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示波器性能与被测信号的关系

时间:2018-06-01
 

在进行测量时,了解示波器 的能力是很重要的,如标在示波器面板上的带宽和采样率以及示波器的存储单元的长度、上升时间等参数,它们将决定你的示波器能测量什么样的波形。   

了重建一个波形,至少需要一定数量的采样点,而且在任何情况下采样时钟的频率都必须比信号频率高五至十倍。   

对于上升时间的测量来说,情况也是这样。如果使用一台上升时间比被测信号的上升时间快10倍的示波器来进行测量,那么示波器木身的上升时间对测量的影响将几乎可以忽略。然而如果示波器的被测信号的上升时间相同,那么引起的测量误差可高达41%   

下面,通过例子来说明示波器性能与被测信号之间的关系。   

(1)上升沿与采样率的关系   

假设被测信号为一个25MHz的方波,上升沿为5ns,要精确测量此信号,则示波器在信弓的上升沿最少应能采样10个点,那么采样点间隔最少为500ps,示波器的采样率最少为2Gs/s。若要完整 示信 的一个周期, 50ns时间轴上(时基调整到5nS/div)分布的500个点都是采样获得而非插值,则采样间隔最少为 100ps,这就要求示波器采样率为10GS/s。这样卨的采样率只能通过等效采样获得,而且要求被测波形是稳定的周期信号。   

(2)带宽与被测信号的关系   

同样,要测量上述方波,对示波器带宽也有严格的要求。   

从埋论上说,方波是由其基波和基波的奇次谐波分量组成,示波器的带宽所能通过的奇次谐波分量越多,重现的方波越准确。因此,在测量中选择示波器的带宽越大越好,至少应大于方波某频分量的10倍。   

在实际测量中,被测方波往往还包含偶次谐波分量,并叠加有频率史高的过冲及毛刺等,若要对 这些特性进行测量,则要求示波器的带宽至少能通过这 些信号,而且采样率足够 ,带宽具体大到什么程度要根据对被测信 的要求而定,因为带宽越大,示波器 成本    

(3)示波器的上升时间与被测信兮的关系   

在模拟示波器中,上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在有 数字示波器中,上升时间甚至都不作为指标明确给出。当示波器的上升时间比信号的上升时间快5倍时,被测 信号的异常幅度衰减对达到2% 下表给出了示波器上升时间与被测信号上升时间的关系。从表中可以看出,示波器的上升时间越快,测得的信号越准确。 

 

另外,信号上升时间的测量还与示波器的时基选择有关, 虽然信号的上升时间是一个 定值,而用数字示波器测量出来的结果却因为时基选择的不同而相差甚远。得到最大采样率的 时基越小测得的上升时间最小;时基越大测得的信 上升时间越大。   

 基与采样率的关系为:   

时基(t/div) = 50(每格点数)/采样率   

时某越小,要求采样率越大。在实际测量中,采样率还受到存储深度的影响。   

(4)采样率和采样存储深度   

实际上采样率 一个与 时基及存储深度有关的变化量,并不总等于厂家所给的最卨采样率。例如某示波器,存储深度为lks/ch,当时基足够快(小)时,采样率为1GS/S,到时基增大至100ns/div帧波形( 10div)的采样时间为 100ns/div×10 div=1μs ,所采点数恰为 s×1 GS/s=1ks,已经把存储器存满。再增加时基,若按1GS/S速度采样就存不下了,只能降低实际采样率。例如 时基增加10倍,采样率就下降10倍。   

存储和显示密度(SDD)的概念,定义为在某时基下,示波器t轴方向每格能用于存储和显示的点数。当SDD不大于显示分辨率时(一般为每格50个点),SDD即为显示密度;当SDD大于 示分辨率时,表示实际存储的点数高于直接显示的需要。可供把波形拉宽观测细节。引人SDD的概念还能直观地判断荧屏上 真实的采样点数是否够用。   

存储和M示密度(S/div)=采样率(S/s) X时基(t/div)  

 

在实际测量中,非常讲究在一次捕获数据后,既能看到信号的全景,又能观察其中非常细小的部分。例如,既要 看清几十位数字信号的脉冲列是否正常,又想仔细观察其中某个脉冲的前沿是否够陡,该边沿部分是否叠加了毛刺或寄生振荡。   

(5)探头对被测信号的影响  

探头往往是测量时被忽略的一个因素,而它对测量结果的影响几乎同示波器一样重要。每台示波器都配有自己专用的探头,带宽和上升时间都与示波器相匹配。然多数探头或者型号相同,或者性能参数相同,但还不提倡混用。

 

探头的带宽和上升时间的选择与示波器相同,在实际测量中,实测得到的trise 不仅与信号的上升沿有关,还与示波器的上升时间及使用探头的上升时间有关:  

式中trise —实际测量得到的上升时间;  

      tosc—示波器的上升时间;  

      taig—信号的实际上升时间;  

      tprobe—探头的上升时间。  

因此,在测量中,性能不同的探头所测得的波形会有差别,在补偿一致的情况下,带宽大,上升时间快的探头测量值更准确  

另外,探头的输阻抗也影响测量的准确度。

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