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【505】选择基础示波器的 10 个因素

2016-10-23  Nora书阁

基础示波器是获得信号,调试电路或检查信号质量的窗口。它们一般拥有50
MHz ~ 200 MHz 的带宽,几乎用于每个设计实验室、教育实验室、服务中心
和制造车间中。


示波器是设计、制造或维修电子设备的任何人使用的基础工具。数字存储示波器( 简写为DSO) 采集和存储波形。波形显示信号的电压和频率,而不管信号是否失真,不管信号之间的定时,也不管信号中有多少噪声,等等。





第1因素:带宽


带宽是指正弦波输入信号衰减到实际幅度70.7% 时的频率(-3 dB 或“一半功率”点,这里显示的是100 MHz 示波器)。


系统带宽决定着示波器’测量模拟信号的能力。具体地讲,它决定着仪器可以准确测量的最大频率。带宽也是价格的关键决定因素。


1), 例如,100 MHz示波器通常保证在100 MHz时的衰减低于30%。为保证幅度精度好于2%,输入应低于20 MHz。


2), 对数字信号,测量上升时间和下降时间是关键。带宽及采样率决定着示波器可以测量的最小上升时间。


3), 探头和示波器构成了拥有整体带宽的测量系统。使用低带宽探头会降低整体带宽,所以一定要使用与示波器配套的探头。


在选择带宽时,可以使用“五倍法则


示波器带宽 ≥ 5 x 关心的最大频率。如果带宽太低,示波器将不能分辨高频变化。幅度将会失真,边沿会降慢,细节会丢失。


第2因素:采样率


示波器的采样率与摄像机的帧速率类似,决定着示波器可以捕获多少波形细节。
1), 采样率( 样点/ 秒,S/s) 是示波器对信号采样的频次。我们再次推荐“五倍法则”:使用的采样率至少是电路最高频率成分的5 倍。


2), 大多数基础示波器的( 最大) 采样率是1 ~ 2 GS/s。记住,基础示波器的带宽最高200MHz,因此示波器设计人员通常会在最大带宽下构建5 ~ 10 倍的过采样率。


3), 采样速度越快,您丢失的信息越少,示波器越能更好地表示被测信号,当然填充内存的速度也越快,这会限制您能够捕获的数据的时间长度。


准确地重建信号既取决于采样率,也取决于采用的插补方法。线性插补把样点连成一条直线,但这种方法只能重建边沿平直的信号。Sin(x)/x 插补采用正弦函数,填充实际样点之间的时间。它本身适用于曲线形的不规则的信号形状,这些信号形状比纯方波和脉冲要常见得多。因此,大多数应用首选使用sin(x)/x 插补。


内奎斯特指出,信号的采样速度至少是其最高频率成分的两倍,才能准确重建信号,避免失真( 采样不足)。但是,内奎斯特是绝对最小值,只适用于正弦波,并假设信号是连续信号。根据定义,毛刺并不是连续的,因此采样率仅为最高频率成分的速率的两倍是不够的。


大多数入门级示波器的采样率是1~2GS/S,如果要查看的频率在200MHz以上,那么最好使用性更更高的示波器。


第3因素:足够的输入通道 —以及适当的通道数量


数字示波器对模拟通道采样,存储和显示数据。一般说来,通道数量越多越好,但增加通道也会抬高价格。


1), 选择2 条模拟通道还是4 条模拟通道取决于应用。例如,两条通道可以把器件的输入与其输出进行对比。四条模拟通道可以比较更多的信号,您可以更灵活地在数学上组合更多的通道( 例如,相乘得功率,相减得差分信号)。


2), 混合信号示波器增加了数字定时通道,指明高低状态,可以一起显示为一个总线波形。不管选择什么,所有通道都应有良好的量程、线性度、增益精度、平坦度和抗静电能力。


3), 某些仪器在不同通道之间共享采样系统,以节约成本。但要注意,打开的通道数量会降低采样率。


第4因素:兼容的探头


在探头方面提出的问题:您打算测量电压、电流还是两者都要测量?您的信号频率是多少?幅度有多大?您是否需可以差分方式测量信号?您要怎样才能确定自己所需的探头?


良好的测量从探头尖端开始。示波器和探头作为一个整体系统工作,因此在选择示波器时一定要考虑探头。


1), 在测量过程中,探头实际上成为了电路的一部分,引入了阻性、容性和感性负载,会对测量发出预警。为最大限度地减少影响,最好使用为示波器配套设计的探头。


2), 应选择拥有足够带宽的无源探头。探头的带宽应与示波器的带宽相匹配。


3), 各种兼容探头可以在更多的应用中使用示波器。在购买前,应查看为示波器提供了哪些探头。


使用适合作业的探头:


无源探头:10X衰减的探头为电路提供受控的阻抗和电容,适合大多数参考地电平的测量。大多数示波器都带有无源探头,每条输入通道需要一只无源探头。


高压差分探头:差分探头允许参考地电平的示波器获得安全准确的浮动测量和差分测量。每个实验室至少应该有一只高压差分探头!


逻辑探头:逻辑探头把数字信号传送到混合信号示波器的前端。它们包括“飞线”及专门设计的附件,连接电路板上很小的测试点。


电流探头:通过增加电流探头,示波器当然可以测量电流,同时还能计算和显示瞬时功率。


第5因素:触发


触发提供了稳定的显示画面,可以放大复杂波形中的具体部分。触发功能在信号的适当点上同步水平扫描,而不只是在当前轨迹恰好完成的点上开始下一个轨迹。一个触发会同时采集所有输入通道。


1), 所有示波器都提供边沿触发,大多数示波器提供脉宽触发。


2), 为采集异常事件及最有效地利用示波器的记录长度,选择的示波器应在比较有挑战性的信号上提供高级触发功能。


3), 提供的触发选项范围越宽,示波器的功能越多,找到问题根本原因的速度也就越快!
- 数字/ 脉冲触发:脉宽,欠幅脉冲,上升/ 下降时间,建立时间和保持时间
- 逻辑触发
- 串行数据触发:嵌入式系统设计同时采用串行总线(I2C, SPI,CAN/LIN…) 和并行总线
- 视频触发


第6因素:记录长度


记录长度是一条完整的波形记录中的点数。示波器只能存储数量有限的样
点,因此一般来说,记录长度越大越好。

由于示波器只能存储数量有限的样点,因此波形持续时长( 时间) 与示波器的
采样率成反比。


时间间隔= 记录长度 /采样率


捕获的时间= 记录长度/ 采样率



1), 捕获的时间= 记录长度/ 采样率,因此如果记录长度为1 M点,采样率
为250 MS/s,那么示波器捕获的时间长度为4 ms。


2), 当今示波器可以选择记录长度,优化应用所需的细节水平。


3), 优秀的基础示波器将存储超过2,000点,对稳定的正弦波信号来说绝对
足够了( 可能需要500 点)。但如果想找到复杂的数字数据流中定时异常
的原因,应考虑1 M 点以上的记录长度。


4), 缩放和卷动可以放大关心的事件,在时间上向前或向后卷动区域。


5), 搜索和标记可以搜索整个采集数据,自动标记用户指定事件发生的每个
时点。


拥有几百万点记录长度的示波器可以显示几屏的信号活动,这对考察复杂
波形至关重要。长记录长度可以查看长时间窗口,可以以良好的分辨率放大
查看信号细节。


第7因素:自动测量和分析


自动测量波形可以更简便地获得准确的数字读数。自动测量功能显示为屏幕上的数字字母读数,要比直接格线插补更准确。


■■大多数示波器提供了前面板按钮和/ 或基于屏幕的菜单,可以获得准确的自动测量。
■■大多数示波器上的基础选项包括幅度、周期和上升/下降时间。许多数字示波器还提供了中间值和RMS 计算、占空比和其他数学运算。
■■测量“选通”可以确定计算波形使用的波形段。
■■通道数学功能可以加、减、乘波形。使用波形乘法,电压和电流相乘得功率。使用减法,可以得到近似的差分测量。
■■快速傅立叶变换(FFT)功能可以查看采集的波形的频谱。


第8因素:操作简单


许多人并不是每天都使用示波器。通过直观的控件,偶尔使用的用户使用示波器时也会感觉很舒适;全职用户则可以更方便地使用高级功能。许多示波器是便携式的,既可以用于实验室,也可以用于现场。


示波器应操作简便,即使是对偶尔使用的用户。用户界面在计算“所需信息”方面会占大量的时间。


第9因素:连接能力


把示波器直接连接到计算机上,或通过便携式媒体传送数据,可以实现高级分析,简化存档及共享结果的过程。


标准接口可能包括USB、以太网、GPIB、Wi-Fi 或RS-232。USB 是目前最流行的接口,因此大多数电脑上标配USB 接口,使用起来非常方便。以太网的电气功能非常强大,可以通过互联网实现远程连接。


各种接口可以把示波器与工作环境其余部分整合起来:
■■ USB 主控端口:迅速简便地存储数据、打印及连接USB键盘
■■ USB 设备端口,简便地连接PC 或直接打印到打印机
■■以太网端口用于联网,外加兼容软件用来截屏、捕获波形数据和测量结果
■■视频端口把示波器显示画面导出到监视器或投影仪上
■■ Wi-Fi支持无需敷设电缆即可与示波器通信


第10因素:串行总线解码


大多数系统级( 计算机到计算机) 通信是通过串行数据链路传送的。即使在当
今电路板上,大部分芯片到芯片数据也是通过串行总线传送的。


■■某些示波器能够解码串行总线,以时间相关的方式与其他波形一起显示数据。与手动解码相比,自动解码耗费的时间要短得多,也更不容易发生错误。
■■解码芯片到芯片总线,如I2C 和SPI,有助于更完整地查看电路板。
■■解码后的RS-232/UART 或CAN/LIN 可以查看系统级通信。
■■除解码外,某些示波器还能够触发和搜索串行数据值。这些功能有助于加快
调试速度。


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