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新型數(shù)字示波器的應(yīng)用

更新時(shí)間：2015-09-01   點(diǎn)擊次數(shù)：961次




示波器一直是工程師設(shè)計(jì)、調(diào)試產(chǎn)品的好幫手。但隨著計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體和通信技術(shù)的發(fā)展，電路系統(tǒng)的信號(hào)時(shí)鐘速度越來(lái)越快，信號(hào)上升時(shí)間也越來(lái)越短，導(dǎo)致因底層模擬信號(hào)完整性問題引發(fā)的數(shù)字錯(cuò)誤日益突出。針對(duì)這些新的測(cè)試挑戰(zhàn)，示波器供應(yīng)商不斷推出了性能更好的數(shù)字示波器。但要想準(zhǔn)確快速地對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行分析，測(cè)量時(shí)還有很多新的因素必須考慮。如儀器速度能否跟上被測(cè)信號(hào)的變化、帶寬是否足夠、測(cè)量方法會(huì)不會(huì)引入干擾，甚至還有所使用的探頭是否合適等等。 

問題1：每臺(tái)示波器都有一個(gè)頻率范圍，比如10M、60M、100M...我手頭用的示波器標(biāo)稱為60MHz，是不是可以理解為它zui大可以測(cè)到60MHz？可我用它測(cè)4.1943MHz的方波時(shí)都測(cè)不到，這是什么原因？ 

答：60MHz帶寬示波器，并不意味著可以很好地測(cè)量60MHz的信號(hào)。根據(jù)示波器帶寬的定義，若輸入峰峰值為1V的60MHz正弦波到60MHz帶寬示波器上，您在示波器上將看到0.707V的信號(hào)(30%幅值測(cè)量誤差)。如果測(cè)試方波，選擇示波器的參考標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)是信號(hào)上升時(shí)間，示波器帶寬＝0.35/信號(hào)上升時(shí)間×3，此時(shí)您的上升時(shí)間測(cè)量誤差為5.4%左右。 

示波器的探頭帶寬也很重要，若使用的示波器探頭包括其前端附件構(gòu)成的系統(tǒng)帶寬很低，將會(huì)使示波器帶寬大大下降。如若使用20MHz帶寬的探頭，則能實(shí)現(xiàn)的zui大帶寬是20MHz，如果在探頭前端使用連接導(dǎo)線，將會(huì)進(jìn)一步降低探頭性能，但對(duì)4MHz左右方波不應(yīng)有太大影響，因?yàn)樗俣炔皇呛芸臁?nbsp;

另外還要看一下示波器使用手冊(cè)，有的60MHz示波器在1:1設(shè)置下，其實(shí)際帶寬將銳減到6MHz以下，對(duì)于4MHz左右的方波，其三次諧波是12MHz，五次諧波是20MHz，若帶寬降到6MHz，對(duì)信號(hào)幅值衰減很大，即使能看到信號(hào)也不是方波，而是幅值被衰減了的正弦波。 

當(dāng)然，測(cè)不出信號(hào)的原因可能有多種，如探頭接觸不好(該現(xiàn)象很容易排除)，建議用BNC電纜連接一函數(shù)發(fā)生器，檢驗(yàn)該示波器本身有沒有問題，探頭有沒有問題，如有問題，可和廠家直接。 

問題2：有些瞬時(shí)信號(hào)稍縱即失，如何捕捉并使其重現(xiàn)？ 

答：將示波器設(shè)置成單次采集方式(觸發(fā)模式設(shè)置成Normal，觸發(fā)條件設(shè)置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當(dāng)值，然后將掃描方式設(shè)置成單次方式)，注意示波器的存儲(chǔ)深度將決定您能采集信號(hào)的時(shí)間以及能用到的zui大采樣速率。 

問題3：在PLL中周期抖動(dòng)可以衡量一個(gè)設(shè)計(jì)的好壞，但是要測(cè)量卻非常困難，有什么方法和技巧嗎？ 

答：在使用示波器時(shí)，要注意其本身的抖動(dòng)相關(guān)指標(biāo)是否滿足您的測(cè)試需求，如示波器本身的觸發(fā)抖動(dòng)指標(biāo)等。同時(shí)要注意使用不同的探頭和探頭連接附件時(shí)，若不能保證示波器的系統(tǒng)帶寬，測(cè)量結(jié)果也會(huì)不準(zhǔn)確。另外關(guān)于PLL設(shè)置時(shí)間的測(cè)量，可使用示波器+USB-GPIB適配器+軟件選件來(lái)完成，也可用較為便宜的調(diào)制域分析儀。 

問題4：為什么我的示波器有時(shí)候抓不到經(jīng)過放大后的電流信呢? 

答：如果信號(hào)的確存在，但示波器有時(shí)能抓到有時(shí)抓不到，這就可能和示波器的設(shè)置有關(guān)系。通?？蓪⑹静ㄆ饔|發(fā)模式設(shè)置成Normal，觸發(fā)條件設(shè)置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當(dāng)值，然后將掃描方式設(shè)置成單次方式。如果這種方式還不行，那就可能是儀器出了問題。 

問題5：如何測(cè)量電源紋波？ 

答：可以先用示波器將整個(gè)波形捕獲，然后將關(guān)心的紋波部分放大來(lái)觀察和測(cè)量(自動(dòng)測(cè)量或光標(biāo)測(cè)量均可)，同時(shí)還要利用示波器的FFT功能從頻域進(jìn)行分析。 

問題6：新型數(shù)字示波器怎樣用于單片機(jī)開發(fā)？ 

答：I2C總線信號(hào)一般工作速率不超過400Kbps，zui近也出現(xiàn)了幾Mbps的芯片，有的示波器在設(shè)置觸發(fā)條件時(shí)，無(wú)需顧及不同速率的影響，但對(duì)其它總線，如CAN總線，則需要先在示波器上設(shè)置CAN總線當(dāng)前的實(shí)際工作速率以便示波器能正確理解協(xié)議，并正確觸發(fā)。若想對(duì)Inter-IC總線信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步的分析，如協(xié)議級(jí)分析，可使用邏輯分析儀，但相對(duì)來(lái)說價(jià)格比較高。 

問題7：關(guān)于模擬和數(shù)字示波器比較的問題：1、模擬和數(shù)字示波器在觀察波形的細(xì)部時(shí)，哪個(gè)更有優(yōu)勢(shì)(例如在過零點(diǎn)和峰值時(shí)，觀察1%以下寄生波形)？2、數(shù)字示波器一般提供在線顯示均方根值，它的精度一般是多少？ 

答：1)觀察1%以下寄生波形，無(wú)論是模擬示波器還是數(shù)字示波器，觀察精度都不是很好。模擬示波器的垂直精度未必比數(shù)字示波器更高，如某500MHz帶寬的模擬示波器垂直精度是±3%，這并不比數(shù)字示波器(通常精度為1～2%)更具優(yōu)勢(shì)，而且對(duì)細(xì)節(jié)，數(shù)字示波器的自動(dòng)測(cè)量功能比模擬示波器的人工測(cè)量更。 

2)對(duì)于示波器的幅值測(cè)量精度，很多人用A/D位數(shù)來(lái)衡量。實(shí)際上，隨著您所用的示波器帶寬、實(shí)際采樣率設(shè)置等，它會(huì)有所變化。若帶寬不夠，本身帶來(lái)的幅值測(cè)量誤差就很大，若帶寬夠了，采樣設(shè)置很高，實(shí)際的幅值測(cè)量精度也不如采樣率低時(shí)候的精度(您有時(shí)可參考示波器的用戶手冊(cè)，它可能會(huì)給出不同采樣率下，示波器的A/D實(shí)際有效位數(shù))?？偟膩?lái)講，示波器測(cè)量幅值，包括均方根值的精度往往不如萬(wàn)用表，同理，測(cè)量頻率它不如頻率計(jì)數(shù)器。 

問題8：毛刺觸發(fā)指標(biāo)有什么意義(例如5ns)？假如有一個(gè)100MHz示波器，測(cè)量的方波信號(hào)大約是10M左右，而且是占空比1:1左右的方波，設(shè)想一下，一個(gè)10M的方波，它的正向或負(fù)向的脈寬都是50ns，那么在什么樣的情況下能真正用到5ns這個(gè)性能呢？ 

答：毛刺/脈寬觸發(fā)一般有兩種典型應(yīng)用場(chǎng)合，一是同步電路行為，如利用它來(lái)同步串行信號(hào)，或?qū)τ诟蓴_非常嚴(yán)重的應(yīng)用無(wú)法用邊沿觸發(fā)正確同步信號(hào)時(shí)，脈寬觸發(fā)就是一個(gè)選擇；另一是用來(lái)發(fā)現(xiàn)信號(hào)中的異?，F(xiàn)象，如因干擾或競(jìng)爭(zhēng)引起的窄毛刺，由于該異常是偶發(fā)顯現(xiàn)，必須用毛刺觸發(fā)來(lái)捕獲(也有一種方法是峰值檢測(cè)方式，但峰值檢測(cè)方法有可能受其zui大采樣率的限制，所以一般是只能看而不能測(cè))。在問題所提的例子中，若被測(cè)對(duì)象的脈沖寬度是50ns，而且該信號(hào)沒有任何問題，也就是說沒有因干擾、競(jìng)爭(zhēng)等問題引起的信號(hào)畸變或變窄，那么用邊沿觸發(fā)就可同步該信號(hào)，無(wú)需使用毛刺觸發(fā)。根據(jù)不同的應(yīng)用，未必會(huì)使用到5ns這個(gè)指標(biāo)，一般用戶將脈寬觸發(fā)設(shè)置為10ns～30ns。 

問題9：在選擇示波器時(shí)，一般考慮zui多的是帶寬，那么在什么情況下要對(duì)采樣速率有所考慮呢？ 

答：取決于被測(cè)對(duì)象。在帶寬滿足的前提下，希望zui小采樣間隔(采樣率的倒數(shù))能夠捕捉到您需要的信號(hào)細(xì)節(jié)。業(yè)界有些關(guān)于采樣速率經(jīng)驗(yàn)公式，但基本上都是針對(duì)示波器帶寬得出的，實(shí)際應(yīng)用中，不用示波器測(cè)相同頻率的信號(hào)。若在選型時(shí)，對(duì)正弦波選擇示波器帶寬應(yīng)是被測(cè)正弦信號(hào)頻率的3倍以上，采樣率是帶寬的4到5倍，也即實(shí)際上是信號(hào)的12到15倍；若是其它波形，要保證采樣率足以捕獲信號(hào)細(xì)節(jié)。若您正在使用示波器，可通過以下方法驗(yàn)證采樣率是否夠用：將波形停下來(lái)，放大波形，若發(fā)現(xiàn)波形有變化(如某些幅值)就說明采樣率不夠，否則無(wú)礙。另外也可用點(diǎn)顯示來(lái)分析采樣率是否夠用。 

問題10：如何理解“考核波形采樣率夠不夠時(shí)，將波形停下來(lái)，放大波形，若發(fā)現(xiàn)波形有變化(如某些幅值)就說明采樣率就不夠，否則無(wú)礙。也可用點(diǎn)顯示來(lái)分析采樣率是否夠用。"？ 

答：我有幸給用戶做過實(shí)測(cè)，曾親歷這種現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)被測(cè)對(duì)象是一種看上去很隨機(jī)且高速變化的信號(hào)，用戶將觸發(fā)電平設(shè)在-13V左右。波形采集下來(lái)后想放大測(cè)量細(xì)節(jié)時(shí)，卻發(fā)現(xiàn)改變示波器時(shí)基(SEC/DIV)設(shè)置時(shí)，信號(hào)幅值突然變小，我當(dāng)時(shí)將示波器改成點(diǎn)顯示，發(fā)現(xiàn)好像是點(diǎn)數(shù)(存儲(chǔ)深度)不夠，但我比較點(diǎn)顯示和矢量顯示后，發(fā)現(xiàn)若矢量顯示有一定可信性，那么就是當(dāng)前的兩個(gè)采樣間隔(采樣率的倒數(shù))中信號(hào)有突變，但未能被采集到(采樣間隔不夠細(xì)，即采樣率不夠高)。我換了一臺(tái)同樣存儲(chǔ)深度但采樣率較高的示波器，發(fā)現(xiàn)問題消失了。 

存儲(chǔ)深度也會(huì)影響示波器能用到的實(shí)際zui大采樣率。存儲(chǔ)深度太淺可能是個(gè)問題，因?yàn)榇鎯?chǔ)深度可能限制能實(shí)際用到的zui大采樣速率，但實(shí)質(zhì)上是采樣率不夠，丟失了信號(hào)細(xì)節(jié)。存儲(chǔ)深度不夠深，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際采樣率不高，這一點(diǎn)跟廠家提供的指標(biāo)關(guān)系不大。