合理选择和巧用数字示波器

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摘 要 数字示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，本文介绍了如何合理选择、灵活使用数字示波器和笔者在工作中的一些经验

体会。

关键词 数字示波器；测量；带宽；采样速率

中图分类号 TM935.37 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)021-0190-01

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。如果选择和使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测量准确度。以下着重就比较重要的几点进行

论述。

1 根据测试需要确定对带宽的要求

测量交流波形的仪器通常都有一频率上限，如果波形的频率在此之上则测量准确度会降低。所需仪器带宽的数值取决于被测信号的特征以及你希望得到的测量准确度。很多数字示波器提供的模拟带宽比其基本采样率要高，这一指标通常用来衡量示波器模拟放大器部分的带宽。示波器的实时带宽适用于非重复或单次信号。示波器在一次触发过程中完成所有的采集，所以实时带宽取决于示波器的采样率，采样率与带宽之间的比值不是固定的。如果示波器有数字重构能力，这比值接近于4：1，如果没有，这比值通常是10：l。很多波形中包含的重要频率成分比波形的基频高出很多倍。例如，方波中包含比信号基频高出十倍的频率。高带宽示波器能使你更精确地观测这些高频成分。

为了验证这一点，分别用500 MHz、150 MHz和100 MH在的示波器观测50 MHz的方波信号，结果显示其中500 MHz示波器精确地显示了其中的高频成分，并且测量的上升时间也最接近波形的真实数值，150 MHz示波器显示的波形中则明显丢失了高频信号，而且显示的上升时间也较真实值慢了很多，100 MHz的示波器则使上升时间看起来变得更慢。同时，还伴有幅值的衰减。

由上面试验可以看出，虽然波形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带宽、扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不仅与带宽、扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。

作为一基本准则，所使用示波器的带宽应至少高出被测信号中的最高频率四倍左右。 如果需要更高的精度，那么要求的带宽将更高。

2 根据测试需要确定对采样速率的要求

通过试验验证对于单次信号测量，最关键的性能指标是采样速率，高采样速率可以产生高实时带宽以及高的实时分辨率。目前大多数示波器生产厂商采用采样速率与实时带宽为4：1（如果采用数字重构技术）或10：1（没有采用数字重构技术）的比例来防止出现波形混迭现象的发生。某些示波器提供了独立控制采样速率的功能，这样就可以同时调节采样速率和屏幕显示的数据量（时基），使二者设置不必互相牵制。这一特征可以使我们保持所希望的时间分辨率来观测波形。同时在测量中还应该注意到示波器的标称采样速率一般只适用于单通道采样。某些示波器在多通道均处于工作状态时采样率将会降低。这样由于改变了示波器的采样速率与信号带宽之间的关系，所以就增加了出现假波的可能性。还有就是由于记录长度的限制，大多数示波器只在最快水平扫速条件下才以最大速度采样。在水平扫速变慢时，采样速率将降低。另外在捕捉单次事件时，应同时考虑存储深度和采样速率的重要性。如果需要不间断连续观测，就需要拥有既可以保持很高的时间分辨率，又具有足够的内存来存储整个事件的示波器。

3 根据测试需要确定对存储深度的要求

测量所需要的示波器存储深度取决于要求的总时间测量范围以及要求的采样速率。如果想以高分辨率存储长时间段信号，那么就需要选择深存储示波器。这样，就可以在水平扫描速度低的情况下，采用高采样速率。由此将大大减少出现假波的机会，并且获得更多的波形细节信息。然而深存储的缺点是由于示波器需要处理更多的数据，所以响应速度将会变慢。

4 考察示波器必备的毛刺捕捉能力

更新速率：数字示波器必须首先捕获数据然后进行处理，最后进行显示。示波器在一秒钟内可以完成这三个过程的次数称为更新速率。更新速率快的示波器捕捉偶发毛刺的机会比较高。采用多处理器结构的示波器比传统的单处理器结构示波器具有更快的更新速率，使它更适用于捕捉偶发事件。

大多数数字示波器在低扫速时将丢掉采样点，从而降低了有效采样速率。由此引发了这样一个问题，在设定成快速时基时很容易观察到的窄脉冲在扫速低时消失了。然而对于峰值检测或毛刺检测这一特殊采样模式，在所有的扫描速度下均维持最大采样速率，把每一采样周期获得的最大和最小值记录下来。可以检测到的最小毛刺只与示波器的采样速率有关。

5 正确判别波形混跌的产生

在实际测量中，对于一个未知频率的波形，应如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？这可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。另外可以尝试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号

变化。

6 对于寄生波形和微小信号的测量

观察1%以下寄生波形，无论是模拟示波器还是数字示波器，观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高，如某500 MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%，这并不比数字示波器（通常精度为1%～2%）更具优势，而且对细节，数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更精确。

还有，有时候示波器正常，但是用示波器观察被测信号时，波形却显示的杂乱无章，通过观察发现，导致这样的原因是：被测信号的接地端与示波器地线没有共地。这种情况下，通常可以利用示波器的自检信号来检查探头和示波器是否正常，若示波器和探头均正常，则是被测波形不正常。在测量幅度很小信号的时候，可把探头的接地线拔掉（此时接地线相当于天线，对小信号产生干扰），同时为了很好地消除噪声引起的误触发，“获取方式”可选择为“平均”模式。

参考文献

[1]电子测量技术.2007

[2]JJFl057-1998数字存储示波器校准规范.