示波器应用原理

示波器应用原理

1第1页，课件共69页，创作于2023年2月

2主要内容(1)

示波器基础示波器可测量什么信号？示波器硬件组图重要性能指标带宽，采样率，采样方法，内存长度，AD转换，数据显示，通道数，通道种类

触发触发种类，触发模式数据采集数据采集模式，内存分配第2页，课件共69页，创作于2023年2月

3主要内容(2)数据分析光标，自动波形参数测量，数学运算功能，内存波形搜索探头无源探头，差分探头，FET探头，电流探头连通性数据传输，远程控制，自动测量，软件

特殊应用系列总线分析功能

-CAN,I2C,SM,SPI电功率测量/电功率分析横河数字示波器数字示波器系列和DL750示波记录仪第3页，课件共69页，创作于2023年2月

4Yokogawa:横河简介&背景示波器基础示波器主要测量什么信号？示波器硬件组图主要性能规格触发波形采集数据分析探头连通性特殊应用横河数据示波器系列主要内容第4页，课件共69页，创作于2023年2月

5示波器测量信号测量和显示:

1.在时间域内测量一个或多个电压信号 2.比较一个电压波形上不同点的时间和电压 3.比较不同电压波形上每一点的时间和电压为什么使用示波器?1.电压波形观测2.电压波形比较3.波形参数测量

4.异常波形显示5.保存波形数据

6.波形运算7.??? 第5页，课件共69页，创作于2023年2月

6主要内容Yokogawa:横河简介&背景示波器基础示波器主要测量什么信号？示波器硬件组图重要性能指标带宽，采样率，采样方法，内存长度，AD转换，数据显示，通道数，通道种类波形采集数据分析探头连通性特殊应用横河数据示波器系列第6页，课件共69页，创作于2023年2月

7重要性能指标选择示波器时必须考虑的性能指标:

带宽

最高采样率(实时采样和等效采样)

内存大小(内存长度)A/D转换精度

波形显示方式和屏幕刷新率

通道数/通道种类第7页，课件共69页，创作于2023年2月

8带宽(BW)带宽是选择示波器时最重要的性能指标

带宽指‘模拟带宽’带宽取决于前端模拟回路(从示波器输入端口到数模转换).Note:带宽与采样率和数模转换没有必然联系.

带宽同时也指示波器可高精度捕捉最高频率的正弦波成分

带宽通常所指还是输入该频率正弦波时，正弦波的衰减为

3dB(or~30%)第8页，课件共69页，创作于2023年2月

9带宽如何影响采集信号?带宽影响波形幅值:例如–当100MHz正弦波被输入到100MHz带宽DSO示波器时，仅有幅值~70%(-3dB)的正弦波信号被正常显示输入信号显示波形100MHz100MHz1Vp-p700mVp-p第9页，课件共69页，创作于2023年2月

10带宽如何影响采集信号?

BW:200MHzBW:640kHzBW:160kHz同一输入信号带宽影响滤去噪音信号:

低带宽示波器显示波形结果与加滤波器的高带宽示波器相同,如果您仅采集低频信号或想滤除高频噪音信号建议您使用低带宽示波器,但您有可能采集和识别不到意外噪音信号或波形信号.第10页，课件共69页，创作于2023年2月

11带宽需求期望带宽>3倍于被测信号最高频率带宽(MHz)>350/上升时间(ns)

或带宽(Hz)>.35/上升时间(sec)(注意:示波器带宽在1GHz以下时使用参数0.35,示波器带宽在1Ghz以下时使用参数(0.40-0.45)67MHz200MHz167MHz500MHz误差5%以下可测量带宽DSO示波器带宽高带宽示波器可以精确并快速捕捉波形的上升沿和下降沿,但与此同时您也将捕捉到高频的造影信号.第11页，课件共69页，创作于2023年2月

12数模转换率(ADC)A/DConverter••••••••••••••••SamplingClock

示波器基于时基时钟将模拟信号转换为数字信号——采样率。模拟信号数字信号第12页，课件共69页，创作于2023年2月

13采样率如何选择示波器的采样频率?数字示波器,可通过更改水平时间轴和内存长度更改采样率

DSOSamplingRate>fmaxx10(fmax为输入信号最高正弦波分量频率)1)理论:根据奈奎斯特定例，如果正确捕捉输入信号示波器采样频率至少两倍于输入信号最高正弦波分量频率。2)实际:正确捕捉重现波形信号，示波器最高采样率至少十倍于输入信号最高正弦波分量频率。第13页，课件共69页，创作于2023年2月

14采样率足够高时可选择插入方式重现波形低采样率时即使使用插入方式也无法正确重现波形错误波形正确波形采样频率第14页，课件共69页，创作于2023年2月

15频率测量相同波形信号,为何测量出不同频率??如下图，正弦信号（9.99MHz正弦波形）被输入到同一台示波器.差异仅为示波器不同的采样率!10MS/s(100nsecinterval)100MS/s(10nsecinterval)第15页，课件共69页，创作于2023年2月

16Samplingrateis20xf0某些信号(例如锯齿波)含有非常丰富的谐波成分假设锯齿波的基波频率为f0,将采样率设置为20*f0,看看发生了什么？Fold-overhappensat10xf0(1/2thesamplingrate)Aliasing(a.k.a.Fold-OverDistortion)复合波形信号第16页，课件共69页，创作于2023年2月

17Aliasing避免虚假波形在使用示波器时，

采样率>10xfmax

是最好也是最有效的避免采集到虚假波形的方法--滤波器也能构起到一定的作用

滤波器必须嵌入到硬件内–软件滤波器效果不明显典型滤波器截至频率为采样频率的40-50%

有效数字滤波器在截至频率的频率下降应是非常快速和敏感

现在数字滤波器一般都提供低通滤波器，它可帮助准确测量波形同时减少高频噪音信号第17页，课件共69页，创作于2023年2月

18示波器（DSO）提供两种典型采样方法:1.实时采样模式2.等效时间采样(等效模式）采样方法第18页，课件共69页，创作于2023年2月

19输入信号采样时钟通过连续采样采集波形,采集到的数据被保存到内存内并且显示采集波形.

在观测异常信号时必须使用实时采样模式1st2nd10th16th实时采样模式显示波形信号第19页，课件共69页，创作于2023年2月

20等效采样Trig1Trig2Trign对于实时采样无法捕捉到的高速信号，将通过复数触发采集到的数据在时间轴上排列并且再显示。等价采样速度相当与由触发点到到采样点的时间测量分解能。等价采样率：100GS/s=10ps分解能以周期信号为前提

触发点第20页，课件共69页，创作于2023年2月

21采样速率&内存长度--内存长度计算公式--

内存长度=测量时间x采样频率

很多人自然而然想到示波器采样率时越高越好--事实并非如此!足够大的内存长度也同样重要，因为足够长的内存可保证在所需要观测时间内保证高速采样。长内存不仅可以长时间观测波形信号，它也影响着示波器的采样率第21页，课件共69页，创作于2023年2月

22插入模式1GS/sADCs如何实现2GS/s高速采样?A/DA/DCHACHB内存采样时钟1GHz采样时钟

1GHz(反相位)在插入模式下,两个ADCs被用于采集通道A输入信号(通道B则被禁止使用).通道B采样时钟则与通道A采样时钟正好相反,所以可以实现双倍的采样速度.另外,通道B内存也被分配到通道A内存,所以在采样率提高一倍的同时,内存也扩大一倍.

第22页，课件共69页，创作于2023年2月

23低速采样*数字示波器采样率较高但是内存相对较小,所以在使用示波器时必须决定a)长时间低速采样

或b)短时间高速采样*这里长内存示波器可在长时间之内维持高速采样!12345高速采样123451234530Memorylength:5pts/timevs.30pts/time采样速率&内存长度第23页，课件共69页，创作于2023年2月

24示波器重要组成部分ADC模拟输入SamplingEncoding数字输出10100011101010001010100110110011….数模转换精度A/DConverter1bit:2levels8bit:256levels12bit:4096levels16bit:65536levelsA/D精度(#ofvoltagelevels)=2n(n=numberofbits)

A/D转换精度直接影响垂直轴精度!!第24页，课件共69页，创作于2023年2月

25A/D转换精度使用不同精度ADCs转换0–1V模拟输入信号1bitADC2levels(~0.5V精度)2bitADC4levels(~0.25V精度)11(0.75–1V)00(0–0.25V)01(0.25–0.5V)10(0.5–0.75V)3bitADC8levels(~0.125V精度)1(0.5–1V)0(0–0.5V)111(0.875–1V)000(0–0.125V)010(0.25–0.375V)100(0.5–0.625V)001(0.125–0.25V)011(0.375–0.5V)101(0.625–0.75V)110(0.75–0.875V)8bitADC256levels(~4mV精度)00000000(0-0.004V)11111111(0.996-1V)12bit4096levels(~0.25mV精度)000000000000(0-.00025V)111111111111(0.99975-1V)10000000(0.5-0.504V)100000000000(0.5-0.50025V)第25页，课件共69页，创作于2023年2月

26数字信号显示InformationLessMore1MW内存500显示分辨率压缩显示DataProcessingLessMore1MW数据压缩显示Decimation(thinningthedata)?Displayalldatapoints!P-Pdatacompression?如何将成千上万的采样数据显示在仅有几百分辨率的显示屏幕上?

第26页，课件共69页，创作于2023年2月

271条线内显示2千个数据

全点显示所有的数据（1MW数据）显示在屏幕上，每条线上显示2千个数据（1MW除500等于2000）过去的P-P压缩显示法每条线上仅显示这2千个数据的最大值和最小值，这两点代替了这2千个点数据点和内插部分亮度由数据点多少来决定

最大值

最小值复杂的显示并没有降低画面刷新速度长存储并不意味着低刷新速度1MW的存储长显示屏全点显示第27页，课件共69页，创作于2023年2月

28全点显示有点在哪里?异常信号观测!

通过波形信号的暗点和亮点可非常容易的观测到波形信号的异常部分。全点显示波形放大全点显示放大‘暗点’处波形观测…….异常信号!第28页，课件共69页，创作于2023年2月

29自主开发的“Data

Stream

EngineⅡ”实现了长存储的高速刷新！新开发

DataStreamEngineⅡ在观测1MW数据的场合：

最高刷新率为30画面/秒高速画面更新第29页，课件共69页，创作于2023年2月

30大部分示波器可将触发点设置到内存中的任何一个位置(0-100%).可调节触发位置决定前置触发和后置触发波形数据大小.

除设置触发位置之外,也可设置触发延迟.触发延迟为从波形达到触发电平到触发产生时所经过的时间.触发前数据也将被保存到内存当中.触发位置和内存数字示波器基于触发设置将波形数据保存到内存.通过设置触发点,您可将自定义波形数据保存到内存.内存中触发点前数据叫做“前置触发”波形数据.触发点后的波形数据叫“后置触发”波形数据.

内存长度触发电平前置后置前置触发后置触发内存长度触发点触发位置0%100%触发位置第30页，课件共69页，创作于2023年2月

31触发种类边沿触发:边沿触发是一种最基本的触发类型.在触发信号上升或下降时经过触发电平时,产生触发触发信号源触发电平可选择上升沿作为触发,同时也可选择下降沿或上升沿和下降沿第31页，课件共69页，创作于2023年2月

32Pattern触发触发种类OR

触发:类似于边沿触发,它的区别在于可使用或关系对多通道信号设置边沿触发.

当前条件满足任何触发源条件时产生触发

(例如–通道1高于5V或通道2高于2.8V时产生触发)Pattern

触发:

Pattern触发也多被使用在多通道设置触发情况.与OR触发不同的是触发条件基于当前波形Pattern模式的真还是假.在Pattern模式下,多通道是基于AND条件产成触发,触发条件为各通道的上升或下降沿触发触发触发OR触发触发第32页，课件共69页，创作于2023年2月

33脉冲宽度触发:基于当前时间设置脉冲宽度触发,可设置脉冲条件有大于,小于或在一段时间之内.触发信号也可为一个通道或多个通道.窗口触发:在该触发模式可自定义电压窗口.在触发源信号电平进入或

出电压窗口时产生触发.(例如–信号波形高于6.4V或低于0.5V时产生触发)电视信号触发:该触发用于捕捉视频信号(NTSC,PAL,HDTV)触发种类脉宽<T时在B点产生触发脉宽>T时在A和C点产生触发T1<脉宽>T2,T1=350,T2=450时,在C点产生触发第33页，课件共69页，创作于2023年2月

34波形数据捕捉以及内存分配我们已经知道在很多测量情况都需要示波器具有较长内存,但是有时情况并非如此.将长内存进行分割,被分割后的小内存非常有利于捕捉不连续的短时脉冲波形干扰.例如,在捕捉16M数据同时,您能够捕捉超过4000屏1k数据或64屏100k的数据….UsingtheHistorydisplay,thousandsofwaveformscanoverlaid.Youcanclearlyseetheoccasionalglitchinlightyellow.The‘normal’waveformisadarkeryellowbecauseitoccursmorefrequently.第34页，课件共69页，创作于2023年2月

35采集模式(1)大部分示波器都提供多种采集模式,您可以根据实际测量需求选择合适的波形采集模式.NormalMode(常规模式):

将采集到的波形不加任何处理的前提下,将波形数据保存到内存并显示.以实时采样率采集波形数据.在捕捉短小脉冲情况下,包络效果会更好,请看下页.第35页，课件共69页，创作于2023年2月

36采集模式(2)EnvelopeMode(包络模式):

根据时间轴与内存长度设置,示波器以最大采样率采集波形数据.在一定周期内将最大和最小值保存到内存.虽然包络模式所保存的波形数据量与普通模式相同那,但是该模式能够确保捕捉到最大和最小值.该模式可有效避免虚假波形和捕捉到快速脉冲波形.该模式缺点则是您无法确定最大和最小值出现的时间.MinMinMinMaxMaxMaxNormalMode:与右图波形信号相同,但是则无法看到短小脉冲信号EnvelopeMode:在捕捉快速脉冲时使用该模式第36页，课件共69页，创作于2023年2月

37采集模式(3)AveragingMode(平均模式):

当前显示波形数据为当前波形数据前一个或多个波形数据的平均结果.平均模式又分单纯平均和指数平均两种数据采集方式.在该模式下采集波形数据时有利于排除随即的造影信号.BoxAveragingMode(箱式平均模式):与包络模式相同,在该模式下示波器以最高速采样率采集波形数据同时还以移动平均方式处理采集到的数据.改模式适合于除去小数量的噪音信号.以最大采样率采集波形数据示波器对相邻多点进行移动平均运算,然后将运算结果保存到内存并显示第37页，课件共69页，创作于2023年2月

38光标&标尺<水平光标>

测量一个波形的两个不同位置电平值<垂直光标>

测量一个波形两个不同点的时间和电平值<标尺>

通常在多个电压波形中可以设置四个标尺,标尺被用来测量触发点波形的时间和电压信息,与光标相比,标尺测量更加准确.<角度光标>

用来测量波形两点之间的角度信息,您可设置基准信息,例如360度或720度.[请看下一页实例]光标和标尺可向您提供一个或多个通道波形不同位置时间和电压信息:第38页，课件共69页，创作于2023年2月

39角度光标Ref1Ref2720degreeX1X2Cursor1Cursor2利用两个基准光标定义角度光标测量参考值2)然后使用光标测量波形两点的电压值和两点之间的角度值第39页，课件共69页，创作于2023年2月

40自动波形参数测量OneofthebigadvantagesofDSOsoveranalogscopesisthattheDSOscanautomaticallyanalyzetheacquiredwaveformsandprovidekeyparametersBothvoltage-axisparameters(maximum,minimum,avg,rms,…);aswellastime-axisparameter(frequency,risetime,dutyratio,…)canbecalculatedTimerangesettingsareusedtodefinewhereonthewaveformthemeasurementsaremade第40页，课件共69页，创作于2023年2月

41数字示波器系列自从1988以来，我们一直提供着具有横河特点的数字示波器系列。第41页，课件共69页，创作于2023年2月

42横河数字示波器通道个数10MS/s模拟16ch+逻辑16bit200MS/s4通道1GS/s4通道2GS/s模拟8ch+逻辑16bitDL750DL1600DL1700EDL7400采样率模拟16ch+逻辑16bit模拟8ch+逻辑16bitDL900010GS/s4通道第42页，课件共69页，创作于2023年2月

43横河示波器存储深度DL750：最大1GW

DL1640L：最大32MWDL7400：最大16MW

DL1740EL：最大8MW32MW１GWZ1Z2Main1GW第43页，课件共69页，创作于2023年2月

44历史存储功能历史存储功能能帮助找到已经过去了的波形①连接到CP2实行AutoSetup②用”HISTORY”键把波形停下来③用转动旋钮指定SelectRecord第44页，课件共69页，创作于2023年2月

45串行总线分析StartConditionNon-AckAddressDataStartofFrameIDfieldRTRDatafieldErrorframeI2CCANSPIDatapatterns-upto8bytesCAN/I2C/SPICAN/I2C/SPI(Analysisonly)I2C/SPI(Analysisonly)第45页，课件共69页，创作于2023年2月

46历史存储功能（２）历史存储页数参照表用DisplayAll显示所有存储波形1k10k100k1M4M8M10M32MDL16404000500504-1--DL1640L160002000200204-11highresolutionmodeOFF第46页，课件共69页，创作于2023年2月

47異常レベルAlldisplay模式：波形重叠显示

用Alldisplay模式定位异常信号只抽出异常信号的波形并从逻辑关系等来分析原因看到异常信号后，按Stop键...历史存储的存储功能第47页，课件共69页，创作于2023年2月

48用ＤＬ1640/L测定的数据、能够用各种各样的数据格式保存。ＤＬ1640/L能够再次读入并显示用Binary保存的数据。数据类型：Binary:扩展名是｢wvf｣及｢hdr｣ASCII:扩展名是｢csv｣Float:扩展名是｢fld｣文件名

：AutoNamingON时，自动命名“FILE”键硬拷贝，画面图像数据的保存数据的保存第48页，课件共69页，创作于2023年2月

49

自动测量和显示脉冲个数

过去用眼和手做的工作，现在可以自动完成记录送纸滚轴的步进电机的脉冲个数通过记录脉冲个数，可以读取滚轴的转数。即使是速度变化的场合（上图），因为是直接记录脉冲的个数，所以也能正确地得出转数。即使像上图那样包含着噪声的波形，通过设定阀值水平，也可正确地记录脉冲个数

波形参数测量：记录脉冲个数第49页，课件共69页，创作于2023年2月

50【保存可能的数据文件形式】－多样的保存形式－■波形数据◆ＷａｖｅＦｏｒｍ形式(.WVF):横河共通格式的二进制数据格式 可以向主机内加载。可以利用ＰＣ的Viewer软件。◆Ｂｉｎａｒｙ形式（Ｆｌｏａｔ）用32bit的Float数据记录测定值。可利用ＰＣ的波形解析软件等。不能向DL1640主机内读入波形数据。◆ＡＳＣＩＩ形式用文本形式记录测定值。ＰＣ的表计算软件(Excell等）不能向DL1640主机内读入波形数据。

■图像数据◆Jpeg／PNG／ＢＭＰ／ＴＩＦＦ／ＰＳ记录画面的图像。可以方便地粘贴到ＰＣ等的字处理软件（WORD、一太郎等）

数据文件形式第50页，课件共69页，创作于2023年2月

51波形参数的测量波形参数自动测量功能也就是波形数值化功能如果用最大值，最小值，超调量等把波形的形状数值化，那么波形好坏的判断就会变得容易第51页，课件共69页，创作于2023年2月

52按下Ｈｅｌｐ键、可以看到相应键的功能说明。！！再按一次Ｈｅｌｐ键，就可以退出Ｈｅｌｐ模式。！！！输入耦合键的帮助画面帮助功能第52页，课件共69页，创作于2023年2月

53增强触发功能■增强触发功能●Ａ→Ｂ（Ｎ）

条件A成立之后，条件B也成立了N次时，触发发生●ＡｄｅｌａｙＢ

条件A成立之后，并过了设定时间之后，条件B成立时，触发发生●Ｐａｔｔｅｒｎ

多个触发源全都满足或全都不满足触发条件时，触发发生●脉宽触发

当满足设定的脉宽时，触发发生●ＯＲ

只要有一个触发条件满足，触发就发生●窗口触发

设定一定的电压范围，当触发源进入或离开这个范围时，触发发生●ＴＶ

检测到ＮＴＳＣ、ＰＡＬ等电视信号时，触发发生

脉宽触发的设定例复杂的条件下触发第53页，课件共69页，创作于2023年2月

54用PC观测波形和变换数据波形浏览软件：“WaveformViewerforDLSeries”可浏览DL各系列的波形数据(.WVF)支持Main&Zoom画面、具有和DL一样的ZoomBox等的直观操作性AutoScroll功能:ZoomBox可自动移动数据可变换成ＡＳＣＩＩ码下载网站：http://www.yokogawa.co.jp/Measurement/F-SOFT/700919/welcome.htm第54页，课件共69页，创作于2023年2月

55DL9140/DL9240YokogawaElectricCorporationTentative第55页，课件共69页，创作于2023年2月

56DL9000系列主要性能指标4通道输入带宽(2型号)1.5GHz带宽(DL9240/9240L)1GHz带宽(DL9140/9140L)采样率DL9240/9240LMax.10GS/s(2通道使用时)

5GS/s(4通道使用时)DL9140/9140LMax.5GS/s(2通道使用时)

2.5GS/s(4通道使用时)内存长度DL9140L/9240L6.25MW(4通道使用时)DL9140/92402.5MW(4通道使用时)第56页，课件共69页，创作于2023年2月

57signalXplorer是市场所有GHz带宽示波器当中最好的选择数据高速采集

卓越的波形显示功能

内存的灵活性

安全对策

便携式丰富的触发功能signalXplorer第57页，课件共69页，创作于2023年2月

58高速波形更新，系统不受通道数以及内存设置的影响Accum模式下的波形更新率2.5kword,4channel： 25,000acquisitions/sec (250Mpoints/sec)12.5kword,4channel： 9,000acquisitions/sec(450Mpoints/sec)125kword,4channel： 900acquisitions/sec(450Mpoints/sec)1.25Mword,4channel： 60acquisitions/sec(300Mpoints/sec)NSingle时与以前DL系列、竞争对手相比速度更快在400ns的时钟设置下，能够捕捉最快每秒2,500,000acquisitions/sec波形高速数据采集波形更新数率以及波形连续捕捉性能与已有DL系列相比提高４００倍以前为60acquisitions/sec、现在为25000/60=400倍第58页，课件共69页，创作于2023年2月

59例:波形亮度可调的存储模式１６种颜色亮度调节，高速准确显示包含噪音，变动以及波形频率的测量波形。不仅有波形重叠模式，还可以将数据保存到历史存储器内，在测量完成后进行分析，可高效进行故障分析。波形存储速率能力提高了约５０倍卓越的波形显示功能例:波形颜色可调的存储模式第59页，课件共69页，创作于2023年2月

60Xtraordinary的存储功能根据内存长度设置，DL系列示波器可自动分配历史存储。即使在高速波形重叠显示模式下也有效。最大可保存２０００个波形数据。 超级历史存储第60页，课件共69页，创作于2023年2月

61历史存储的搜索和回放保存在历史存储器中的波形可通过历史搜索功能进行数据搜索。

(搜索模式:Rect,Parameter,Polygon,Wave)新集成的历史回放功能可象录像机那样将捕捉的波形进行动画再现。可调节回放速度，对于高速信号可将数据捕捉后再进行低速回放。第61页，课件共69页，创作于2023年2月

62DL9000系列OS直接嵌入在CPU处理器，而不是保存在HDD硬盘中。（作为选项可保存在硬盘）。考虑到信息的安全性，即使将硬盘内数据全部消去，DL9