 我们来浅谈下长存储对于我们平常的测量带来什么的影响呢? 平常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元数据流, 则需要有上万个点或更多点的存储深度, 这是普通存储是做不到的, 这时候就需要我们选择长存储模式。可喜的是现在国产示波已经具有这样的选择, 比如鼎阳( Siglent) 公司推出的ADS1000CA系列示波器高达2M的存储深度, 是当前国产示波器最大的存储深度示波器, 打破了只有高端示波器才可能具有大的存储深度的功能。经过选择长存储模式, 以便对一些操作中的细节进行优化, 同时配备1G实时采样率以及高刷新率, 完美再现捕获波形。长存储对平常的测量中, 影响最明显的是在表头含有快速变化的数据链和功率测量中。这是由于功率电子的频率相对较低( 大部分小于1MHz) , 这对于我们选择示波器带宽来说300MHz的示波器带宽相对于几百KHz的电源开关频率来说已经足够, 但很多时候我们却忽略了对采样率和存储深度的选择.比如说在常见的开关电源的测试中, 电压开关的频率一般在200KHz或者更快, 由于开关信号中经常存在着工频调制, 工程师需要捕获工频信号的四分之一周期或者半周期, 甚至是多个周期。开关信号的上升时间约为100ns, 我们建议为保证精确的
重建波形需要在信号的上升沿上有5个以上的采样点, 即采样率至少5/100ns=50MS/s, 也就是两个采样点之间的时间间隔要小于100/5=20ns, 对于至少捕获一个工频周期的要求, 意味着我们需要捕获一段20ms长的波形, 这样我们能够计算出来示波器每通道所需的存储深度=20ms/20ns=1Mpts ! 这就是为什么我们需要大的存储深度的原因了! 如果此时存储深度达不到1 Mpts, 只有普通示波器的几K呢? 那么要么我们无法观测如此长周期信号, 要么就是观测如此长周期信号时只能以低采样率进行采样, 结果波形重建的时候根本无法详细显示开关频率的波形情况。 长存储模式下, 既保证了采样在高速率下对信号进行采样, 又能保证记录长时间的信号。如果此时只进行单次捕捉或停止采集, 那么在不同时基下扩展波形时由于数据点充分, 能够很好观测迭加在信号上面的小毛刺等异常信号, 这对于工程师发现问题、 调测设备带来极大的便利。而如果是普通存储, 为了保持高的采样率, 则在长的记录时间内, 由于示波器的连续采样, 则内存中已经记录了几帧数据, 内存中的数据并不是一次采集获得的数据, 此时如果停止采集, 并对波形旋转时基进行放大显示, 则只能达到有限的几个文件位, 无法实现全扫描范围的观察。 在DSO中, 经过快速傅立叶变换( FFT) 能够得到信号的频谱, 进而在频域对一个信号进行分析。如电源谐波的测量需要用FFT来观察频谱, 在高速串行数据的测量中也经常见FFT来分析导致系统失效的噪声和干扰。对于FFT运算来说, 示波器可用的采集内存的总量将决定能够观察信号成分的最大范围( 奈奎斯特频率) , 同时存储深度也决定了频率分辨率△f。如果奈奎斯特频率为500 MHz, 分辨率为10 kHz, 考虑一下确定观察窗的长度和采集缓冲区的大小。若要获得10kHz 的分辨率, 则采集时间至少为: T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms, 对于具有100kB 内存的数字示波器, 能够分析的最高频率为: △f × N/2 = 10 kHz × 100kB/2 = 500MHz。对于DSO来说, 长存储 能产生更好的 FFT结果, 既增加了频率分辨率又提高了信号对噪声的比率, 一句话, 长存储起到一个总览全局又细节呈现的的效果, 存储深度决定了DSO同时分析高频和低频现象的能力, 包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。
示波器触发: 示波器的同步是指示波器的扫描信号与被观测的信号同步, 也就是说它们的频率之间存在着整数倍的关系。为了使扫描信号与被测信号同步, 我们能够设定一些条件, 将被测信号不断地与这些条件相比较, 只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描, 从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系, 也就是同步。这种技术我们就称为”触发”, 而这些条件我们称其为”触发条件”。
用作触发条件的形式很多, 最常见最基本的就是”边沿触发”, 即将被测信号的变化(即
信号上升或下降的边沿) 与某一电平相比较, 当信号的变化以某种选定的方式达到这一电平
时, 产生一个触发信号, 启动一次扫描。例如在图3 中, 我们能够将触发电平选在0V, 当
被测信号从低到高跨越这个电平时, 就产生一次扫描, 这样我们就得到了与被测信号同步的
扫描信号。其它的触发条件有”脉宽触发” 、 ”斜率触发” 、 ”状态触发” 等等,
示波器最技术指标除了带宽、 采样率和存储深度还有上升时间、 频率响应
4、 上升时间 上升时间的定义为脉冲幅度从10％上升到90％的这段时间( 如图3所示) , 它反映了数字示波器垂直系统的瞬态特性。数字示波器必须要有足够快的上升时间, 才能准确地捕获快速变换的信号细 节。数字示波器的上升时间越快, 对信号的快速变换
的捕获也就越准确。 一般数字示波器的上升时间和带宽满足以下公 式: tr=kf-3dB其中, tr为上升时间, f-3dB为频带宽度, k为介于0.35-0.45之间的常数( 不同型号的数字示波器取值不同, 能够查阅相应的说明书) 。经过计算, 并参考带宽的选取原则, 能够得出: 只要数字示波器的上升时间小于被测信号的三分之一到五分之一, 就能满足一般的测试需求。
5、 频率响应 频率响应为当输入不同频率的等幅正弦波信号时的响应性能, 它包含从直流或交流低频几赫兹的正弦信号一直到无法显示幅度的频率为止的全部频率范围内的幅度响应。实际测量中只考虑带宽性能还不足以保证数字示波器能够准确重现原始信号, 在对数字示波器计量工作中, 我们发现有的数字示波器频率响应曲线在低频段并不平坦, 会出现较大的起伏, 如果测试相应频率的信号就会出现失真现象。此时, 即使数字示波器的带宽比被测信号频率高出很多, 也不能真实重现信号。因此, 在选择数字示波器时, 针对不同的被测信号, 其频率响应也是考虑的性能指标之一。
二、 探头对测试的影响 在实际工作中, 还必须使用探头系统( 包括探头和探头连接附件) 把被测电路的信号引入到数字示波器内部, 因此探头系统的性能直接决定了引入到数字示波器的信号与被测信号的一致性程度。 为获得有效的测量结果, 为了真实地重现被测信号, 选择探头系统时主要考虑的以下三个因素为: 物理连接、 对电路操作的影响最小以及与原始信号的一致性程度。对于前两个因素需正确选择探头连接附件, 最后一个因素则需要正确选择探头系统的带宽。在整个测试系统中, 带宽是由系统内带宽最低的部分决定的, 因此测试信号时探头系统的带宽也是必须考虑的因素之一。而同时, 探头系统也成为了被测电路的一部分, 有一定的负载效应。探头系统的负载特性表现在三个方面: 探头系统的输入电阻、 电容和电感。与数字示波器配正确理想的探头系统将最小化这种负载特性, 充分发挥数字示波器真实再现被测信号的能力、 特性和容限。因此选择探头系统时, 最好选用厂家所推荐的探头型号, 并按功能选择相应的连接附件。
综上所述, 实现信号完整性的能力是测试中选择数字示波器的核心衡量标准, 影响数字示波器信号完整性的实现的几个因素是: 数字示波器的带宽、 上升时间、 频率响应、 采样速率和探头系统的带宽和负载效应。在实际购买时, 为了取得最优性价比, 能够遵循以下原则: 数字示波器带宽为被测信号最高频率的3-5倍, 上升时间小于被测信号的三分之一到五分之一, 频率响应曲线平坦, 采样速率为被测信号最高频率的2.5-10倍, 同时选择厂家推荐的探头系统, 即可满足一般的测试需求。