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技術(shù)文章

新型數(shù)字示波器的應(yīng)用
示波器一直是工程師設(shè)計、調(diào)試產(chǎn)品的好幫手。但隨著計算機、半導體和通信技術(shù)的發(fā)展，電路系統(tǒng)的信號時鐘速度越來越快，信號上升時間也越來越短，導致因底層模擬信號完整性問題引發(fā)的數(shù)字錯誤日益突出。針對這些新的測試挑戰(zhàn)，示波器供應(yīng)商不斷推出了性能更好的數(shù)字示波器。但要想準確快速地對系統(tǒng)信號進行分析，測量時還有很多新的因素必須考慮。如儀器速度能否跟上被測信號的變化、帶寬是否足夠、測量方**不會引入干擾，甚至還有所使用的探頭是否合適等等。

 

　　問題1：每臺示波器都有一個頻率范圍，比如10M、60M、100M...我手頭用的示波器標稱為60MHz，是不是可以理解為它*大可以測到60MHz？可我用它測4.1943MHz的方波時都測不到，這是什么原因？

 

　　答：60MHz帶寬示波器，并不意味著可以很好地測量60MHz的信號。根據(jù)示波器帶寬的定義，若輸入峰峰值為1V的60MHz正弦波到60MHz帶寬示波器上，您在示波器上將看到0.707V的信號(30%幅值測量誤差)。如果測試方波，選擇示波器的參考標準應(yīng)是信號上升時間，示波器帶寬＝0.35/信號上升時間×3，此時您的上升時間測量誤差為5.4%左右。

 

　　示波器的探頭帶寬也很重要，若使用的示波器探頭包括其前端附件構(gòu)成的系統(tǒng)帶寬很低，將會使示波器帶寬大大下降。如若使用20MHz帶寬的探頭，則能實現(xiàn)的*大帶寬是20MHz，如果在探頭前端使用連接導線，將會進一步降低探頭性能，但對4MHz左右方波不應(yīng)有太大影響，因為速度不是很快。

 

　　另外還要看一下示波器使用手冊，有的60MHz示波器在1:1設(shè)置下，其實際帶寬將銳減到6MHz以下，對于4MHz左右的方波，其三次諧波是12MHz，五次諧波是20MHz，若帶寬降到6MHz，對信號幅值衰減很大，即使能看到信號也**不是方波，而是幅值被衰減了的正弦波。

 

　　當然，測不出信號的原因可能有多種，如探頭接觸不好(該現(xiàn)象很容易排除)，建議用BNC電纜連接一函數(shù)發(fā)生器，檢驗該示波器本身有沒有問題，探頭有沒有問題，如有問題，可和廠家直接聯(lián)系。

 

　　問題2：有些瞬時信號稍縱即失，如何捕捉并使其重現(xiàn)？

 

　　答：將示波器設(shè)置成單次采集方式(觸發(fā)模式設(shè)置成Normal，觸發(fā)條件設(shè)置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當值，然后將掃描方式設(shè)置成單次方式)，注意示波器的存儲深度將決定您能采集信號的時間以及能用到的*大采樣速率。

 

　　問題3：在PLL中周期抖動可以衡量一個設(shè)計的好壞，但是要**測量卻非常困難，有什么方法和技巧嗎？

 

　　答：在使用示波器時，要注意其本身的抖動相關(guān)指標是否滿足您的測試需求，如示波器本身的觸發(fā)抖動指標等。同時要注意使用不同的探頭和探頭連接附件時，若不能保證示波器的系統(tǒng)帶寬，測量結(jié)果也會不準確。另外關(guān)于PLL設(shè)置時間的測量，可使用示波器+USB-GPIB適配器+軟件選件來完成，也可用較為便宜的調(diào)制域分析儀。

 

　　問題4：為什么我的示波器有時候抓不到經(jīng)過放大后的電流信呢?

 

　　答：如果信號的確存在，但示波器有時能抓到有時抓不到，這就可能和示波器的設(shè)置有關(guān)系。通常可將示波器觸發(fā)模式設(shè)置成Normal，觸發(fā)條件設(shè)置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當值，然后將掃描方式設(shè)置成單次方式。如果這種方式還不行，那就可能是儀器出了問題。

 

　　問題5：如何測量電源紋波？

 

　　答：可以先用示波器將整個波形捕獲，然后將關(guān)心的紋波部分放大來觀察和測量(自動測量或光標測量均可)，同時還要利用示波器的FFT功能從頻域進行分析。

 

　　問題6：新型數(shù)字示波器怎樣用于單片機開發(fā)？

 

　　答：I2C總線信號一般工作速率不超過400Kbps，*近也出現(xiàn)了幾Mbps的芯片，有的示波器在設(shè)置觸發(fā)條件時，無需顧及不同速率的影響，但對其它總線，如CAN總線，則需要先在示波器上設(shè)置CAN總線當前的實際工作速率以便示波器能正確理解協(xié)議，并正確觸發(fā)。若想對Inter-IC總線信號進行進一步的分析，如協(xié)議級分析，可使用邏輯分析儀，但相對來說價格比較高。

 

　　問題7：關(guān)于模擬和數(shù)字示波器比較的問題：1、模擬和數(shù)字示波器在觀察波形的細部時，哪個更有優(yōu)勢(例如在過零點和峰值時，觀察1%以下寄生波形)？2、數(shù)字示波器一般提供在線顯示均方根值，它的精度一般是多少？

 

　　答：1)觀察1%以下寄生波形，無論是模擬示波器還是數(shù)字示波器，觀察精度都不是很好。模擬示波器的垂直精度未必比數(shù)字示波器更高，如某500MHz帶寬的模擬示波器垂直精度是±3%，這并不比數(shù)字示波器(通常精度為1～2%)更具優(yōu)勢，而且對細節(jié)，數(shù)字示波器的自動測量功能比模擬示波器的人工測量更**。

 

　　2)對于示波器的幅值測量精度，很多人用A/D位數(shù)來衡量。實際上，隨著您所用的示波器帶寬、實際采樣率設(shè)置等，它會有所變化。若帶寬不夠，本身帶來的幅值測量誤差就很大，若帶寬夠了，采樣設(shè)置很高，實際的幅值測量精度也不如采樣率低時候的精度(您有時可參考示波器的用戶手冊，它可能會給出不同采樣率下，示波器的A/D實際有效位數(shù))?？偟膩碇v，示波器測量幅值，包括均方根值的精度往往不如萬用表，同理，測量頻率它不如頻率計數(shù)器。

 

　　問題8：毛刺觸發(fā)指標有什么意義(例如5ns)？假如有一個100MHz示波器，測量的方波信號大約是10M左右，而且是占空比1:1左右的方波，設(shè)想一下，一個10M的方波，它的正向或負向的脈寬都是50ns，那么在什么樣的情況下能真正用到5ns這個性能呢？

 

　　答：毛刺/脈寬觸發(fā)一般有兩種典型應(yīng)用場合，一是同步電路行為，如利用它來同步串行信號，或?qū)τ诟蓴_非常嚴重的應(yīng)用無法用邊沿觸發(fā)正確同步信號時，脈寬觸發(fā)就是一個選擇；另一是用來發(fā)現(xiàn)信號中的異?，F(xiàn)象，如因干擾或競爭引起的窄毛刺，由于該異常是偶發(fā)顯現(xiàn)，必須用毛刺觸發(fā)來捕獲(也有一種方法是峰值檢測方式，但峰值檢測方法有可能受其*大采樣率的限制，所以一般是只能看而不能測)。在問題所提的例子中，若被測對象的脈沖寬度是50ns，而且該信號沒有任何問題，也就是說沒有因干擾、競爭等問題引起的信號畸變或變窄，那么用邊沿觸發(fā)就可同步該信號，無需使用毛刺觸發(fā)。根據(jù)不同的應(yīng)用，未必會使用到5ns這個指標，一般用戶將脈寬觸發(fā)設(shè)置為10ns～30ns。

 

　　問題9：在選擇示波器時，一般考慮*多的是帶寬，那么在什么情況下要對采樣速率有所考慮呢？

 

　　答：取決于被測對象。在帶寬滿足的前提下，希望*小采樣間隔(采樣率的倒數(shù))能夠捕捉到您需要的信號細節(jié)。業(yè)界有些關(guān)于采樣速率經(jīng)驗公式，但基本上都是針對示波器帶寬得出的，實際應(yīng)用中，*好不用示波器測相同頻率的信號。若在選型時，對正弦波選擇示波器帶寬應(yīng)是被測正弦信號頻率的3倍以上，采樣率是帶寬的4到5倍，也即實際上是信號的12到15倍；若是其它波形，要保證采樣率足以捕獲信號細節(jié)。若您正在使用示波器，可通過以下方法驗證采樣率是否夠用：將波形停下來，放**形，若發(fā)現(xiàn)波形有變化(如某些幅值)就說明采樣率不夠，否則無礙。另外也可用點顯示來分析采樣率是否夠用。

 

　　問題10：如何理解“考核波形采樣率夠不夠時，將波形停下來，放**形，若發(fā)現(xiàn)波形有變化(如某些幅值)就說明采樣率就不夠，否則無礙。也可用點顯示來分析采樣率是否夠用。”？

 

　　答：我有幸給用戶做過實測，曾親歷這種現(xiàn)象。當時被測對象是一種看上去很隨機且高速變化的信號，用戶將觸發(fā)電平設(shè)在-13V左右。波形采集下來后想放大測量細節(jié)時，卻發(fā)現(xiàn)改變示波器時基(SEC/DIV)設(shè)置時，信號幅值突然變小，我當時將示波器改成點顯示，發(fā)現(xiàn)好像是點數(shù)(存儲深度)不夠，但我比較點顯示和矢量顯示后，發(fā)現(xiàn)若矢量顯示有一定可信性，那么就是當前的兩個采樣間隔(采樣率的倒數(shù))中信號有突變，但未能被采集到(采樣間隔不夠細，即采樣率不夠高)。我換了一臺同樣存儲深度但采樣率較高的示波器，發(fā)現(xiàn)問題消失了。

 

　　存儲深度也會影響示波器能用到的實際*大采樣率。存儲深度太淺可能是個問題，因為存儲深度可能限制能實際用到的*大采樣速率，但實質(zhì)上是采樣率不夠，丟失了信號細節(jié)。存儲深度不夠深，可能會導致實際采樣率不高，這一點跟廠家提供的指標關(guān)系不大。

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