示波器操作的常见问题 示波器工作原理

虚拟示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于虚拟示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。 区分模拟带宽和数字实时带宽 　　带宽是示波器*重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而虚拟示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。虚拟示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的*高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与*高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=*高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而*高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考虚拟示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。 有关采样速率 　　采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是虚拟示波器的一项重要指标。 　　1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象 　　如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生 　　•调整扫速； 　　•采用自动设置（Autoset）； 　　•试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找*大*小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。 　　•如果示波器有Insta Vu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。 　　2.采样速率与t/div的关系 　　每台虚拟示波器的*大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出 　　　　　　fs=N/(t/div)　　　　　　　N为每格采样点 　　当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据 表1扫速与采样速率 t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25 　　综上所述，使用虚拟示波器时，为了避免混迭，扫速档*置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则*置于主扫速较慢的位置。 虚拟示波器的上升时间 在模拟示波器中，上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在虚拟示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于虚拟示波器测量方法的原因，以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数据 表2扫速与上升时间 t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216 　　由上面这组数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用虚拟示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而虚拟示波器的上升时间不仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用虚拟示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。 示波器停止采样波形现锯齿状的原因分析

　　当示波器停止采样时，将原来的波形垂直放大后会存在锯齿状，这是什么原因呢？这里跟跟大家一起剖析一下。　　本文以ZDS4054Plus示波器为测试工具，原因阐述　　1、运行状态下　　当示波器处于【Run】时，示波器模拟前端会根据不同的垂直档位，始终会将信号的幅度调理到ADC合适的范围内，再进行量化，所以运行状态下的波形放大，不会存在锯齿现象。　　·在200mv/div的档位下，垂直分辨率（25LSB/div）为8mv　　·在50mv/div的档位下，垂直分辨率（25LSB/div）为2mv　　垂直档位越小，分辨率越高，则采集到的波形测量精度就越高，这个就是推荐波形尽量铺满格子的原因。　　2、停止状态下　　在停止状态下波形不进行采集，也就是停止状态无论垂直档位怎么变化，仍然会保持停止时（200mv/div）的垂直精度8mv，所以当把波形的垂直方向放大4倍时（50mv/div），那么采样点与采样点之间的垂直距离就会变大，当然这仅仅只是进行数字化放大，示波器此时会进行插值保持，插值保持下波形会以阶梯的形式连接，这也是产生锯齿的原因。　　理解误区插值保持与插值算法有关么？　　前面我们提到了插值保持，那么有的工程师可能就会想到，会不会是由于插值算法的原因导致了波形放大后出现了锯齿状呢？毕竟线性插值是以点的方式连接，出现锯齿状也很正常。答案是否定的，下面从试验方法层来分析一下。　　首先解释一下何谓插值算法，对于很多示波器都会有不同的插值模式，常见的分为正弦插值和线性插值，在实际使用过程中，如果示波器ADC的采样率不足以恢复真实信号，我们需选择不同的插值方式进行测试分析　　1、正弦插值　　正弦内插是示波器默认的插值方式，也是*常用的插值方式。通过正弦内插的方式，能够比较准确和平滑地还原真实波形信号。利用曲线来连接样点，通用性更强。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。如图4所示为采样正弦插值的方式，观察到的放大后的波形。　　2、线性插值　　线性内插是*简单的插值方式，计算量*小。在ADC的相邻采样数据点之间按照线性多项式的计算方式插入一个计算值，插入的这个点为相邻两个采样点连线上的值。如下图5所示位采用线性内插方式测试波形，是通过点与点之间的直接连接形成的波形，细节上能够看到类似于锯齿波的形状，这种插值方式局限于直边缘的信号。　　通过这两种插值方式对比，大家会发现正弦内插利用曲线连接采样点，线性内插通过点与点之间的连接形成波形，大家可能会倾向于线性插值的原因形成了放大之后的锯齿状。需要注意的是插值算法是在ADC采样时进行的，当采样停止后，示波器才会进行插值保持，插值保持下采样点之间会以阶梯的形式连接，因此示波器停止下的放大只是单纯的数字化放大，是示波器插值保持的结果，这与使用何种插值算法完全无关。

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　　现如今，模拟和数字示波器能够胜任大多数的应用。那么示波器既然如此重要，那么在我们平常的电子测试测量中，示波器的作用是什么呢?　　1、可以测量直流信号、交流信号的电压幅度　　2、可以测量交流信号的周期，并以此换算出交流信号的频率。　　3、可显示交流信号的波形。　　4、可以用两个通道分别进行信号测量。　　5、可以在屏幕上同时显示两个信号的波形，即双踪测量作用。此作用能够测量两个信号之间的相位差，和波形之间形状的差别。

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