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示波器性能术语及应用

    如前所述,示波器类似于照相机,能够捕获我们所感知的信号源图象。按快门的速度、采光条件、光圈和胶卷的ASA 等级都会影响照相机捕获图象的清晰度与精准度。示波器的基本体系结构也类似,示波器的性能考虑将在很大程度上影响到其对所要求的信号源完整性的实现能力。

    掌握一门新技术通常涉及到学习新的词汇,学习使用示波器 色差仪 也是如此。本部分将描述一些常用的度量标准和示波器的性能术语。这些术语用来描述一些基本准则,而这些准则正是正确选择操作所用的示波器的依据。理解和掌握这些术语将有助于评定和比较不同的示波器。

带宽

    带宽决定示波器对信号源的基本测量能力。随着信号源频率的增加,示波器对信号源的精准显示能力将下降。本规范指出示波器所能精准测量的频率范围。


    示波器带宽指的是正弦输入信号源衰减到其实际幅度的70.7% 时的频率值,即- 3dB 点,基于对数标度(见图46)。

    如果没有足够的带宽,示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真,边缘将会消失,细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽,得到的关于信号源的所有特性,响铃和振鸣等都毫无意义。

    测定示波器带宽的方法:在具体操作中精准表征信号源幅度,并运用5倍准则。使用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过+/-2%,对今天的操作来说已经足够。然而, 随着信号源速率的增加,这个经验准则将不再适用。记住,带宽越高,再现的信号源就越精准(见图47)。

上升时间

    在数字世界中,时间的测定至关重要。在测定数字信号源时,如脉冲和阶跃波,可能更需要对上升时间作性能上的考虑。示波器必须要有足够长的上升时间,才能精准地捕获快速变换的信号源细节。


    上升时间描述示波器的有效频率范围。一般用下面的公式来计算特定信号源类型示波器的上升时间:

    请注意,选择示波器上升时间的依据类似于带宽的选择依据。对于带宽,考虑到信号源速率的极端情况,这个经验准则也并不总是适用。记住,示波器的上升时间越快,对信号源的快速变换的捕获也就越精准。在一些应用中,可能只有信号源的上升时间是已知的。带宽和上升时间通过一个常数相关联:

    其中,k 是介于0.35 和0.45 之间的常数,它的值取决于示波器的频率响应特性曲线和脉冲上升时间响应。对带宽小于1 GHz的示波器,其常数k 的典型值为0.35,而对带宽大于1GHz 的示波器,其常数k 的值通常介于0.40 和0.45 之间。

采样速率

    采样速率:表示为样点数每秒(S/s),指数字示波器对信号源采样的频率,类似于电影摄影机中的帧的概念。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,如图50 所示。如果需要观测较长时间范围内的慢变信号源,则最小采样速率就变得较为重要。典型地,为了在显示的波形记录中保持固定的波形数,需要调整水平控制按钮,而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化。

    如何计算采样速率?计算方法取决于所测量的波形的类型,以及示波器所采用的信号源重构方式。为了精准地再现信号源并避免混淆,奈奎斯特定理规定,信号源的采样速率必须不小于其较高频率成分的两倍。然而,这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号源。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度,而且,从定义上看,低频干扰是不连续的,所以,采用两倍于最高频率

成分的采样速率通常是不够的。

    实际上,信号源的精准再现取决于其采样速率和信号源采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择:测量正弦信号源的正弦插值法,以及测量矩形波、脉冲和其他信号源类型的线性插值法。

    在使用正弦插值法时,为了精准再现信号源,示波器的采样速率至少需为信号源较高频率成分的2.5 倍。使用线性插值法时,示波器的采样速率应至少是信号源最高频率成分的10 倍。

    一些采样速率高达20GS/s,带宽高达4GHA的测量系统用5倍于带宽的速率来捕获高速,单脉冲和瞬态事件。


波形捕获速率

    所有的示波器都会闪烁。也就是说,示波器每秒钟以特定的次数捕获信号源,在这些测量点之间将不再进行测量。这就是波形捕获速率,表示为波形数每秒(wfms/s)。采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内,采样输入信号源的频率,波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别,且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号源特性,并能极大地增加示波器快速捕获瞬时的异常情况,如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率(参见图51 和52)。

    数字存储示波器( DSO)使用串行处理机制,每秒钟可以捕获10到5000个波形。一些DSO提供一种特殊的模式,它能迅速把各种捕获信息存储到海量存储器中,暂时提供较高的波形捕获速率,而随后是较长的一段处理时间,这段处理时间内不重新活动,减少了捕获稀少和间歇事件的可能性。

    大多数数字荧光示波器( DPO)采用并行处理机制来提供更高的波形捕获速率。一些DPO可以在一秒钟之内获得数百万个波形,大大提高了捕获间歇的和难以捕捉事件的可能性,并能让用户更快地发现信号源中存在的问题。而且,DPO的实时捕获和显示三维信号源特性(如幅度、时间以及幅度的时间分布特性)的能力使其能够得到更高等级的信号源特性。

记录长度

    记录长度表示为构成一个完整波形记录的点数,决定了每个通道中所能捕获的数据量。由于示波器仅能存储有限数目的波形采样,波形的持续时间和示波器的采样速率成反比。

    现代的示波器允许用户选择记录长度,以便对一些操作中的细节进行优化。分析一个十分稳定的正弦信号源,只需要500 点的记录长度;但如果要解析一个复杂的数字数据流,则需要有一百万个点或更多点的记录长度。

触发能力

    示波器的触发功能在正确的信号源位置点同步水平扫描,决定着信号源特性是否清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单脉冲波形。关于触发性能的更多的信息请参考性能术语和应用的触发器部分。

有效比特

    有效比特是示波器精准再现正弦信号源波形的能力的度量。这个度量将示波器的实际错误同理论上理想的数字化仪进行比较。由于实际的误差数包括噪声和失真,所以,必须指定信号源的频率和幅度。

频率响应

    仅仅采用带宽是不足以保证示波器精准捕获高频信号源的。示波器设计的目标是一个特定类型的频率响应:较大平坦包络时延(MFED)。此类型的频率响应用最小的过冲和阻尼振荡,提供极好的脉冲逼真度。由于数字示波器是由实际的放大器、衰减器、模数转换器(ADC)、连接器和继电器组成,MFED响应只是对目标值的一个逼近。不同模型和不同制造商的产品的脉冲逼真度有着很大的不同(图46 说明了这一概念)。

垂直灵敏度

    垂直灵敏度指示垂直放大器对弱信号源的放大程度,通常用每刻度多少毫伏(mv)来表示。多用途示波器能检测出的最小伏特数的典型值约为1mv 每垂直显示屏刻度。

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