示波器主要技术指标及选择电子教案

一、数字示波器的主要性能指标在选择数字示波器时，我们主要考虑其是否能够真实地显示被测信号，即显示信号与被测信号的一致性。数字示波器的性能很大程度上影响到其实现信号完整性的能力，下面根据其主要性能指标进行详细分析。示波器最主要的技术指标是带宽、采样率和存储深度

1、带宽如图1所示，数字示波器带宽指输入不同频率的等幅正弦波信号，当输出波形的幅度随频率变化下降到实际幅度的70.7％时的频率值（即f-3dB）。带宽决定了数字示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，数字示波器对信号的准确显示能力下降。实际测试中我们会发现，当被测信号的频率与数字示波器带宽相近时，数字示波器将无法分辨信号的高频变化，显示信号出现失真。例如：频率为100MHz、电压幅度为1V的信号用带宽为100MHz的数字示波器测试，其显示的电压只有0.7V左右。图2为同一阶跃信号用带宽分别为4GHz、1.5GHz和300MHz的数字示波器测量所得的结果。从图中可以看出，数字示波器的带宽越高，信号的上升沿越陡，显示的高频分量成分越多，再现的信号越准确。实际应用中考虑到价

格因素（数字示波

器带宽越高价格

越贵），经过实践

经验的积累，我们

发现只要数字示

波器带宽为被测

信号最高频率的

3-5倍，即可获得

±3%到±2%的精

度，满足一般的测

试需求。示波器所

能准确测量的频

率范围，大家都遵

循测量的五倍法

则：示波器所需带

宽=被测信号的最

高信号频率*5，使

用五倍准则选定

的示波器的测量

误差将不会超过

＋/－2%，对大多

的操作来说已经

足够。

2、采样率，

指数字示波器对

信号采样的频率，

表示为样点数每

秒（S/s）。示波

器的采样速率越

快，所显示的波形

的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丢失的概率就越小，信号重建时也就越真实。根据奈奎斯特定理，采样速率要大于等于2倍的被测信号频率，才能不失真地还原原始信号。但这个定理的前提是基于无限长的时间和连续的信号，在实际测试中，数字示波器的技术无法满足此条件。根据实践经验的积累，数字示波器为了准确地再现原始信号，采样速率一般为原始信号最高频率的2.5-10倍。

3、存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果需要不间断的捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的内存以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的取样速度，可以计算出所要求的存储深度，也称记录长度。并不是有些国内二流厂商对外宣称的“存储深度是指波形录制时所能录制的波形最长记录“，这样的偷换概念，完全向相反方向引导人们的理解，难怪乎其技术指标高达”1042K“的记录长度。这就是为什么他们不说存储深度是在高速采样下，一次实时采集波形所能存储的波形点数。把经过

A/D数字化后的八位二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中，就是示波器的存储，这个过程是“写过程”。内存的容量（存储深度）是很重要的。对于DSO，其最大存储深度是一定的，但是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。

在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是一个反比关系。同时采样率跟时基（timebase）是一个联动的关系，也就是调节时基檔位越小采样率越高。存储速度等效于采样率，存储时间等效于采样时间，采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定，所以；存储深度＝采样率×采样时间（距离 = 速度×时间）由于DSO的水平刻度分为12格，每格的所代表的时间长度即为时基（timebase）,单位是s/div,所以采样时间＝ timebase × 12. 由存储关系式知道：提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率，当要测量较长时间的波形时，由于存储深度是固定的，所以只能降低采样率来达到，但这样势必造成波形质量的下降；如果增大存储深度，则可以以更高的采样率来测量，以获取不失真的波形。下图曲线揭示了采样率、存储深度、采样时间三者的关系及存储深度对示波器实际采样率的影响。比如，当时基选择10us/div文件位时，整个示波器窗口的采样时间是10us/div * 12格=120us，在1Mpts的存储深度下，当前的实际采样率为：1M ÷120us︽8.3GS/s，如果存储深度只有250K，那当前的实际采样率就只要2.0GS/s了！存储深度决定了实际采样率的大小，一句话，存储深度决定了DSO同时分析高频和低频现象的能力，包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。明白了存储深度与取样速度密切关系后，我们来浅谈下长存储对于我们平常的测量带来什么的影响呢？平常分析一个十分稳定的正弦信号，只需要500点的记录长度；但如果要解析一个复杂的数字元数据流，则需要有上万个点或更多点的存储深度，这是普通存储是做不到的，这时候就需要我们选择长存储模式。可喜的是现在国产示波已经具有这样的选择，比如鼎阳（Siglent）公司推出的

ADS1000CA系列示波器高达2M的存储深度，是目前国产示波器最大的存储深度示波器，打破了只有高端示波器才可能具有大的存储深度的功能。通过选择长存储模式，以便对一些操作中的细节进行优化，同时配备1G实时采样率以及高刷新率，完美再现捕获波形。长存储对平常的测量中，影响最明显的是在表头含有快速变化的数据链和功率测量中。这是由于功

率电子的频率相对较低（大部分小于1MHz），这对于我们选择示波器带宽来说300MHz的示波器带宽相对于几百KHz的电源开关频率来说已经足够，但很多时候我们却忽略了对采样率和存储深度的选择.比如说在常见的开关电源的测试中，电压开关的频率一般在200KHz或者更快，由于开关信号中经常存在着工频调制，工程师需要捕获工频信号的四分之一周期或者半周期，甚至是多个周期。开关信号的上升时间约为100ns，我们建议为保证精确的

重建波形需要在信号的上升沿上有5个以上的采样点，即采样率至少5/100ns=50MS/s，也就是两个采样点之间的时间间隔要小于100/5=20ns，对于至少捕获一个工频周期的要求，意味着我们需要捕获一段20ms长的波形，这样我们可以计算出来示波器每通道所需的存储深度=20ms/20ns=1Mpts ！这就是为什么我们需要大的存储深度的原因了！如果此时存储深度达不到1 Mpts，只有普通示波器的几K呢？那么要么我们无法观测如此长周期信号，要么就是观测如此长周期信号时只能以低采样率进行采样，结果波形重建的时候根本无法详细显示开关频率的波形情况。长存储模式下，既保证了采样在高速率下对信号进行采样，又能保证记录长时间的信号。如果此时只进行单次捕捉或停止采集，那么在不同时基下扩展波形时由于数据点充分，可以很好观测迭加在信号上面的小毛刺等异常信号，这对于工程师发现问题、调测设备带来极大的便利。而如果是普通存储，为了保持高的采样率，则在长的记录时间内，由于示波器的连续采样，则内存中已经记录了几帧数据，内存中的数据并不是一次采集获得的数据，此时如果停止采集，并对波形旋转时基进行放大显示，则只能达到有限的几个文件位，无法实现全扫描范围的观察。在DSO中，通过快速傅立叶变换（FFT）可以得到信号的频谱，进而在频域对一个信号进行分析。如电源谐波的测量需要用FFT来观察频谱，在高速串行数据的测量中也经常用FFT来分析导致系统失效的噪声和干扰。对于FFT 运算来说，示波器可用的采集内存的总量将决定可以观察信号成分的最大范围（奈奎斯特频率），同时存储深度也决定了频率分辨率△f。如果奈奎斯特频率为500 MHz，分辨率为10 kHz，考虑一下确定观察窗的长度和采集缓冲区的大小。若要获得10kHz 的分辨率，则采集时间至少为： T = 1/△f = 1/10 kHz = 100 ms，对于具有100kB 内存的数字示波器，可以分析的最高频率为：△f × N/2 = 10 kHz × 100kB/2 = 500MHz。对于DSO来说，长存储能产生更好的 FFT结果，既增加了频率分辨率又提高了信号对噪声的比率，一句话，长存储起到一个总览全局又细节呈现的的效果，存储深度决定了DSO同时分析高频和低频现象的能力，包括低速信号的高频噪声和高速信号的低频调制。

示波器触发：示波器的同步是指示波器的扫描信号与被观测的信号同步，也就是说它们的频率之间存在着整数倍的关系。为了使扫描信号与被测信号同步，我们可以设定一些条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，也就是同步。这种技术我们就称为“触发”，而这些条件我们称其为“触发条件“。

用作触发条件的形式很多，最常用最基本的就是“边沿触发”，即将被测信号的变化(即信号上升或下降的边沿) 与某一电平相比较，当信号的变化以某种选定的方式达到这一电平时，产生一个触发信号，启动一次扫描。例如在图3 中，我们可以将触发电平选在0V，当被测信号从低到高跨越这个电平时，就产生一次扫描，这样我们就得到了与被测信号同步的扫描信号。其它的触发条件有“脉宽触发”、“斜率触发”、“状态触发”等等，

示波器最技术指标除了带宽、采样率和存储深度还有上升时间、频率响应

4、上升时间上升时间的定义为脉冲幅度从10％上升到90％的这段时间（如图3所示），它反映了数字示波器垂直系统的瞬态特性。数字示波器必须要有足够快的上升时间，才能准确地捕获快速变换的信号细节。数字示波器的上升时间越快，对信号的快速变换