數(shù)字示波器原理及優(yōu)缺點(diǎn)
數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集,A/D轉(zhuǎn)換,軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級(jí)菜單,能提供給用戶多種選擇,多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)對(duì)波形的保存和處理。目前數(shù)字示波器主要依靠美國(guó)技術(shù),對(duì)于300MHz帶寬之內(nèi)的示波器,目前國(guó)內(nèi)品牌的示波器在性能上已經(jīng)可以和國(guó)外品牌抗衡,且具有明顯的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。
數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等*優(yōu)點(diǎn),其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異,如果使用不當(dāng),會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差,從而影響測(cè)試任務(wù)。
區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬
帶寬是示波器zui重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值,而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的zui高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬,數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與zui高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)(數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=zui高數(shù)字化速率/K),一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出,模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測(cè)量,而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱(chēng)示波器的帶寬能達(dá)到多少兆,實(shí)際上指的是模擬帶寬,數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz,實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz,而zui高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí),一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬,否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)意想不到的誤差。
有關(guān)采樣速率
采樣速率也稱(chēng)為數(shù)字化速率,是指單位時(shí)間內(nèi),對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù),常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)?!?/span>
1.如果采樣速率不夠,容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象
如果示波器的輸人信號(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào),示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz,這是怎么回事呢?這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍a(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號(hào)的實(shí)際頻率,或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了,而顯示的波形仍不穩(wěn)定?;斓漠a(chǎn)生如圖1所示。那么,對(duì)于一個(gè)未知頻率的波形,如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢?可以通過(guò)慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔,看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變,如果是,說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生;或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來(lái),也說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理,采樣速率至少高于信號(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭,如一個(gè)500MHz的信號(hào),至少需要1GS/s的采樣速率。
有如下幾種方法可以簡(jiǎn)單地防止混迭發(fā)生:
·調(diào)整掃速;
·采用自動(dòng)設(shè)置(Autoset);
·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測(cè)方式,因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值,而峰值檢測(cè)方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找zui大zui小值,這兩種方法都能檢測(cè)到較快的信號(hào)變化?! ?/div>
·如果示波器有Insta Vu采集方式,可以選用,因?yàn)檫@種方式采集波形速度快,用這種方法顯示的波形類(lèi)似于用模擬示波器顯示的波形?! ?/span>
2.采樣速率與t/div的關(guān)系
每臺(tái)數(shù)字示波器的zui大采樣速率是一個(gè)定值。但是,在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div,采樣速率fs由下式給出:
fs=N/(t/div) N為每格采樣點(diǎn)
當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí),fs與t/div成反比,掃速越大,采樣速率越低。
使用數(shù)字示波器時(shí),為了避免混迭,掃速檔置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,掃速檔則置于主掃速較慢的位置。
數(shù)字示波器的上升時(shí)間
在模擬示波器中,上升時(shí)間是示波器的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中,上升時(shí)間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測(cè)量方法的原因,以致于自動(dòng)測(cè)量出的上升時(shí)間不僅與采樣點(diǎn)的位置相關(guān)。雖然波形的上升時(shí)間是一個(gè)定值,而用數(shù)字示波器測(cè)量出來(lái)的結(jié)果卻因?yàn)閽咚俨煌嗖钌踹h(yuǎn)。模擬示波器的上升時(shí)間與掃速無(wú)關(guān),而數(shù)字示波器的上升時(shí)間不僅與掃速有關(guān),還與采樣點(diǎn)的位置有關(guān),使用數(shù)字示波器時(shí),我們不能象用模擬示波器那樣,根據(jù)測(cè)出的時(shí)間來(lái)反推出信號(hào)的上升時(shí)間。
數(shù)字示波器優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)
1.體積小、重量輕,便于攜帶,液晶顯示器
2.可以長(zhǎng)期貯存波形,并可以對(duì)存儲(chǔ)的波形進(jìn)行放大等多種操作和分析
3.特別適合測(cè)量單次和低頻信號(hào),測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)沒(méi)有模擬示波器的閃爍現(xiàn)象
4.更多的觸發(fā)方式,除了模擬示波器不具備的預(yù)觸發(fā),還有邏輯觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等
5.可以通過(guò)GPIB、RS232、USB接口同計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀連接,可以打印、存檔、分析文件
6.有強(qiáng)大的波形處理能力,能自動(dòng)測(cè)量頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等很多參數(shù)
缺點(diǎn)
1.失真比較大,由于數(shù)字示波器是通過(guò)對(duì)波形采樣來(lái)顯示,采樣點(diǎn)數(shù)越少失真越大,通常在水平方向有512個(gè)采樣點(diǎn),受到zui大采樣速率的限制,在zui快掃描速度及其附近采樣點(diǎn)更少,因此高速時(shí)失真更大。
2.測(cè)量復(fù)雜信號(hào)能力差,由于數(shù)字示波器的采樣點(diǎn)數(shù)有限以及沒(méi)有亮度的變化,使得很多波形細(xì)節(jié)信息無(wú)法顯示出來(lái),雖然有些可能具有兩個(gè)或多個(gè)亮度層次,但這只是相對(duì)意義上的區(qū)別,再加上示波器有限的顯示分辨率,使它仍然不能重現(xiàn)模擬顯示的效果?! ?/div>
3.可能出現(xiàn)假象和混淆波形,當(dāng)采樣時(shí)鐘頻率低于信號(hào)頻率時(shí),顯示出的波形可能不是實(shí)際的頻率和幅值。數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān),取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算,容易出現(xiàn)混淆波形。