数字示波器基础原理

1、1数字存储示波器基础知识培训 2n 具有观测随时间变化的电信号的功能具有观测随时间变化的电信号的功能o 电信号的电信号的大小（振幅）大小（振幅）、形状形状o 同一电信号的同一电信号的2 2点间的时间差点间的时间差o 2 2个电信号间的时间差个电信号间的时间差l 记录功能记录功能o 画面的打印和保存画面的打印和保存l 保存功能保存功能o 以各种文件形式保存以各种文件形式保存示波器功能示波器功能3可观察的信号举例重复周期信号单次/瞬态信号重复周期信号中的异常波形调制信号串行数字通讯信号视频信号低频脉冲群数据串4波形测量参数5数字示波器经常使用的单位数字示波器经常使用的单位 单位名称单位名称 单位记

2、号单位记号 时间单位时间单位 秒秒 电压单位电压单位 伏特伏特 电流单位电流单位 安培安培 频率单位频率单位 赫兹赫兹 前缀前缀倍数倍数： 名称名称： micro 记号记号：数字示波器常用单位数字示波器常用单位6前缀一览前缀一览7模拟示波器模拟示波器快速的波形捕获速度快速的波形捕获速度灰度显示灰度显示价格便宜价格便宜 不能存储波形不能存储波形 很难捕获瞬态现象很难捕获瞬态现象 带宽窄，只能到几百带宽窄，只能到几百MHzMHz 通道数一般最多只有通道数一般最多只有2 2个通道个通道 参数测量很麻烦参数测量很麻烦 不能作复杂的应用不能作复杂的应用模拟示波器的优点：模拟示波器的优点：模拟示波器的缺点

3、：模拟示波器的缺点：l纯纯“模拟模拟”技术实现。技术实现。8（）（）模拟示波器模拟示波器显示器显示器扫描扫描电路电路触发触发电路电路衰减器衰减器前置放大器前置放大器垂直轴垂直轴 放大器放大器水平轴水平轴放大器放大器信号信号示波器分类示波器分类9数字存储示波器数字存储示波器u 始于始于8080年代初期。采用现代的年代初期。采用现代的A/DA/D技术和计算机技术实现技术和计算机技术实现的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的主流。主流。 带宽可以达数带宽可以达数10GHz 可以捕获瞬态波形可以捕获瞬态波形 可以存储波形可以存储波形 易于使用易

4、于使用 功能更多、应用范围更广泛功能更多、应用范围更广泛 波形捕获速度慢波形捕获速度慢 量化噪声量化噪声 价格相对较贵价格相对较贵数字示波器的优点：数字示波器的优点：数字示波器的缺点：数字示波器的缺点：10数字存储示波器原理框图11模拟输入模拟输入数字输出数字输出采样保持采样保持量化量化二进制代码二进制代码化化采样时钟采样时钟VoltageVoltage电压电压时间时间时间时间电压电压电压电压A/DA/D转换转换12采样采样采样点采样点数字化需要的数字化需要的保持时间保持时间采样间隔采样间隔采样是等间隔地进行的。采样是等间隔地进行的。采样率以采样率以 “点点/秒秒”来表示。来表示。有实时采样、

5、随机等效采样、等效采样等方式有实时采样、随机等效采样、等效采样等方式13等效采样率等效采样率数字示波器一般有两种采样方式数字示波器一般有两种采样方式采样方式采样方式实时实时(real-time)采样采样等效等效 (repetitive)采样采样YokogawaElectricCorporation14等效采样等效采样实时采样捕捉不到的高速信号，可多次触实时采样捕捉不到的高速信号，可多次触发并将采集到的数据按时间顺序排列并显发并将采集到的数据按时间顺序排列并显示。示。重复信号是前提。重复信号是前提。Trig 1Trig 1Trig 2Trig 2触发触发点点Trig nTrig n15带宽带宽

6、包含在输入信号中的高频成分能够再现到什么程度包含在输入信号中的高频成分能够再现到什么程度？采样率采样率 数字化的时侯，时间轴的最小分辨率是多少？数字化的时侯，时间轴的最小分辨率是多少？存储容量存储容量 最多可以记录多少数据？最多可以记录多少数据？探头探头 选择最合适的探头选择最合适的探头触发触发(触发模式触发模式) 什么时候开始观测波形？什么时候开始观测波形？示波器主要指标示波器主要指标16u 正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。u 例如：方波是由基波以及3，5，7，9次谐波分量递加而成。u 1次（基波） 3次 5次7次 方波(2500次)u F(x

7、)=2E/ (sin(t)+1/3sin(3 t)+1/5sin(5 t)+1/7sin(7 t)+)u 对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。u 对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。波的组成17u 数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽，相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增加，信号的幅度下降到3dB(70.7)，此时的频率点称为示波器的带宽。、幅频特性曲线0dB(100%)-3dB(70.7%)仪器带宽fV示波器带宽18u 如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大

8、于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。u 对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面：u 由于低带宽导致的主要谐波分量消失，使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波。u 低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。带宽对波形的影响19不同带宽的示波器观察到的不同带宽的示波器观察到的50MHz的方波信号的方波信号60MHz带宽的带宽的示波器示波器100MHz带宽的带宽的示波器示波器350MHz带宽的带宽的示波器示波器500MHz带宽的示波器带宽的示波器带宽对信号测试的影响实例带宽对信号测试的影响实例2

9、0u 由于任何非正弦波都可视为无数正弦波组成，因此谐波分量的多少将直接影响波形的形状。为保证波形不失真，考虑按基波幅度的10以上谐波为影响波形的重要因素选择示波器带宽。波形的主要谐波分量正弦波 无谐波分量方 波1:9三角波1:3脉冲波（占空比50）1:9脉冲波（占空比25）1:14脉冲波（占空比10）1:2621u 大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。示波器的带宽限制功能22 低通低通频率上限频率上限-3dB 高通高通 带阻带阻 带通带通-3dB频率下限频

10、率下限-3dB频率下限频率下限频率上限频率上限-3dB频率下限频率下限频率上限频率上限.频率上限频率上限频率上限频率上限频率上限频率上限频率下限频率下限频率下限频率下限频率下限频率下限数字滤波幅频特性23u 上升时间通常定义为信号从上升跳变沿的10到90的时间长度。u 示波器的上升时间则与其带宽有直接关系u其关系式：T上升0.35 / 示波器带宽（1GHZ以下）带宽与上升时间90%10%上升时间24u探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间做的物理及电路的连接，探头对于被测回路，必须有最小的影响，同时对想要测量地信号应保证足够的保真度。 探头 25无源电压探头u无源探头由电线和接头组成，并且

11、，当需要补偿或衰减时，还有电阻器与电容器。探头没有有源的部件-晶体管或放大器，并且不需供电源给探头。常用无源探头的最大测量的电压大约在400500 伏特附近(直流+ 交流峰值)。 探头分类26无源探头无源探头BNCBNC探头探头27探头信号探头信号线测试钩线测试钩探头衰减开关探头衰减开关探头地线探头地线无源电压探头无源电压探头探头补偿探头补偿电容调节电容调节28有源电压探头u有源探头通常包含有源器件，例如晶体管。通常，有源设备是一只场效应晶体管( FET )有源的场效应管探头一般具有从500 兆赫至高达 4 GHz 的带宽。需要电源供电。差分探头u差分信号是相互作为参考，而不是以地为参考。 探

12、头分类29高压探头u 我们可以定义高压为：任一超过典型通用的X 10 无源探头安全使用的电压。u 另一方面，高压探头能测量的电压最大高达 20，000 伏特。u 如图：20kV直流电，40KV脉冲，带宽75兆HZ探头分类30电流探头u 电流通过导线引起导线周围电磁场的形成。电流探头感应这一场的强度， 并且转换为电压信号由示波器测量 探头分类31u 示波器探头在使用时，要保证地线夹子可靠地接地(被测系统的地，非真正的大地)，不然测量时，就会看到一个很大的50Hz的信号，这是因为示波器的地线没连好，而感应到50Hz工频而产生的。探头的接地32u探头前端手柄上有一个量程选择的小开关，当选择1挡时，信

13、号是没经衰减进入示波器的：而选择10挡时，信号是经过衰减110再到示波器的。因此，当使用示波器的10挡时，应该将示波器上的读数扩大10倍才是实际的读数（数字示波器可通过设置探头衰减比后自动换算）。另外，10挡的输入阻抗比1挡要高得多，所以在测试驱动能力较弱的信号波形时。把探头打到10挡可更好地测量。但要注意，在不确信号电压高低时，也应当先用10挡测一下，确认电压不是过高后再选用正确量程挡测量，养成这样的习惯是很有必要的。探头的增益“X1 X10 X100”33X1挡，它的动态测量范围同示波器一样。如果使用的示波器只能测量4mV 到40V 范围内的信号，那么用X1挡最大就只能测量40V 的信号。

14、但是，如果你需要测量一个超过40V 的信号时该怎么办？你可以通过使用一个衰减探头，从而扩展示波器的动态范围至更高的高电压。例如用 X10挡，将扩展动态测量范围至40 mV 到400V。它衰减输入信号10倍，有效地在增大了示波器的测量范围。 动态范围限制 34探头衰减开关探头衰减开关在实际测量高频信号时，在实际测量高频信号时，为保证测量的精确度，为保证测量的精确度，需将探头设置需将探头设置X10，原，原因是因是X1时探头的带宽时探头的带宽只有只有6MHz。35探头和示波器共同组成一个测量系统，当探头带宽过低时（低于示波器的带宽）将影响到整个测量系统的带宽，从而影响信号的一些测量参数的精确度。实际

15、测量高频信号时，为保证测量的精确度，需将探头设置X10，原因是X1时探头是一个简单的直通探头，含有大量的分布电容，带宽小。 而X 10的有补偿电容，构成阻容分压电路，最终等效的电容就小了，带宽大。探头对波形的影响36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37探头补偿探头补偿电容调节电容调节YokogawaElectricCorporation38（时间时间分辨率分辨率） ）（时间时间分辨率分辨率） ）时

16、间分辨率时间分辨率：时间分辨率时间分辨率：10MS/s的采样率的采样率、 、意味着意味着1秒钟要进行秒钟要进行1千万次的采样千万次的采样。 。时间分辨率是采样速度的倒时间分辨率是采样速度的倒数数。 。采样率采样率10MS/s的时间分辨率为的时间分辨率为100ns。 。A/DA/D转换器：采样率转换器：采样率YokogawaElectricCorporation39 位位的垂直分辨率的垂直分辨率（等份等份） ） 位位的垂直分辨率的垂直分辨率（等份等份） ） 位的位的 / 转换器可以把模拟量转换成转换器可以把模拟量转换成 的的 次方个二进制数次方个二进制数。 。（ （位数增加位数增加、 、与尺子的

17、刻度变细的道理一样与尺子的刻度变细的道理一样。）。）A/DA/D转换器转换器：垂直分辨率垂直分辨率40通道输入耦合方式通道输入耦合方式413. 选择选择AC耦合方式耦合方式实实际际波波形形显显示示波波形形423. 选择选择DC耦合方式耦合方式实实际际波波形形显显示示波波形形43u 触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获u 触发是使重复信号稳定显示 u 对单次信号进行捕获 u 对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔离捕获 触发基本概念

18、44u 示波器的触发电路主要用于帮助对对所要的波形进行定位。根据不同的信号特征和测量目的，可以选择不同的触发类型。但是，最常用的还是边沿触发：u 波形进入触发比较器的正输入端，在这里与另一个输入端上的触发电平电压进行比较。触发比较器有上升沿输出和下降沿输出。当您的波形的上升沿穿越触发电平时，上升沿比较器输出变为高，而下降沿输出变为低。当波形的下降沿穿越触发电平时，上升沿输出变为低，而下降沿输出变为高。示波器使用您选择的输出作为触发输出。触发基本概念45u 触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b/c；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a 。u 触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。u 作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。示波器的触发321不正常触发不正常触发正常触发正常触发abc46u 自动：即使没有触发，自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号的输入，示波器中的定时器触发扫描。有信号显示信号，没有信号显示水平基线。u 正常：当输入信号不能满足触发条件时，不扫描，示波器没有任何显示。只有当输