原创 数字示波器使用

一、数字示波器使用必须注意问题

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。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

a.区分模拟带宽和数字实时带宽

　　带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

b.有关采样速率

　　采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。

　　1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象

　　如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？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。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：
　　·调整扫速；
　　·采用自动设置（Autoset）；
　　·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。

　　·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。

　　2.采样速率与t/div的关系

　　每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：
　　　　　　fs=N/(t/div)　　　　　　　N为每格采样点
　　当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：
表1扫速与采样速率
t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25
　　综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。
数字示波器的上升时间

　　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。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数据：
表2扫速与上升时间
t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216
　　由上面这组数据可以看出，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。

C. 探头是怎样工作的

 

　　示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其没的特性，以适应各种不同的专门工作的击破要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。
　　我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。

 

屏蔽

 

　　探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一面导线来代替探头，那到它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，其些这类噪声甚至还能抽向注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过们于探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。

 

探头带宽

 

　　和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。如果我们使用一台100MHz的示波器和一个100MHz的探头，那么它们组合起来的响应就小于100MHz，探头的电容和示波器的输入电容相加，这就减小了系统的带宽，加大了显示的上升时间tr见第一章1.3节上升时间。

 

使用公式

 

　　tr(ns)=350/BW(MHz)

 

　　 如果示波器和探头各自均为100MHz带宽，其上升时间均为tr=3.5ns 。则有效系统上升时间就由下式给出：

 

　　 trsystem=sqr(t2rscope+t2rprobe)

 

　　 =sqr(3.52+3.52)ns

 

　　 =sqr(24.5)2ns

 

　　 =4.95ns

 

　　根据4.95ns的系统上升时间求得，系统带宽为350/4.95MHz=70.7MHz。
　　 Fluke公司给所有示波器配备的探头都能使示波器保证在探头尖端获得规定的示波器带宽，从上述的计算可以看出，视觉要求探头本射的带宽要比示波器的带宽宽得多。

 

负载效应

 

　　当我们进行测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的。
　　实际上，每个探头都有其输入阻抗，输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。由于探头引入的额外负载，所以连入探头后就会影响被测电路我以当我们分析测量结果时必须考虑探头的特性以及测试电路的阻抗。
　　有些探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，因此，在其工作频率范围或有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为1：1或X1探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容（包括电缆的电容）与示波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。见图42。
图42 探头的等效电路

 

　　当信号频率啬时，探头的容性负载效应京戏得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以及探头本身构造等原因，1：1探头的输入电容通常可以从大约35pF到100pF以上，这等于给被测电路施加了一个低阻抗菌素负载，具有47pF输入电容1：1探头在20MHz之下的电抗仅为169W，这就使得这个探头在此频率无法使用。

 

衰减式探头减小了负载效应

 

　　我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，因为我们现在已经引入了一个分压器。
　　图43给出了一处简化的探头等效电路，Rp和Rs构成了一个10：1的分压器，Rs为示波器的输入阻抗。调节补偿电容C补偿使得探头和示波器械相匹配，视觉保证了在探头的尖端获得正确的频率响应曲线，宋一来就使得这种探头的频率响应比1：1探头频率响应要宽得多。
图43　10：1探头电路图

 

    示波器的标准输入电阻为1MΩ。这就要求在探头中串联9MΩ的电阻，使得在低频时探头尖端的输入阻抗为10MΩ。

 

探头补偿

 

　　一个实际的10：1探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频率响应，这些可调元件的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去调节。这个电容称为低频补偿电容，应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作，示波器的这个输出端标有"探头调节"、"校准器""CAL"或者"探头校准"等标志，并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送至示波器时，就能在示流器屏幕上再现方波信号。图44示出探头欠补偿，正确补偿和过补偿的影响。

图44　在2kHz方波和1MHz正弦波之下观察不同探头补偿情况的影响。

 

　　可以看出，在较高的的频率下探头过补偿和欠补偿和欠被偿情况下1MHz正弦波的幅度是很不准确的。
　　所以在使用的衰减探头之前一定不要忘记检查探头的补偿情况。由于一台示波器的不同输入通道的输入电容可能有小的差异，所以您应当按照示波器上要使用的通道来进行探头补偿调整工作。

 

最大输入电压　　多数通用10：1探头的构造使这些探头适合于最大输入电压为峰值400V或500V的情况下使用，所以这些探头可以用于信号电平高达数百伏的广泛的应用场合，对于需要测量更高电压的场面合，我们推荐使用电压额定值更高的100：1探头。

 

探头读出

 

　　现代示波器探头都装有编码系统，使得示波器能够识别与它相连年的探头类型。从而使示波器能够高速垂直偏转指示值及所有幅度测量结果以避免发生泥淆。而如果使用不带这种识别系统的探头，则用户就不得不自己为所有波形显示和测量结果重新定樯以便反映出探头的衰减量。

 

接地引线电感

 

    图45说明探头的接地引线电感如何与探头及示波器的输入电容形成串联谐振电路。而探头的输入电阻则在谐振电路中引入阻尼。

图45　带有接地引线电感的探头等效电路

 

　　像其它谐振电路一亲，如果在探头上加入阶跃电压则此谐振电路也会发生振铃现象，过大的接地引线电感还会使示波器显示的上升时间变差，图46显示出使用不同长度的接地引线时，连至示波器的快速上升沿脉冲的显示波形。

图46　接地引线对脉冲响应的影响

 

    从图中我们可以清楚的看到接地引线电感对测量结果的影响，所以一定要使探头的接地引线尽可能的短，特别是在测高频和快速上升沿的信号时尤应注意。

 

安全接地

 

　　为保证电气上的安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。被测信号有可能和地线具有相同的参考电位，但并非必然如此，因此在连接探头的地线时，一定要注意不要因此而把被测系统的某一部分短路。另一方面，既使被测系统和示波器的地线具有相同的参考电位，这也并不意味着可以用安全地线来作信号返回通路，这是由于安全地线连接走线很长，具有很大的引线电感，因此不适合作信号返回通路。这时一定要用探头的接地引线来作为信号的参考地线