示波器基础_SECOM-讲解

Acquisition Time
Dead-time
Acquisition Time
Dead-time
采集时间
死区时间
采集时间
死区时间
死区时间：示波器不能捕获信号的时间，如：数字化过程、数据处理过程。
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波形更新率是发现问题的关键
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示波器的典型结构
输入单元
通道1

DC 地 来源通道2 来源通道3
AC
放大器 单元
放大器
采集&存储单元
采集信号 存储器
数据 处理
uP
显示单元
显示 存储器
A/D
DC耦和 AC耦和 高频抑制 低频抑制 噪声抑制
时基电路
不同带宽示波器观察50MHz方波的结果
60MHz 示波器 100MHz 示波器 350MHz 示波器 500MHz示波器
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带宽越大越好吗？
示波器底噪与带宽相关，带宽越大，噪声电平越高！
80000B示波器的降噪选件
采样及采样率
• 采样：将信号以一定的时间间隔采集，并进 行数字化的过程。 • 采样率：采样点之间的时间间隔的倒数。
采样率不够将影响信号重组精度
奈奎斯特定律：采样率至少为信号最高频率带宽的2倍
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单次采样 – 仅触发一次即完成信号采集
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示波器的带宽对信号测试的影响
频谱
频率
tr
被测信号
足够的带宽
精确的复现波形
使上升时间变缓、 使幅度衰减
频谱
频率
tr
观察到失真的波形
带宽不足够
足够的带宽才能覆盖更高频率的谐波成分 ！
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示波器带宽
示波器模拟带宽是指放大器所能通过信号的频率范围
幅度 100% （0dB）
71% （-3dB） 带宽 频率
定义：测量等幅扫频信号时 幅频特性下降-3dB时的频率 范围。
Gain ( dB ) = 20 log
@6GHz bandwidth σ= 278uV/p-p = 2.8mV 15
@10GHz bandwidth σ= 365uV/p-p = 3.6mV
@13GHz bandwidth σ= 406uV/p-p = 4.3mV
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存储长度 = 采样率 × 采集时间
深存储的优点 – 长存储可保证在同等时间下，以更高采样率采集波形 – 长存储可保证在同等采样率下，采集更长时间的波形
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采样率与存储深度和时基的关系
存储深度 =采样率 x采集时间
DSO
4Gsa/s MegaZoom Ⅲ 深存储器 2Gsa/s 8 Mpts存储器
MSO
4Gsa/s
波形捕获率: 10万次/ 每秒
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5000系列示波器型号和主要指标
型号
DSO5012A DSO5014A DSO5032A DSO5034A DSO5052A DSO5054A
仅触发一次 捕获波形直 至存储器满 单次采样率1GSamples/sec对应两 个取样点之间的间隔为 1ns 幅度
可将测试信号作为触发 时间
• •
单次采样率需超过模拟带宽： – 波形重建用正弦内插Sin(x)/x时需大于4倍，线性内插时需大于10倍 适用捕获单次信号、重复信号，以及隐藏在信号中的毛刺和异常波形
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示波器带宽 vs上升时间测量精确度
• 测量信号的上升时间，示波器带宽将影响测量结果
待测信号 tr / 示波器 上升时间测量误差
1:1 3:1 5:1 10:1
41.4% 5.4% 2.0% 0.5%
如需精确测量: 示波器带宽 > 最高信号频率的3-5倍 !

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将内存使用率最优化 捕获窄的、重复周期长的信号 （如激光脉冲，雷达，串行脉冲组）
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波形更新率
单位时间内示波器波形捕获和更新的速率
快速波形更新率意味着两次采集期间的死区时间更短。 快速波形更新率更容易发现罕见的问题。
捕获的概率取决于偶发信号的频率和示波器的波形更新率
慢的更新率
采集时间 死区时间 采集时间
快的更新率
采集时间 死区 时间
采集时间 死区 时间
采集时间 死区 时间
采集时间 死区 时间
采集时间 死区 时间
示波器每秒波形更新率 vs 数码像机自动连拍功能的连拍速度
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需要长存储的测试
► 雷达 ► 无线通信 ► 因果调试 ► 发现随机或罕见的错误 ► 数据采集 ► 高频与低频混合系统 ► 视频信号
Agilent 7000系列：8M = 4GSa/s X 2ms Agilent 5000系列：1M = 4GSa/s X 250us
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500MHz 带宽示波器 被测信号： 50MHz 时钟，具有 500ps上升时间
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1GSa/s (BW x 2)
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采样过程
采样时发生了什么？
数字化 8bit
1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 . . .
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7000系列示波器型号和主要指标
型 号
7012A 7014A 7032A 7034A 7052A 7054A 7102A 7104A 7012A 7014A 7032A 7034A 7052A 7054A 7104A
数字示波器基础
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目录
• • • • 数字示波器用途 数字示波器的工作原理 数字示波器的主要指标及功能 数字示波器的探头
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数字示波器用途
深存储确保长时间、高采样率捕捉窄毛刺
存储长度 = 采样率 × 采集时间
采集的波形
窄毛刺
放大的波形
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分段存储
能更有效使用示波器的内存:
9 9 9 9 可以捕捉多个连续的波形段 可以选择在没有信号时不采集 每个波形段都有精确的时间标签 可以对捕捉到的段进行后分析
(采集时间 = 扫描时间/div x 10)
举例 ：测试6MHz的电视视频信号、全帧20ms的时间， 需要采样率>50 MSa/s 需要存储深度 = 50 MSa/s x 20ms = 1M Points （此时扫描时基为2ms /div，扫描时间为20ms ）
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1st 触发 2nd 触发 3rd 触发
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采样率不够，将出现波形混叠
---输入信号高频谐波成份频率 > 耐奎斯特頻率(FN)
Equivalent-Time Sampling
4GSa/s (BW x 8) 2GSa/s (BW x 4)
带
宽
采 样 率
2Gsa/s
存 储 器
通 道 数
2ch 4ch 2ch 4ch 2ch 4ch 2ch 4ch 2+16ch 4+16ch 2+16ch 4+16ch 2+16ch 4+16ch 4+16ch
100 MHz 300 MHz 500 MHz 1GHz 100 MHz 300 MHz 500 MHz 1GHz
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线性对比正弦内插
3GHz 正弦波以 20GSa/s 采样率捕获
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等效时间采样 –
• • • •
需多次触发完成信号采集
仅可使用于重复信号 采样点來自之前持续的触发 经多次触发事件建立波形 可形成高采样率
外触发
EXT
触发单元
输入阻抗：50欧，1M欧
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取 样 时 钟
晶体振荡器
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数字示波器主要指标和性能
捕获（示波器5个重要指标） –带宽 –采样率 –存储长度 –波形更新率 –触发功能
观察 –显示分辨率 –辉度等级 测量和分析 – 参数测量 –波形运算 存档 – 可扩展性
V out V in
带宽不够将丢失高频成分及幅度衰减
前端 放大器
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带宽与上升时间的关系
示波器带宽将影响测量信号的上升时间精确度
示波器 输入信号 示波器显示信号 （实际测量）
• •
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仪器上升时间：t仪器上升时间(ns) = 350/带宽 (MHz) 测量上升时间：t测量上升时间＝ t信号上升时间2 ＋ t仪器上升时间2
1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1
对应电压值：如1.5V 存储
… … … … … … … …
信号
采样
采样保持
转换成为数据 顺序存储 屏幕 显示
显示选定 部分的内存
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源自文库
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存储长度
示波器对数字化波形的最大存储能力
深存储可能会带来的负面影响
• • • •
降低波形更新率 用户操作控制仪器时反应速度降低 捕获间的死区时间加长 降低捕获毛刺与异常期信号的能力
通常而言：存储深度与波形更新率是相互矛盾的
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数字示波器 - 在时域上捕获、观察、测量和分析波形的工具 • 波的常规类型： – 正弦波 – 方波和矩形波 – 三角波和锯齿波 – 阶跃波和脉冲波 – 噪声波 – 调制波形 • 从频域看，任何波形都 可以分解成多个正弦波 的叠加 • 周期信号和非周期信号
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数字示波器工作原理简图
3 测量与分析 2 显示
显示 显示处理器 数学处理器 & 协处理器
4 存档
可存储到 软盘,USB 盘,硬盘
1 采集
放大器 输入信号
操作系统
A D C
触发器
采集 存储器
应用软件
连接到 计算机打印机 的数据总线
RAM
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数字示波器基本工作原理
数字示波器 - 在时域上捕获、观察、测量和分析波形的工具
采集捕获 – 放大器放大和调整输入的模拟信号达到模/数变换器所需电平， – 模/数变换器将模拟信号转换为数字信号， – 存储器将转换后的数字信号进行存储， – 触发电路触发和同步满足触发条件的信号， 显示 – 存储后的信号经过运算和处理形成显示的波形 测量和分析 – 对显示的波形进行参数测量和波形运算分析 存档 – 对波形及测量结果进行存储和打印
带宽
100MHz 100MHz 300MHz 300MHz 500MHz 500MHz
采样率
2GSa/s 2GSa/s 2GSa/s 2GSa/s 4GSa/s 4GSa/s
存储深度
1M，选件8M 1M，选件8M 1M，选件8M 1M，选件8M 1M，选件8M 1M，选件8M
波形捕获率: 10万次/ 每秒