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安捷伦示波器学习总结 Eli liu日期 2014 09 03 一 示波器基本原理二 示波器关键技术指标三 安捷伦示波器的使用四 示波器的触发系统 目录 一 示波器的基本原理 1 数字存储示波器 数字存储示波器 DSO 是基于奈奎斯特取样定理 以数字编码的形式来量化和贮存信号 它利用A D变换器把模拟信号转换成数字信号并存储在半导体存储器RAM中 然后将这些数据送入数字信号处理器 如DSP 中进行相关的处理与运算 从而获得所需的各种信号参数 这样就可以可对被测信号进行实时的 瞬态的分析 以便用户了解信号质量 快速准确地进行故障的诊断 因数字存储示波器采用实时采样并存储波形数据 所以它不仅可以观测周期性重复信号 而且也能够观测非周期的单次的或随机的信号 一 示波器的基本原理 2 数字存储示波器原理框图 被测信号进入数字示波器后 首先送到模拟信号调理通道 经模拟通道运放后送到ADC器件 ADC转换器将输入端的信号转换成相应的数字信号并缓存到高速存储器中 存储器中的数据用来在示波器屏幕上重建信号波形 信号处理器利用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算 如FFT 插值和滤波等 最后将波形送到屏幕上去显示 完成一次采集过程 一 示波器的基本原理 3 数字存储示波器的分类 数字存储示波器的分类方式有多种 按采样方式可分为实时采样示波器和等效采样示波器 如图所示为实时采样示意图 一 示波器的基本原理 3 数字存储示波器的分类 如图所示为等效采样中的随机采样示意图 二 示波器的关键技术指标 1 采样率 采样率是指示波器采样系统对待测信号的采集速率 常用每秒的取样点Sa s sample second 来表示 即每秒采集的点数 在衡量一个示波器时 往往都使用示波器的最高采样率来表示示波器的性能 采样率表征了示波器对待测信号的数字化能力 采样率越高 代表示波器采集到的信息越完整 显示在LCD上的波形也就越接近原始波形 如实验室中所用的MSO6054A示波器其采样率可达到4GSa s 二 示波器的关键技术指标 2 带宽 带宽是指整个示波器系统能够采集信号的频率范围 通常情况下只考虑带宽的上限 当高于这个最高带宽时 采集的信号就会失真 采样的数据就会不准确 难以恢复信号波形 因此对示波器带宽的定义就是对正弦信号衰减约为 3dB时的信号频率就是示波器的带宽 对于模拟信号 待测信号的最高频率分量决定了其是否能被正确采集 而对于数字信号则是由信号的上升时间决定的 如实验室中所用的MSO6054A示波器其带宽为500MHz 二 示波器的关键技术指标 2 带宽 示波器必须有足够的带宽来减少测量的误差 尽量避免在示波器的 3dB频率附近测量信号 因为在 3dB处正弦信号的衰减已经为30 如100M的示波器测量100M的正弦信号时的误差高达30 若实际测量中为了保证测量的误差在3 以内 示波器只能测量其带宽的30 频率处 即如果是100M的示波器只能测量30M的正弦信号才能保证测量误差在3 以内 如果测量误差需要控制在1 就需要示波器带宽高于信号五倍的带宽才行 二 示波器的关键技术指标 3 分辨率 在数字存储示波器中 屏幕上的点不是连续的而是 量化 的 分辨率反映存储信号波形细节的综合特性 它又包括了垂直分辨率 电压分辨率 和水平分辨率 时间分辨率 垂直分辨率与A D转换器的分辨率相对应 水平分辨率由存储器的容量来决定 如实验室中所用的MSO6054A示波器其垂直分辨率为8位 水平分辨率为2 5ps 二 示波器的关键技术指标 3 分辨率 下图所示为垂直分辨率对示波器显示波形的影响 二 示波器的关键技术指标 4 存储深度 存储容量通常定义为获取波形的取样点的数目 用直接存放A D变换后数据的获取存储器的存储单元数来表示 在数字存储示波器内 记录时间 取样速率以及存储深度三者之间的关系 可以用下面的公式来表示 由上式得知 若两台示波器以同样的取样速率工作 则存储深度较深的示波器可以记录更长时间的波形信息 存储深度还与波形的缩放能力有关 若示波器的存储深度不够 在水平方向上将信号放大 造成信号的水平分辨率变差 容易造成信号的失真 实验室中所用的MSO6054A示波器存储深度为8Mpts 三 安捷伦示波器的使用 安捷伦示波器 三 安捷伦示波器的使用 1 安捷伦示波器前面板 三 安捷伦示波器的使用 2 安捷伦示波器显示区域参数 三 安捷伦示波器的使用 3 安捷伦示波器探头补偿 使用示波器之前要先校准探头 使其特性与示波器的通道匹配 一个补偿有欠缺的探头可能导致测量错误 补偿探头的过程可作为一种基本测试 检验该示波器工作是否正常 当出现过度补偿和补偿不足时 调节右图所示的示波器探头的补偿电容器 三 安捷伦示波器的使用 4 安捷伦示波器探头分类 示波器的探头分为50欧姆和1M欧姆两种 与50 模式匹配的是50 电缆和一些通常用于高频测量的有源探头 这种阻抗匹配使您能够进行最为精确的测量 因为它将沿信号路径的反射最小化 1M 模式适用于存在多个无源探头的情况 可用于通用测量 高阻抗可降低示波器对被测电路的影响 实验室使用的即为无源探头 阻抗模式为1M 三 安捷伦示波器的使用 5 安捷伦示波器的快速帮助系统 示波器的QuickHelp 快速帮助 系统可提供有关每个前面板键和软键的帮助 使用方法 按下并按住要查看其帮助的键 左图为按住USB触发的软件查看USB触发说明 波形亮度调节 三 安捷伦示波器的使用 6 安捷伦示波器波形亮度调节 可以像操作模拟示波器那样通过改变亮度控制显示信号细节 能看到波形细节的正确电平 数字通道波形亮度是不可调节的 三 安捷伦示波器的使用 7 安捷伦示波器显示网格亮度调节 1 示波器按下Display 显示 键 2 旋转Entry旋钮改变显示网格的亮度 亮度级显示在Grid 网格 软键中 可在0至100 之间调节 三 安捷伦示波器的使用 8 安捷伦示波器 运行和单次采集 当您按下Run Stop键时 它呈绿色亮起 示波器处于连续运行模式 当您再次按下该键时 它呈红色亮起 示波器停止 在较慢扫描速度下 您可能不想等到采集完成 只需再次按下 采集将立即停止 屏幕上将显示部分波形 使用Single键可查看单步事件 而不会被以后的波形数据覆盖显示 当您需要最大采样率和最大存储器深度以平移和缩放和最大存储器深度以平移和缩放时 可使用 单次 三 安捷伦示波器的使用 9 安捷伦示波器 自动定标 Autoscale 设置示波器最简单的方法是将它连接到感兴趣的信号 并按下Autoscale 自动定标 键 三 安捷伦示波器的使用 10 安捷伦示波器 模拟通道的使用 三 安捷伦示波器的使用 10 安捷伦示波器 模拟通道 通道耦合 耦合将通道的输入耦合分为AC 交流 或DC 直流 AC耦合将一个3 5Hz高通滤波器与输入波形串联 以便从波形中消除任何DC偏移电压 DC耦合可用于查看低至0Hz且没有较大DC偏移的波形 AC耦合可用于查看有较大DC偏移的波形 如果通道是DC耦合 只需注意与接地符号的距离 即可快速测量信号的DC分量 如果通道是AC耦合 信号的DC分量被移除 您可以使用更大的灵敏度显示信号的AC分量 三 安捷伦示波器的使用 10 安捷伦示波器 模拟通道 带宽限制 按下BWLimit 带宽限制 软键可关闭或打开所选通道的带宽限制 当打开带宽限制时 对300MHz 500MHz 1GHz型号 最大带宽限制为25MHz 对于频率比这低的波形 打开带宽限制可从波形中消除不需要的的高频噪声 带宽限制也会限制任何BWLimit 带宽限制 已打开的通道的触发信号路径 三 安捷伦示波器的使用 11 安捷伦示波器水平时基设置 按下前面板Horizontal部分中的Menu zoom键 将显示示波器的时基设置 三 安捷伦示波器的使用 11 安捷伦示波器水平时基设置 延时模式 主模式即为打开示波器所见到的显示模式 延时模式如下所示 三 安捷伦示波器的使用 11 安捷伦示波器水平时基设置 XY模式 XY模式将电压 时间显示更改为电压 电压显示 时基已关闭 通道1幅度在X轴上绘制 通道2幅度在Y轴上绘制 您可以使用XY模式比较两个信号的频率和相位关系 XY模式也可用于传感器 显示应力 位移 流量 压力 电压 电流或电压 频率 三 安捷伦示波器的使用 12 安捷伦示波器游标测量 使用前面板Cursors 游标 键 您可以使用游标在信号上测量定制电压或时间 三 安捷伦示波器的使用 12 安捷伦示波器游标测量 三 安捷伦示波器的使用 13 安捷伦示波器标签设置 设置按下前面板上的Label 标签 键 这将打开模拟和数字通道的显示标签 当Label 标签 键变亮时 所显示通道的标签显示在已显示轨迹的左边沿 下图显示标签显示打开时分配的默认标签示例 通道标签默认为它们的通道号 三 安捷伦示波器的使用 14 安捷伦示波器的快速测量 QuickMeas可通过按一个按钮完成4种自动测量 四种测量参数可从如下参数中选取时间测量 计数器 占空比 频率 周期 上升时间 下降时间 宽度 宽度相位 延迟电压测量 平均振幅 基准 最大 最小 峰 峰 RMS 前冲 过冲 三 安捷伦示波器的使用 15 安捷伦示波器数学函数测量 可使用Math 数学 菜单在模拟通道上显示数学函数 可以 减去 或乘以 在模拟通道1和2上采集的信号 然后显示结果 对在任何模拟通道上或数学函数1 2 1 2或1 2上采集的信号求积分 求微分或执行FFT运算 然后显示结果 三 安捷伦示波器的使用 15 安捷伦示波器数学函数测量 四 安捷伦示波器的触发系统 1 示波器触发的目的 触发电路可以保证采集到的波形每次都从一个精确的点开始显示 保证与被测波形的同步 触发器使重复波形能够在示波器屏幕上稳定显示 实现方法是不断地显示被测信号的相同部分 如果每一次扫描的起始都从信号的随机位置开始 那么屏幕上的图像会很混乱 四 安捷伦示波器的触发系统 2 示波器触发模式 触发模式影响示波器搜索触发的方式 下图显示采集存储器的概念演示 为便于理解触发事件 可将采集存储器分为预触发和后触发缓冲器 采集存储器中触发事件的位置由时间参考点和延迟设置来确定 示波器的采集存储器为一个先进先出的FIFO存储器 在预触发缓冲器中新的数据会不停的覆盖旧的数据 四 安捷伦示波器的触发系统 2 示波器触发模式 按下 模式 耦合 键 可以选择设置示波器的触发模式 耦合方式 噪声抑制 高频抑制等选项 四 安捷伦示波器的触发系统 2 示波器触发模式 数字示波器的触发模式分为 正常和自动自动触发模式用于低重复率信号和未知信号电平 要显示直流信号 由于没有要触发的边沿 必须使用自动触发模式 在 自动 触发模式中 按下Run 运行 时示波器会自动触发并捕获波形 如果在示波器处于 正常 触发模式时按下Run 运行 则完成采集之前必须要检测到触发 当检查信号电平或活动并不需要触发的显示 对于这些应用 使用 自动 触发模式 这是默认设置 如果仅需要采集触发设置指定的特定事件 可使用 正常 触发模式 四 安捷伦示波器的触发系统 3 示波器触发耦合 示波器的触发耦合分为 DC AC 或LFReject 低频抑制 耦合DC耦合允许直流和交流信号进入触发路径 AC耦合将一个10Hz高通滤波器放入触发路径 以从触发波形移除任何DC偏移电压 当波形具有较大的DC偏移时 使用AC耦合获得稳定的边沿触发 LF 低频 Reject 抑制 耦合将一个50kHz的高通滤波器与触发波形串联 低频抑制从触发波形中移除任何不需要的低频率成分 例如可干扰正确触发的如工频 当波形中具有低频噪声时 使用此耦合获得稳定的边沿触发 四 安捷伦示波器的触发系统 4 示波器的触发释抑 一些信号具有多个可能的触发点 如下图所示的数字脉冲信号 这种信号从较长的时间周期内来观测 它是重复的周期信号 但是在短时间内情况则不然 在正常模式下 触发电平设置在虚线所在位置 触发类型设置为上升沿触发 这个信号波形在一个周期内的1 2 3 4点的位置均满足触发条件 这样一来 系统通过正常触发采集到的波形就会出现混迭的现象 为解决这个问题 采用了触发释抑功能 即在各次扫描之间加入延时 在延时的时间间隔之内不允许触发 等延时时间到后再允许触发 使得扫描的每次触发总是从相同的信号沿开始 从而得到稳定的波形显示 四 安捷伦示波器的触发系统 5 示波器触发方式 按前面板触发区中的Edge 边沿 键显示边沿触发菜单 四 安捷伦示波器的触发系统 5 示波器触发方式 按Slope 斜率 软键并选择上升沿 下降沿 交变沿或任意沿 所选的斜率显示在显示屏的右上角 交变沿模式可用于在时钟 例如DDR信号 的两个沿上触发 任一沿模式可用于在所选源的任何活动上触发 除了任一沿模式另有带宽限制外 其他模式均可在不超过示波器带宽的频率下运行 任一沿模式既可由最高100MHz的连续波信号触发 也可由低至1 2 示波器带宽 的孤立脉冲触发 四 安捷伦示波器的触发系统 5 示波器触发方式 触发源 可以在任何Agilent6000系列示波器上选择模拟通道1或2 Ext 外部 或Line 行 作为触发源 在4通道示波器上 也可以将触发源设置为通道3和4 或在混合信号示波器上 将触发源设置为数字通道D15至D0 可以选择已经关闭 未显示 的通道作为边沿触发的源 所选择的触发源显示在显示屏的右上角 斜率符号旁 1至4 模拟通道D0至D15 数字通道E 外部触发L 行触发 四 安捷伦示波器的触发系统 5 示波器触发方式 触发电平 通过转动触发电平旋钮可以调整所选模拟通道的触发电平 当选择DC耦合时 模拟通道触发电平的位置由触发电平图标来显示在显示屏的最左端 如果模拟通道打开 模拟通道触发电平的值显示在显示屏的右上角 使用数字通道菜单中的阈值菜单可设置所选数字通道的触发电平 按前面板上的D15ThruD0 D15至D0 键 然后按Thresholds 阈值 软键设置所选择数字通道组 TTL CMOS ECL或用户定义 的阈值电平 阈值显示在显示屏的右上角 四 安捷伦示波器的触发系统 6 示波器触发方式 脉冲触发 按前面板触发区中的PulseW