示波器的模拟带宽和速率

采样率是数字上的，每秒采样多少个样点。 而带宽则是模拟上的，能够测试信号频率的范围。 如果一个 ADC 的采样频率为 5G，但是前面搞一个 100M 的低通滤波器，那采样 率就是 5G，带宽就是 100M 了。 带宽反映了这个示波器能够测试的频率范围，如果超过这个频率范围，就不准 确了。 但是有一条最基本的原则：采样频率不得低于信号带宽的 2 倍。采样率理论上需要满足农效香采样定律，即被测信号的最高频率信号的每个周期理论上至少需要采 2 个点，否则会造成混叠。但是在实际上还取决于很多其它的因素，比如波形的重构算法等，Siglent 系列示波器采用先进的波形重构算法同时配备有插值算法，精确重构波形。一般来说采样率是带宽的 4－5 倍就可以比较准确地再现波形带宽与采样率示波器的带宽 （BW） 直接表现出它所能测量信号的最小上升时间 ， （Tr） 它们之间的关系为：BW0.35/Tr。示波器上标称的采样率都为实时采样率，采样率跟带宽一般没直接关系。对带宽为 60M 的示波器，它能测量的最小上升时间约为 6ns。频率为 1M 的信号其上升沿也可做到只有 200ps， 拿这个示波器来测量这个信号的话其上升沿的测量值将大于 6ns（探头有‘损耗’），严重失真。对常规信号来说，示波器带宽与所测信号频率之间的关系满足三倍（精度90） 或者五倍（精度 97）原则，对三倍原则 60M 带宽示波器所能测量的最大频率为 20M。示波器知识 100 问1． 对一个已设计完成的产品，如何用示波器经行检测分析其可靠性？答： 示波器早已成为检测电子线路最有效的工具之一，通过观察线路关键节点的电压电流波形可以直观地检查线路工作是否正常，验证设计是否恰当。这对提高可靠性极有帮助。当然对波形的正确分析判断有赖于工程师自身的经验。2． 决定示波器探头价格的主要因素是什么？答：示波器的探头有非常多的种类，不同的性能，比如高压，差分，有源高速探头等等，价格也从几百人民币到接近一万美元。价格的主要决定因素当然是带宽和功能。探头是示波器接触电路的部分，好的探头可以提供测试需要的保真度。为做到这一点，即使无源探头，内部也必须有非常多的无源器件补偿电路RC 网络。3． 一般的示波器探头的使用寿命有多长时间？探头需不需要定期的标定？答：示波器的探头寿命不好说，取决于使用环境和方法。标准对于探头没有明确的计量规定，但是对于无源探头，至少在更换探头，探头交换通道的时候，必须进行探头补偿调整。所有有源探头在使用前应该有至少 20 分钟的预热，有的有源探头和电流探头需要进行零点漂移调整。4． 什么是示波器的实时采样率？答：实时采样率是指示波器一次采集一次触发采样间隔的倒数。据了解，目前业界的最高水平是四个通道同时使用。5． 什么是示波器的等效时间采样？答：等效时间采样指的是示波器把多次采集多次触发采集到的波形拼凑成一个波形，每次采样速率可能很慢，两次采集触发点有一定的偏移，最后形成的两个点间的最小采样间隔的倒数称为等效采样速率。其指标可以达到很高，如 1ps。6． 什么是功率因数？如何如何测量？答： 功率因数：在直流电路里，电压乘电流就是有功功率。但在交流电路里，电压乘电流是视在功率，而能起到作功的一部分功率（即有功功率）将小于视在功率。有功功率与视在功率之比叫做功率因数，以 COSΦ 表示，其实最简单的测量方式就是测量电压与电流之间的相位差，得出的结果就是功率因数。7． 如何表达和测试功率密度？答：功率密度就是单位体积里的功率，一般电源里用 W/in3。8．有无办法利用示波器测出高频变压器或电感磁芯的工作情况？答：TEK 推出的功率测试方案里就有一项功能——B-H 曲线的分析，它能反应磁芯的工作状态，还能测出动态电感值，并得出磁芯损耗。9． 开关电源的噪声有多种如布线不合理引起的交叉干扰、电感漏磁、二极管反向尖峰...等引起噪声，如何用示波器鉴别？答：TEK 的 TDS5000 示波器上有频域分析、分析噪声的频率段就能分析出噪声的种类，才好用相应的处理方法。示波器只能提供数据分析和波段形显示。10． 用示波器怎样可以测试到开头电源的幅射？答： 开关电源存在幅射干扰，一般做法是设法探出干扰源，然后再去屏蔽它。用示波器可以傅立叶变换的功能分析其频率成份构成，根据频率范围，从而判断干扰的种类。11． 在反激式电源设计过程当中，经常会因为变压器漏感大，而使变压器的转换效率降低，绕制时采用初级中间夹绕次级的方式仍然不大理想。变压器绕制有什么技巧吗？答：将大功率的输出绕组绕在里面，尽量靠近原边，加强偶合。12． 有没有能分析开关损耗的示波器？答：泰克的电源测试系统即 TDS5000 系列数字荧光示波器加上 TDSPWR2 功率分析软件就可以轻松的分析开关损耗以及每周期的功率损耗甚至包括 RDS ON。13． 示波器能否进行傅立叶分解？答： 现代数字示波器大多具有 FFT 功能，其中上述系统甚至可以按 EN61000－3－2 标准对电流谐波进行预测试。14． 示波器能否进行滤波处理？如对 PWM 波进行低通滤波？答：TDS5000 可以进行 20MHz，150MHz 低通滤波，还可以进行一种称之为高分辨率采集的数字低通滤波，在此种模式中采样点的垂直分辨率可从 8bits 提高到 12bits，上述系统可以输出像比如 PWM 这样的信号按照脉宽变化的趋势的类似正弦波波形。15． 使用数字示波器时，对 B 触发和触发电平的设置与被测信号有什么原则？答：泰克的示波器支持 AB trigger 功能，简单说就是可以双事件序列触发，当选择 A-B seq 时，A 事件作为主触发，配合 B 事件捕获复杂的波形。触发方法为 A 事件 arm 触发系统，当定义的 B 事件出现时在 B 事件处触发。具体详细的触发说明，请参考示波器的手册。16． 如何用 TDS3052B 测量载波频率为几十 K，调制波频率为电源频率的已调波的最大值？答：工频输入可能为低频的 50Hz/60Hz，同时载波为几十 K，一个工频周期为 20ms 左右，如果示波器需要观测 20ms 信号，即示波器的 duration 采集窗口至少为 2ms/div ×10 格，同时根据几十 k 的载波信号，确定示波器的采样率。最后可以估算出需要的采集内存长度，判断是否能够满足测试要求。17． 使用一台标称 100MHz 的 DSO 示波器，测量一个高频开关幅值 400V，f50M，示波器如何描绘出它的波形和上升时间？答：① 示波器的带宽是以正弦波幅度衰减－3dB 点为带宽定义的。② 数字示波器中对于波形和上升时间的描绘都是通过实时采样电路和高速 A/D 变换器获得波形数据，再通过插值运算得到的。③ 在泰克的示波器中，有实时的处理电路完成所谓的正弦内插功能，在信号采集电路部分完成。当然，很多示波器也是通过示波器的主处理器进行数学 运算完成的，这个时候会花比较多的时间。④ 对于您测量的信号，恐怕使用 100MHz 的示波器是无法进行。50MHz 的方波，理论上应该使用 450MHz 以上的示波器才能将信号中最重要的 9 次以下谐波准确重新，从而保证波形不失真。更何况，您恐怕还要考虑信号上升时间的问题，理论上，示波器的上升时间应该比信号快 5 倍以上。⑤ 探头也一样，由于普通探头在测量高压的时候会产生高频失真的效应，您应该采用特别的差分探头或者高压探头比如，泰克的 P5205，P5100 进行测量。18． 如何在模拟电路用好数字示波器，比如测音频放大器的小信号，电源的杂波等？答：要注意的问题有：① 示波器的接地问题，示波器的机壳和探头的参考地线都是连接地线的，因此良好的接地是测量干扰的首要条件。② 示波器参考地线引入的干扰问题，由于普通探头通常都有一段接地线，会与待测点构成一个类似环形天线的干扰路径，引入比较大的干扰，因此要尽量减少这一干扰，可以采用的方法是将探头帽拿掉，不使用探头上引出的地线，而直接使用探头尖端和 探头内的地点接触待测点进行测量。③ 使用差分测量的方法，消除共模噪声。泰克提供一系列的差分探头，比如专门针对小信号的 ADA400A 可以测量到几百微伏，用于高速信号测量的 P7350 提供高达 5GHz 的带宽。④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集（Hi-Res）的信号捕获模式，可以过滤信号上叠加的随机噪声。19． 在测量离板信号线的传导骚扰时，发现在两个特定频点（一个是 659K 另一个是 1.977K）上由两个很大的噪声信号。初步分析是由于板上的开关电源芯片引起的，如何使用示波器测量这样的噪声信号？答：示波器可以测试噪声信号有几个考虑的因素：① 被测信号的幅度，是否为小信号， 示波器配合探头可以测试 uA级的信号。② 被测信号的频率。③ 探头的连接方式不当会产生噪声，影响测试结果。20． 在用泰克的示波器时，如何理解 Holdoff 这个参数？答：Holdoff（触发释抑）的含义是暂时将示波器的触发电路封闭一段时间（即释抑时间），在这段时间内，即使有满足触发条件的信号波形点示波器也不会触发。在数字示波器中也会用百分比来表示，意义是整个记录长度或者整个屏幕的百分比。示波器的触发部分的作用就是稳定的显示波形，触发释抑也是为了稳定显示波形而设置的功能。主要针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的。比如图中所示，图中红色的点都可以满足触发条件，如果不用释抑功能，触发点将不固定，造成显示不稳定，使用触发释抑后，每次都在同一个点触发，因此可以稳定显示。此外，对于调幅信号等也一样要使用触发释抑。详情请参见泰克文章《示波器 XYZ》。30． TDS3032B 的带宽是 300MHz，采样频率为 2.5G/s，采样频率为带宽的 8 倍。请问带宽和采样频率之间有什么固定关系？我们也有一款其它厂家的示波器，带宽 100MHz、采样频率只有 200MHz。为什么两个示波器的带宽采样频率比相差这么大？答：带宽是示波器最重要的指标，因为在数字示波器中有 ADC，它的采样率理论上需要满足 Nyquist 采样定律，即被测信号的最高频率信号的每个周期理论上至少需要采 2 个点，否则会造成混叠。但是在实际上还取决于很多其它的因素，比如波形的重构算法等。泰克示波器采用先进的波形重构算法，被测信号的每个周期只需要 2.5 个点就能够重构波形。也有的示波器采用线性插值算法，可能就需要 10个点。一般采样率是带宽的 4－5 倍就可以比较准确地再现波形。泰克的 TDS3000B 系列是“实时采样”示波器，即，它的单次带宽（捕获单次信号的能力）＝重复带宽，您所说的另一种示波器的单次带宽显然不到 100MHz，您可以看一下它的指标。31． 示波器指标中的带宽如何理解？答：带宽是示波器的基本指标，和放大器带宽的定义一样，是所谓的－3dB 点，即，在示波器的输入加正弦波，幅度衰减为实际幅度的70.7时的频率点称为带宽。也就是说，使用 100MHz 带宽的示波器测量 1V，100MHz 的正弦波，得到的幅度只有 0.707V。这还只是正弦波的情形。因此，我们在选择示波器的时候，为达到一定的测量精度，应该选择信号最高频率 5 倍的带宽。32． 测量系统的总带宽如何获得？答：测量系统的总带宽＝0.35/上升时间1GHz 以下示波器。33． 在带宽一定的条件下，采样频率太大是否也没有太大的意义？答：带宽是限制被测信号高频分量被捕获的基本条件。使用泰克的示波器每个被测信号周期只需 2.5 个点就能够最大限度的重构波形。其它一些示波器需要大于 4 个样点/周期， 100MHZ 带宽示波器单次采集至少需要 400MS/s 的采样率， 即 有些示波器甚至需要 10 个点（线性内插技术）才能保证采集信号有意义。34． 所谓高斯响应示波器和平坦响应示波器各有何优缺点和适合的领域？答：在示波器的规范中并没有平坦相应和高斯相应的指标。在示波器中会出现类似的比较或探讨，可能有如下原因：众所周知，示波器是时域的仪器，从泰克发明第一台可触发的模拟示波器以来，示波器的带宽一直是最重要的指标，它是指示波器内部的前置放大器的模拟带宽。但是，示波器带宽的定义却是频域的定义，即正弦波幅度衰减到-3dB 点时的频率点。一个复杂高速信号含有丰富的频谱分量，如果需要精确测量信号，必须知道它们的每一个频谱分量的幅度和相位，所以示波器的幅频特性和相频特性非常重要。从最近几年的发展来看， 从泰克 2000 年推出 TDS7000 4GHZ 带宽示波器， 目前数字示波器的带宽越做越高， 2001 年推出 TDS6000 6GHZ带宽示波器， 2003 年推出 TDS7704B 7GHZ 带宽示波器，到最近 TDS6804B 8GHZ 带宽示波器，带宽几乎每年都在提升。当示波器带宽到达几个 GHZ 时，前置放大器作为模拟器件，保证良好的幅频和相频特性越来越难，泰克是掌握这一最关键技术的唯一公司。有些厂商无法做到，就不得不采用其它的一些方法来修补模拟器件带宽的不足，获得更高的带宽，频响曲线自然发生变化。随着目前各种高速信号越来越多，信号速率越来越快，对实时示波器提出了新的要求，示波器厂商的数字示波器中也出现了一些新的技术，最显著的是示波器通过数字信号处理技术（DSP）来得到更好的性能。DSP 就在数字示波器主要应用包括： 增强带宽 更快的上升时间 增益和波形校准与改善 幅度和相位的改善 光参考接收机归一化其中泰克的第三代示波器（DPO）就是 DSP 技术的最好体现。合理的利用 DSP 可以提升示波器测试的信号保真度。但是，DSP 技术的使用会是每一个示波器的使用者产生迷惑，特别是在“带宽是否可以通过 DSP 可以提升”，“示波器的带宽是模拟带宽，和 DSP 技术有何关系”，“当前的示波器带宽到底是模拟带宽还是 DSP 带宽？”“DSP 技术带来的负面效应是什么？”在泰克最新的 TDS6804B 8GHZ 带宽的示波器中的模拟带宽是 7GHZ，通过 DSP 增强后的带宽是 8GHZ，为了保证每一个测试人员对这两种方式的理解， TDS6804B 中可以打开和关闭 DSP 的带宽增强功能。 在 泰克将 DSP 增强带宽带来的优点和问题告诉每一个测试人员，帮助测试人员理解模拟带宽和 DSP 增强带宽的测试结果，更好的进行高速信号测试。35． 除高斯响应示波器和平坦响应示波器之外，还有基于其它响应的示波器吗？答：示波器前置放大器的频响特性是决定测试结果的最关键因素，它由模拟器件决定。关键在于用何种方法来获得足够的频响。36． 以前在用 TDS744TDS745 等示波器时，使用的是无源探头如 P6139A带宽 500M。在购买了有源探头P6237之后 从测试波形来看特别是测高频信号时两者的测试结果差异较大. 从探头参数得知 有源探头的输入电容lt1pF而无源探头则为 10pF 左右. 这样看来应该是有源探头的测试结果更能反映信号真实的情况. 既然无源探头对高频信号衰减很大 那么 500M 的带宽有什么意义呢 如何根据测试情况来选择使用有源或无源探头？答：您的 P6139A 探头加上泰克的 500MHz 示波器典型带宽值还是可以达到 500MHz，但是正如您所说，其输入电容不同，这一电容将产生对于待测信号的负载效应，造成信号振铃，形状发生改变，因此这个时候使用有源探头时能反映信号的真实情况。实际上，使用探头不光要考虑带宽，所有这些因素我们在测量高频信号的时候都要考虑： 带宽/上升时间 动态范围 负载效应 接地效应 共振效应尤其 P6139A 时您还要考虑地线的影响，探头上的接地线也会带来振铃，测量高频信号的时候应该尽量缩短地线的长度。另外，您使用的 P6247 是有源差分探头，共模的影响也可能是一个因素。选择无源探头主要是因为其动态范围大，比如 P6139A 可以测量从毫伏到几百伏的信号，而 P6247 只能测量＋－8.5V 的信号。另外有源探头价格也是一个因素。37． 实验时，示波器接地线后，导致 MOsfet 炸掉，现在将示波器都剪掉了地线。这是什么原因？答：为保证测试中的人身安全以及获得良好的测量效果，一般示波器的所有探头的地线都与机壳连接在一起，并连接到示波器电源线的地线。因此，您在电源中测量 MOSFET 管波形的时候，如果其中任何一个点都不是地，就会产生问题，如下图所示。剪断地线可以防止对 MOSFET 管测试中的短路问题，但是也会带来一些其它的测试问题，比如示波器机壳带电，示波器机壳分布参数对测量信号造成影响等。解决的办法是使用差分探头，比如泰克的 P5205，可以测量所谓的 2 个测试点都不是地的差分信号。38． 用示波器抓取数据时，发现存储的文本里只有当前屏幕的数据，且是按照 resolution 为时间间隔的。如何利用软件实时处理数据（matlab），如何抓到更多数据？答：泰克示波器采用压缩屏幕的显示风格，即屏幕显示的波形为采集下来的所有数据，配合 TDS5000B 的 multiViewZoom 功能，可以方便显示所有波形。泰克 TDS5000B，TDS6000，TDS7000B，TDS8000B 系列示波器都采用完全开放的 WINDOWS 平台，支持当前所有的流行工具，象Matlab，LabView，VB，VC，.NET，MicroSoft Office VBA 等等，可以灵活进行数据分析和处理。这些分析工具还可以直接安装在示波器里面，构成一台集数据采集，分析，显示，处理的仪器。 单次采集更多的数据，需要示波器配备更深的存储深度，象 TDS5000B 系列通用示波器可以支持到 16M 内存。39． 影响示波器工作速度的因素有哪些？答：实际上任何一台示波器的原理都差不多，前端是数据采集系统，后端是计算机处理。影响速度主要有两方面，一是从前端数采到后端处理的数据传输，一般都是用 PCI 总线，此乃传输瓶颈 但已有新技术可以突破；另一个是后端的处理方式，提高处理速度可以通过数据分包共享来实现。40． 我们的应用通常会捕获 2M 甚至更多的数据进行分析 且采样率通常会高达 10GS/S 但在进行参数测试和 FFT 等分析时总是显得很慢 为什么？答：处理的数据量大，速度自然会慢。要想获得大数据量的高速实时 FFT 分析，除非采用专用 FFT 处理器，但成本较高。41． 使用泰克的 TDS2014 数字示波器抓一个并口的时序时，总能测到能量很强的 50Hz 交流，而测不到信号，但是示波器的地和所测并口的地是一致的，怎么办？答：可以从以下几方面入手：① 检查示波器是否很好的接地或采用隔离变压器隔离；② 附近是否有较强 50Hz 信号感应；③ 在较强干扰环境下，应注意并口的驱动能力及工作频率与测试操作选择是否合适。若只看到 50Hz 干扰正弦波，且波形较规则，则应考虑并口可能未工作；④ 检查一下探头尖是否损坏了；⑤ 建议把用不着的外设都拨掉，也有可能从显示器上来的；⑥ 如果示波器用了很久，就要考虑底线是否正常，就是那个小夹子。 把探头取下，用万用表量一量。42． 要解决抗电源干扰问题，想测量总电源的干扰信号串入到弱信号放大器电源的情形。结果，即使示波器探头和地连在一起，都有干扰信号，不管测哪里都一样。干扰信号是音频。这是为什么？答：要注意的问题有：① 示波器的接地问题，示波器的机壳和探头的参考地线都是连接地线的，因此良好的接地是测量干扰的首要条件；② 示波器参考地线引入的干扰问题，由于普通探头通常都有一段接地线，会与待测点构成一个类似环形天线的干扰路径，引入比较大的干扰，因此要尽量减少这一干扰，可以采用的方法是将探头帽拿掉，不使用探头上引出的地线，而直接使用探头尖端和探头内的地点接触待测点进行测量；③ 使用差分测量的方法，消除共模噪声。泰克提供一系列的差分探头，比如专门针对小信号的 ADA400A 可以测量到几百微伏，用于高速信号测量的 P7350 提供高达 5GHz 的带宽；④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集（Hi-Res）的信号捕获模式，可以过滤信号上叠加的随机噪声。43． 在 EMC 试验中有时候会出现指示表短暂的指示消失现象，使用示波器进行检测，发现试验过程中示波器有屏幕整个晃动的现象。试验的项目是 EFT（瞬变脉冲串抗扰度试验），如何解释和怎样在试验中消除这种现象？答：EFT 有时会对示波器造成干扰，造成误触发，可尝试使用示波器的高频抑制触发模式，限制示波器带宽等办法。44． 为什么示波器有时候抓不到经过放大后的电流信号？答：如果信号的确存在，但示波器有时能抓到，有时抓不到，这可能和示波器的设置有关系。通常若您可将示波器触发模式设置成 Normal 触发条件设置成边沿触发，并将触发电平调到适当值，然后将扫描方式设置成单次方式，如果这种方式还不行，通常仪器可能出了问题。45． 新型数字示波器怎样用于单片机开发呢？答：单片机电路开发过程中，一般来讲所用的元件和芯片本身都没有问题，有问题的往往是他们之间相互通信和预想的不同，单片机中，常见的总线是 SPII2CUSBLINCAN 54621A 和 54621D 示波器本身支持串行信号的触发功能，可直接调试串行总线上的通信情况，另外，若您使用 DSP 结合 MCU 开发电路板，可能牵涉到软硬件联调，这时您可以用 54621D 的数字逻辑通道连接到控制线或数据、地址线上，借以判断在特定的操作条件或子程序运行下，电路是否能正常工作。而且其每通道 2M 点的存储深度非常有助于分析问题的原因，观察长时间的.