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示波器的十問詳解
2012-03-20
示波器是我們電子工程師使用頻率最高的一個分析測試儀器，示波器數(shù)字示波器一直是工程師設(shè)計、調(diào)試產(chǎn)品的好幫手，示波器被稱為工程師的另外一雙眼睛。可見示波器對工程師來說的重要性，因此，熟練使用示波器是每一個電子工程師必須掌握的技能。但隨著計算機、半導(dǎo)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(dǎo)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、測量方法會不會引入干擾，甚至還有所使用的探頭是否合適等等。長沙艾克塞普儀器設(shè)備公司特編輯此文，希望能夠解答工程師的疑問。
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最大可以測到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)的最大帶寬是20MHz，如果在探頭前端使用連接導(dǎo)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，即使能看到信號也絕對不是方波，而是幅值被衰減了的正弦波。
當(dāng)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(dāng)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最大采樣速率。
問題3：在PLL中周期抖動可以衡量一個設(shè)計的好壞，但是要精確測量卻非常困難，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(dāng)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，最近也出現(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(dāng)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精確。
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))。總的來講，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)信號中的異常現(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最大采樣率的限制，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，一般考慮最多的是帶寬，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，希望最小采樣間隔(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，最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，放大波形，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，放大波形，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(dāng)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(dāng)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(dāng)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最大采樣率。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最大采樣速率，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(dǎo)致實際采樣率不高，這一點跟廠家提供的指標關(guān)系不大。
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最大可以測到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)的最大帶寬是20MHz，如果在探頭前端使用連接導(dǎo)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，即使能看到信號也絕對不是方波，而是幅值被衰減了的正弦波。
當(dāng)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(dāng)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最大采樣速率。
問題3：在PLL中周期抖動可以衡量一個設(shè)計的好壞，但是要精確測量卻非常困難，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(dāng)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，最近也出現(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(dāng)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精確。
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))。總的來講，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)信號中的異常現(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最大采樣率的限制，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，一般考慮最多的是帶寬，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，希望最小采樣間隔(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，最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，放大波形，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，放大波形，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(dāng)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(dāng)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(dāng)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最大采樣率。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最大采樣速率，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(dǎo)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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