示波器的基本理论

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,示波器的基本理论,Bobo Bao,09/14/2003,1,目录,波和波形,什么是示波器,示波器的主要指标及其选择指南,数字示波器技术的发展,2,波和波形,什么是波,波的类型,波的参数,示波器是测量波的基本仪器,3,什么是波,随时间变化的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都是波,波形能够揭示信号的许多特性,4,波的类型,大多数波都属于如下类型：,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,复杂波,还有很多波是上述波形的组合,5,波的类型,周期信号和非周期信号,同步信号和异步信号,6,波的参数,周期,频率,正脉冲宽度,负脉冲宽度,上升时间,下降时间,幅度,占空比,占空比,延迟,相位,突发宽度,峰-峰值,均值,周期均值,高 低值,最小值,最大值,过冲(,over shoot),过冲(,under shoot),7,常见波形参数,幅度和相位,频率和周期,8,常见波形参数,相位差,9,示波器,自1946年,Tektronix,的,Howard Vollum,先生以其发明的触发电路，从而创造了第一部商用示波器至今已过了半个多世纪。示波器对工程师的重要性，如同眼睛对人类的重要一样。,10,什么是示波器,示波器是形象地显示信号随时间变化波形地仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。,示波器的用途：,电压表，电流表，功率计,频率计，相位计,脉冲特性，阻尼振荡,示波器的应用：,电子，电力，电工,压力，振动，声，光，热，磁,以示波器为基础的仪器：,逻辑分析仪，时域反射仪，晶体管特性测试仪，心电图。,11,示波器的组成,水平系统,垂直系统,扫描系统,触发系统,显示系统,12,示波器的类型,模拟示波器,模拟数字混合示波器,数字示波器,数字荧光示波器,取样示波器,13,示波器,的典型,结构,ART,DSO,DPO,放大器,放大器,放大器,延迟线,触发,垂直,放大器,水平,放大器,A/D,多路,分解器,采集信号,存储器,uP,显示,存储器,数字,荧光器,A/D,uP,模拟实时显示,串行处理,并行处理,14,示波器的主要指标,示波器的带宽,数字示波器的采样率,示波器的触发和信号存储,先进的,DPO,技术,15,带宽是选择示波器的第一参数,示波器的结构决定了带宽的重要性：,放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽；,放大器是信号进入示波器的大门，它的带宽决定了示波器的带宽，示波器能请进什么样的信号由这个大门来决定。,数字示波器的带宽也是模拟带宽,16,带宽,测量,AC,波形的仪表通常有某种最大频率，超过它，测量精度就会下降，这一频率就是仪表的带宽，它由仪器的幅频特性决定。,定义：在幅频特性中，仪表的灵敏度下降3,dB，,此时的频率为仪表的带宽。,17,带宽,注：只能测量,AC,电压的仪表，必须对高频和低频带宽都加考虑。,100%（0dB）,71%（-3dB）,仪表的带宽（,BW）,只能测量低频交流的仪表在处也下滑,。,幅频特性曲线,18,选择示波器的带宽依据,以谐波情况为核心选择示波器；,以上升沿情况选择示波器；,19,谐波,除绝对的正弦波之外，周期波含的一切频率分量称谐波。谐波频率是基波频的整数倍。,周期波无论其波形如何都有谐波。,周期波给定的频率为基波频率。,方波,基波为正弦波,20,以方波为例,方波是由基波与无数奇次谐波叠加所构成，包含的谐波越多，波形越近似方波。,方波的质量根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同。,每个谐波的幅度必须使波形成为方波所需要的恰当值。,此外，谐波之间的相位关系也必须正确：,谐波以不等量延迟，即使谐波幅度正确，方波也会失真。,21,叠加3次谐波,叠加5次谐波,基波,叠加7次谐波,叠加9次谐波,方波,22,由方波为例得知,正弦波只有一个基波，仪表的带宽必须至少是波形的频率。,但是，在大多数情况下，这仅仅是最基本的，如果只是这样，是不够精确的，甚至是错误的。,要对波形进行准确的测量，对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。假如组成波形的主要谐波分量超出仪表的带宽，那么我们就不能精确地测得波形的参数。,23,仪器带宽对测量波形影响,测量20,MHz,的方波,在200,MHz,带宽示波器测试所显示的结果,在20,MHz,带宽示波器测试所显示的结果,示波器所显示的波形,24,带宽对方波的影响,带宽如何在时域影响波形。,信号进入示波器首先是通过放大器，它是一个低通滤波器。,放大器的带宽很宽（和基波比较），输出方波不表现失真。,放大器的带宽变窄，波形中的某些谐波不能通过，输出的方波发生畸变，产生误差。,放大器带宽很窄，输出的几乎完全不像方波，由于缺少主要的谐波分量，波形呈圆弧状。,25,低通滤波器,高带宽时的输出,中带宽时的输出,低带宽时的输出,输入,输出,26,波形的谐波与测量精度的关系,波 形 重要谐波数（基波10）,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） 1:26,注：列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：,27,上升时间,理想的方波和脉冲波的电压是有突然变化的波形，陡变有一定时间这取决于系统带宽及其他电路参数。,波形从一种电压变至另一种电压的时间称为上升时间,上升时间通常在过渡的10至90处,90,10,上升时间测量,28,上升延同带宽的关系,测量仪表的带宽将影响脉冲和方波的上升时间，上升时间和带宽的关系由下式决定：,T,上升,0.35/,BW,BW=,带宽（3,dB,时的频率）（单位,Hz）,波形从最小值过渡到最大值越快，所含谐波就越多，波形所含的频率量也越高。,仪表的上升时间应小于被测量信号波形的上升时间。,测量所得的上升时间 信号上升时间,2,测量仪表上升时间,2,29,波形上升时间与测量精度的关系,信号上升时间仪表上升时间之比,上升时间测量精度,1:1 41%,2:1 22%,3:1 12%,4:1 5%,5:1 2%,7:1 1%,10:1 0.5%,30,总结：选择示波器的带宽,波形的重要谐波,列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：,波 形 重要谐波数（基波10）,正弦波 1:1,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） 1:26,（ 正弦波基波为：1 ）,上升时间与测量精度,信号上升时间 上升时间,仪表上升时间 测量精度,之比 ,1:1 41%,2:1 22%,3:1 12%,4:1 5%,5:1 2%,7:1 1%,10:1 0.5%,31,采样,采样是等间隔地进行；,采样率以 “点/秒”来表示,。,采样点,数字化需要的,保持时间,采样间隔,32,采样过程,采样时发生了什么？,.,.,.,1 1 ,0 1 ,1 1 ,1 1 ,1 0 ,0 1 ,0 0 ,1 1 ,信号,采样,数字化,存储,采样保持,转换成为数据,顺序存储,屏幕显示选定,部分的内存,屏,幕,33,采样过程,模拟信号转化为数字信号经变换后最终恢复成模拟波形显示在示波器上，通俗地说，采样实际上是在用点来描绘进入示波器的模拟信号。,“死区”指的是仪表不捕获信号的时间，如：数字化过程、数据处理过程，模拟示波器的回扫过程,数据存储到存储器中，还可以进行预触发，后触发的观察与分析。,34,采样率对单次信号的捕获的影响,数字实时采样技术轻易地捕捉到5,ns,的毛刺,最小水平时基为100,ns，,即未能对单次毛刺进行捕捉,35,单次采集带宽,单次采样带宽也就是我们常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了所构建的单次波形的完整性 。,波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。,36,幅度,时间,对于单次事件，示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍从而保证信号在恢复时不发生混迭现象。,37,总结：采样率的选择,我们在确定示波器的带宽后，还要选择足够的采样率来与之相配合，这样才能获得适合于实际测量中的实时带宽，从而获得满意的测量结果。,如果在实际的测量中，比较重视单次信号的精确信息，我们建议采样率要在带宽的五倍以上，最好能在八到十倍。,38,示波器的触发,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 。,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。,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。,不正常触发,正常触发,a,b,c,1,2,3,39,触发耦合,触发耦合：触发信号与触发电路的耦合方式,默认时为直接耦合，触发源直接连到触发电路,非直接耦合：触发源通过一个串联的电容连到触发电路,HF,抑制：使触发源信号通过低通滤波器以抑制高频分量，这意味即使一个低频信号中包含很多高频噪声，仍能使其按低频信号触发。,LF,抑制：使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分，这对于显示包含很多电源交流声的信号时的情况是很有用的。,TV,触发：在,TV,模式下触发电平控制不起作用。这时示波器使用视频信号中的同步脉冲作为触发信号。,TV,触发有两种模式，,TVF,场和,TVL,行,数字示波器的高级触发功：单次、毛刺、宽度、欠幅脉冲、斜率、建立/保持逻辑（定时关系和状态分析）,TV（,可选场/行和行计数）,40,触发隔离（,Hold off）,有些信号具有多个可能的触发点，如下图数字信号。,该信号虽然在较长的时间周期内是重复的，但是在短时间内情况则不然，这样一来，正常触发扫描出的波形出现混迭。,为解决这个问题，采用了触发隔离功能，即在各次扫描之间加入延迟时基，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。,另一方面，触发隔离的使用显然在波形捕获方面遭到了损失。,41,隔离时间过短波形混迭,正确隔离时间,42,数字示波器的高级触发功能,高级触发功能的模式，主要针对数字信号：,首先，对偶尔出现问题的信号现象进行预测；,确定脉冲的受限状态况，以及安排用一个脉冲，或者是与这些状况相匹配的脉冲来触发。,具体形式有：,脉冲宽度触发；,矮脉冲触发；,脉冲斜率触发；,逻辑触发,建立/保持时间触发,43,记录长度,定义：,一个波形记录是指可被示波器一次性采集的波形点数。,最大的记录长度由示波器的存储容量决定，要增加存储容量才能增加记录长度。,记录长度和观看波形细节有关：,44,波形的存储,示波器的存储由两个方面来完成：,触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起点；,示波器的存储深度决定了数据存储的终点。,触发点,延时时间,记忆长度,起点,终点,45,预触发,其他方面应用如 ：开关特性输入和输出瞬态特性，以输出信号触发来观看研究输入的小信号。,捕捉毛刺,毛刺,预触发,单次采样,46,单次信号的捕获应用广泛,实际工作中，比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析，这些都是每天都要面对的。,（稳态和瞬态的分析）,欠幅脉冲捕捉,毛刺捕捉,47,数字示波器滚动模式,滚动模式是一种可以应用于全连续显示的方式,在这种模式下，示波器采集采样点并立即将采集的数据复制到显示存储器。而这些新的采样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动。老的采样点一但移到屏幕左面即行消失。这样一来屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。,由于有了滚动模式，就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，如化学过程、电池的冲放电周期或温度对系统性能的影响等。,48,数字荧光示波器（,DPO）,1998年,Tektronix,终于出现了一款数字荧光示波器（,Digital Phosphor Oscilloscope),简称,DPO。,将“波形更新率”提升到每秒20万次如模拟示波器一样，并改进了显示技术，是一部纯数字的示波器。,DPO,在截取技术上一改过去的,DSO,串列式的处理方式，以平行运算方式提升截取速度增加波形更新率，并建立3,D,资料库。,49,数字荧光示波器（,DPO）,的 定义,数字荧光示波器,能够以信号的三维信息，即：幅度，时间，以及幅度随时间的变化，实时地显示，存储与分析复杂信号的新一代示波器。,50,波形的捕获的比较,模拟示波器,数字存储,示波器,数字荧光,示波器,51,示波器的波形捕获率,波形捕获率也就是波形刷新率，已经成为考核一台示波器的重要参数之一；,对于示波器来说，波形捕获率高，就能够组织更大数据量的波形质量信息，尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信号下的异常波形的捕获方面，有着特别的作用。,52,为什么模拟示波器产品不能够,模拟示波器的缺点,只有纯粹的视觉信息,闪烁，丢失,带宽不够,只有边沿触发，无预触发,53,为什么数字示波器产品不能够,普通数字示波器的缺点,波形捕获率低,由于数据不够，造成混跌,2维数据显示不能表明事件发生频度,54,数学荧光示波器特点,将,ART,和,DSO,的定性和定量性能合二为一，是一项可观的成就。,提供三维的信号信息，可用它解释信号的动态特性，包括信号瞬态变化情况和事件频率，可精确地显示复杂信号，如视频信号或数字波形上的高速异常信号等。,DPO,提供的信号数据远远多于,DSO，,可确保看到所有信号细节，；可防止出现数字混淆现象，并能够轻松地捕获偶发信号事件。,55,Q&A,56,