示波器原理及其應(yīng)用

1、示波器原理及其應(yīng)用示波器介紹示波器的作用示波器屬于通用的儀器，任一個(gè)硬件工程師都應(yīng)該了解示波器的工作原理并能夠熟練使用示波器，掌握示波器是對(duì)每個(gè)硬件工程師的基本要求。示波器是用來顯示波形的儀器，顯示的是信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化。因此，示波器可以用來測量信號(hào)的頻率，周期，信號(hào)的上升沿/下降沿，信號(hào)的過沖，信號(hào)的噪聲，信號(hào)間的時(shí)序關(guān)系等等。在示波器顯示屏上，橫坐標(biāo)（X）代表時(shí)間，縱坐標(biāo)（Y）代表電壓，（注，如果示波器有測量電流的功能，縱坐標(biāo)還代表電流。）還有就是比較少被關(guān)注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度還表示了出現(xiàn)概率（它用16階灰度來表示出現(xiàn)概率）。11 示波器的分類示波器一般分為模

2、擬示波器和數(shù)字示波器；在很多情況下，模擬示波器和數(shù)字示波器都可以用來測試，不過我們一般使用模擬示波器測試那些要求實(shí)時(shí)顯示并且變化很快的信號(hào)，或者很復(fù)雜的信號(hào)。而使用數(shù)字示波器來顯示周期性相對(duì)來說比較強(qiáng)的信號(hào)，另外由于是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字示波器內(nèi)置的CPU或者專門的數(shù)字信號(hào)處理器可以處理分析信號(hào)，并可以保存波形等，對(duì)分析處理有很大的方便。1.2.1 模擬示波器模擬示波器使用電子槍掃描示波器的屏幕，偏轉(zhuǎn)電壓使電子束從上到下均勻掃描，將波形顯示到屏幕上，它的優(yōu)點(diǎn)在于實(shí)時(shí)顯示圖像。模擬示波器的原理框圖如下：見上圖所示，被測試信號(hào)經(jīng)過垂直系統(tǒng)處理（比如衰減或放大，即我們擰垂直按鈕volts/div），然后送

3、到垂直偏轉(zhuǎn)控制中去。而觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)觸發(fā)設(shè)置情況，控制產(chǎn)生水平掃描電壓（鋸齒波），送到水平偏轉(zhuǎn)控制中。信號(hào)到達(dá)觸發(fā)系統(tǒng)，開始或者觸發(fā)“水平掃描”，水平掃描是一個(gè)是鋸齒波，使亮點(diǎn)在水平方向掃描。觸發(fā)水平系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)水平時(shí)基，使亮點(diǎn)在一個(gè)精確的時(shí)間內(nèi)從屏幕的左邊掃描到右邊。在快速掃描過程中，將會(huì)使亮點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)看起來象一條平滑的曲線。而信號(hào)電壓加到垂直偏轉(zhuǎn)電壓的電極上，效果也是產(chǎn)生了一個(gè)移動(dòng)的亮點(diǎn)，電壓為正將使點(diǎn)向上移動(dòng)，電壓為負(fù)則向下移動(dòng)，水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)電壓配合在一起，就能夠在屏幕上顯示信號(hào)的波形。在比較高的速度上，亮點(diǎn)能夠掃描過屏幕達(dá)50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不過每秒捕捉40

4、,0000個(gè)波形，因此說模擬示波器比數(shù)字示波器的實(shí)時(shí)性要高，是有貨真價(jià)實(shí)的。水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)能使信號(hào)的波形圖像能夠顯示到屏幕上，不過觸發(fā)系統(tǒng)也是必不可少的，它不僅僅是讓你抓到你需要的波形，還能夠使圖像穩(wěn)定地顯示到屏幕上，它能使重復(fù)的波形能夠在同一個(gè)點(diǎn)開始掃描，在屏幕顯示一個(gè)干凈和穩(wěn)定的圖像。下圖顯示了沒有觸發(fā)和觸發(fā)的波形：沒有觸發(fā)的波形比較亂和在閃動(dòng)，不穩(wěn)定，而觸發(fā)的波形則非常的穩(wěn)定和干凈。一般來說，使用一個(gè)模擬示波器，我們主要需要調(diào)整三個(gè)基本方面，也就是上面說的三個(gè)部分：信號(hào)的衰減或者放大情況：使用volts/div旋鈕，可以調(diào)整信號(hào)在屏幕的范圍里面，垂直大小合適。時(shí)基：使用sec/div

5、旋鈕，調(diào)整每格代表的時(shí)間間隔，可以使信號(hào)在水平方向放大或者縮小。觸發(fā)系統(tǒng)：可以調(diào)整觸發(fā)電平，能夠使波形穩(wěn)定顯示，或者尋找到我們需要的波形。當(dāng)然，調(diào)整亮點(diǎn)的大小和亮底，可以使波形顯示達(dá)到最佳的顯示效果。1.2.2 數(shù)字示波器一個(gè)數(shù)字示波器對(duì)波形進(jìn)行采樣，并用AD轉(zhuǎn)換器將模擬圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形，最后將波形重現(xiàn)到屏幕上面。 數(shù)字示波器的原理圖如下：當(dāng)我們將探頭接到線路上面時(shí)，垂直系統(tǒng)控制調(diào)整信號(hào)的衰減和放大，這個(gè)和模擬示波器一樣。接著，在采樣系統(tǒng)中對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），連續(xù)的模擬信號(hào)變成了離散的點(diǎn)。水平系統(tǒng)的時(shí)基決定了采樣率的水平。比如我們的TDS5054的最大采樣速率為5GSa/s，說明它

6、最快的情況下能夠在每秒鐘采樣5G個(gè)點(diǎn)。經(jīng)過采樣量化的點(diǎn)被存到存儲(chǔ)器里面，并拼成波形圖。在數(shù)字示波器中，存儲(chǔ)波形點(diǎn)的長度，通常稱為存儲(chǔ)長度。由于處理要求非?？?，這些存儲(chǔ)器不是通用的SDRAM，而是專用的高速存儲(chǔ)器，價(jià)格比較貴，因此比較便宜的示波器都使用標(biāo)準(zhǔn)配置。觸發(fā)系統(tǒng)決定了保存點(diǎn)的開始和結(jié)束點(diǎn)的位置。存儲(chǔ)器里面的波形最后傳送到顯示系統(tǒng)中進(jìn)行顯示。為了增強(qiáng)示波器的綜合能力，數(shù)據(jù)處理是必須的。另外預(yù)觸發(fā)能夠讓我們能夠看到觸發(fā)前的波形情況。和模擬示波器一樣，使用數(shù)字示波器來測試，也需要調(diào)整垂直幅度、水平時(shí)間間隔和觸發(fā)設(shè)置。1.2.3 采樣方法對(duì)于比較慢的信號(hào)，示波器能夠采到足夠的采樣點(diǎn)來顯示波形，而

7、對(duì)于比較快的信號(hào)（這里的快慢是針對(duì)示波器的采樣頻率來講的），示波器不能夠采到足夠的采樣點(diǎn)來顯示波形。因此，示波器采樣一般采用兩種方法來對(duì)信號(hào)采樣，一是實(shí)時(shí)采樣，二是等效采樣。1實(shí)時(shí)采樣：一次按照順序來采集采樣點(diǎn)，然后采用計(jì)算方法內(nèi)插一些數(shù)據(jù)，內(nèi)插技術(shù)是評(píng)估用一些點(diǎn)來組成波形是否和原來的圖像的靠近程度，一般的內(nèi)插技術(shù)（waveform interpolation）有線性和sin(x)/x兩種。如果沒有特別表明的情況下，示波器給出的采樣速率都是實(shí)時(shí)采樣速率，也就是一次采樣的速率。實(shí)時(shí)采樣示意圖如上面所示，它在一次采樣中采盡量多的點(diǎn)，而且都是順序采樣的。由于采樣得到的點(diǎn)是離散的點(diǎn)，而我們顯示一般情況

8、下都是顯示波形曲線（當(dāng)然也可以用點(diǎn)顯示模式，但是很少用），這就涉及到一個(gè)內(nèi)插的問題，將點(diǎn)還原為曲線，一般有兩種方法：直線連接和曲線模擬，曲線模擬主要使用正弦曲線做擬合，效果分別見下面所示。2等效采樣：每個(gè)周期采樣一些點(diǎn)，經(jīng)過多個(gè)周期后將這些點(diǎn)拼起來，就是一個(gè)完整的圖，不過這要求波形是周期性的，否則誤差會(huì)比較大。等效采樣有兩種方式：一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣。對(duì)于那些快速信號(hào)，實(shí)時(shí)采樣可能一次采不到足夠的點(diǎn)，于是就要采用等效采樣，等效采樣只對(duì)那些周期性的信號(hào)有意義。等效采樣有兩種，一種是隨機(jī)采樣，另外一種是順序采樣，隨機(jī)的示意圖如下：由于是周期性的信號(hào)，信號(hào)在每個(gè)周期都是一樣的，隨機(jī)采樣

9、就將整個(gè)波形分開采樣，隨機(jī)采集信號(hào)，經(jīng)過數(shù)個(gè)周期，就能夠?qū)⒁粋€(gè)完整的波形采集完畢，將這些采集點(diǎn)拼起來，就是一個(gè)完整的波形了。而順序采樣，就是按照順序來，第一次采1、2、3點(diǎn)，第二次采4、5、6點(diǎn)等，直到將整個(gè)波形采集完畢。無論是哪種等效采樣方式，它們的結(jié)果就是提高采樣能力，比如一個(gè)實(shí)時(shí)采樣的速率為1GSa/s的示波器，它使用等效采樣的方式來采樣，每次都用最高的實(shí)時(shí)采樣速率采集數(shù)據(jù)，花了10次才將一個(gè)波形周期采集完畢，那么它的等效采樣速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。對(duì)于實(shí)時(shí)采樣，主要表示了單次波形的采集能力，而等效采樣，主要用于周期性的信號(hào)的采樣。比如TDS784的實(shí)時(shí)采樣速率為4GS

10、a/s，而等效采樣速率則高達(dá)250GSa/s。在示波器中，可以選擇使用還是不使用等效采樣的，比如在TDS794D中， ACQUIRE MENU菜單中，有這個(gè)選項(xiàng)，見下圖所示，圖中選擇了只用實(shí)時(shí)采樣。在我們的TDS5054示波器中，實(shí)時(shí)采樣和等效采樣是自動(dòng)切換的。Channels on132or4TIME BASE800PS/PTRTRTRT400PS/PTRTETET200PS/PTRTETET100PS/PTETETETRT：real-time samplingET:equivalent-time sampling 示波器上ET顯示的是IT1.2.4 示波器的控制示波器的主要是三個(gè)部分，垂直

11、控制、水平控制和觸發(fā)控制，除此外，很多數(shù)字示波器都提供了“軟鍵”（soft key）控制，通過在示波器的屏幕周圍排放一些鍵，對(duì)于屏幕里面的菜單，這些鍵在不同的菜單中對(duì)應(yīng)不同的項(xiàng)目，因此定義不固定，故稱之為“軟鍵”。因?yàn)橛辛恕败涙I”，很多功能都可以做了進(jìn)去，比如波形參數(shù)的測試、高級(jí)觸發(fā)方式等。下圖是Agilent的54800系列的控制面板示意圖，它主要分為三個(gè)區(qū)，水平控制區(qū)、垂直控制區(qū)和觸發(fā)控制區(qū)，此外還有一些其他的設(shè)置，包括保存和輸入輸出的的部件等。水平控制可以調(diào)整時(shí)基的大小，也就是間隔的大小，示波器中，只有一個(gè)水平控制鈕，調(diào)整它，所有通道的時(shí)間間隔都會(huì)變。垂直控制區(qū)，在這里是每個(gè)通道都有一個(gè)

12、，不過有的示波器為了節(jié)省面板面積，有時(shí)候所有通道共用一個(gè)垂直控制鈕，通過另外的按鍵去選擇通道。有關(guān)這些細(xì)節(jié)，實(shí)踐一下馬上有印象了，這里不做更多的描述。最后一個(gè)是觸發(fā)，這是示波器比較關(guān)鍵的部分，因?yàn)閿?shù)字示波器比起模擬示波器，觸發(fā)的多樣性是它的一大特點(diǎn)，有關(guān)觸發(fā)在下一節(jié)詳細(xì)描述。1.2.5 示波器的觸發(fā)示波器的觸發(fā)，相對(duì)來說，里面的玄機(jī)就多一點(diǎn)。我們最常使用的是邊沿觸發(fā)，比如上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。 一般示波器的主要觸發(fā)有：作為熟練的硬件工程師，除了最常用的邊沿觸發(fā)模式外，還應(yīng)該掌握脈沖觸發(fā)中的毛刺觸發(fā)、矮電平觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)，以及單次觸發(fā)等，另外如果需要測試時(shí)序的話，掌握邏輯觸發(fā)也是很有用的

13、。下面以 TDS5054為例，介紹一下脈沖觸發(fā)方式。高級(jí)的觸發(fā)設(shè)置在觸發(fā)的菜單中。點(diǎn)擊菜單中TRIG，在下拉菜單中選擇EDGESETUP，進(jìn)入如下設(shè)置界面。1、毛刺Glith觸發(fā)：選擇了毛刺觸發(fā)后，就可以在右邊選擇毛刺觸發(fā)的類型和寬度，還可以設(shè)置電平等。2、矮電平Runt觸發(fā)2-5-3 矮電平觸發(fā)設(shè)置上下界線設(shè)置示意圖設(shè)置完畢就可以開始進(jìn)行測試，見上圖。3、脈沖寬度Width觸發(fā) 在選擇了寬度width后，在下邊選項(xiàng)Polarity選擇脈沖極性，然后在脈沖寬度選項(xiàng)Trig When 中選擇觸發(fā)類型（超出設(shè)置值還是小于設(shè)置值）和設(shè)置數(shù)值，見下圖，再設(shè)定電平，設(shè)置完畢就可以開始測試了。圖 2-5-

14、4 上面幾種觸發(fā)，在測試總線和控制信號(hào)的異常情況方面，比較有用。 5、單次觸發(fā) 單次觸發(fā)并非一個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以進(jìn)行多次的觸發(fā)，而單次觸發(fā)只會(huì)觸發(fā)一次就停止了，并將信號(hào)顯示出來，比如對(duì)于上電的電壓上升的情況 、捕獲很少出現(xiàn)的脈沖毛刺等比較有用。1.2.6 示波器的存儲(chǔ)深度雖然存儲(chǔ)深度是示波器的四大指標(biāo)之一（分別為帶寬、采樣速率、通道數(shù)和存儲(chǔ)深度），但是最后一個(gè)指標(biāo)，廠家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他們有意淡化這個(gè)問題而已。比如TDS794D的存儲(chǔ)深度，標(biāo)準(zhǔn)配置為每通道50k點(diǎn)。存儲(chǔ)深度和采樣速率的關(guān)系是： 存儲(chǔ)深度最快采樣速率最大采樣速率時(shí)限

15、500上面公式中的500是指屏幕上面水平方向有10格，每格是50個(gè)點(diǎn)，共500個(gè)點(diǎn)。最大采樣速率時(shí)限是指，示波器在最快的采樣速率情況下，需要多長時(shí)間就可以將存儲(chǔ)器存滿。如果超過此時(shí)限，就會(huì)溢出了，實(shí)際上不會(huì)溢出，而是采取降低采樣速率的方法。例如上面的TDS794D，在標(biāo)準(zhǔn)配置的情況下，如果用最大的采樣速率（4GSa/s）采樣時(shí)，它的最大采樣速率時(shí)限為25ns，此時(shí)時(shí)基為25/102.5ns/div（注：實(shí)際上沒有這個(gè)檔，比較說明而已），也就是意味著，如果你將時(shí)基調(diào)整到2.5ns/div以上時(shí)，采樣速率就要降低。大家平時(shí)也可能注意到，當(dāng)我們測試數(shù)兆頻率的信號(hào)，示波器左上角顯示的采樣速率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)比示

16、波器的最高采樣速率要小。存儲(chǔ)深度比較大的好處在于，測試比較低速的信號(hào)時(shí)，能夠以比較高的采樣速率來取樣，也就是能夠看到更多的細(xì)節(jié)，這就是存儲(chǔ)深度的奧妙所在。 圖2-6-2 顯示了Agilent的54600系列示波器深存儲(chǔ)器的效果。54600系列是Agilent的中低端示波器，一般來說，低端示波器的存儲(chǔ)深度都比較低，比如數(shù)k到數(shù)十k，但是它配備了每通道深達(dá)2M的存儲(chǔ)器，它兼顧了示波器長時(shí)間捕獲及高速采樣兩個(gè)方面，因此能夠看到波形細(xì)節(jié)的可能性大大增大。在圖中，每個(gè)周期中疊加了1500脈沖，其中有一個(gè)失真，示波器就以高亮度顯示，通過放大該亮點(diǎn)，就可以看出脈沖失真的細(xì)節(jié)來。值得指出的是，存儲(chǔ)深度和采樣速

17、率都有單通道、雙通道、全通道等的差別。比如794D的采樣速率為4GSa/s，其實(shí)它是單通道下面的最高采樣速率，如果開了雙通道，就變成了每個(gè)2GSa/s，如果開了三個(gè)以上通道，就變成每個(gè)通道1GSa/s，同理，在存儲(chǔ)深度也有這樣的情況，就是通道存儲(chǔ)深度。但是這個(gè)不是絕對(duì)的，有很多 例外的情況，如TDS220，廠家標(biāo)的采樣速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同樣部分示波器標(biāo)配的存儲(chǔ)器為50k深度，是所有的通道都是50k，這些細(xì)節(jié)需要查看廠家的手冊(cè)才比較明確。還有的694C，也是每個(gè)通道采樣速率達(dá)10GSa/s，不是所有通道采樣速率的和。1.2.7 示波器的探頭要測試，示波器就少不了探頭，

18、探頭四個(gè)主要的指標(biāo)為帶寬、輸入電阻、輸入電容和衰減倍數(shù)。探頭的分類如圖2-7-1所示。我們最常用的探頭是測試電壓波形的有源探頭和無源探頭。圖 2-7-1 通用探頭的分類情況圖2-7-2顯示了探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，通常來說帶寬高的探頭，它的輸入阻抗普遍要低。比如同樣是有源探頭的P6204和P6249，帶寬分別為1GHz和4GHz，它們的輸入輸入阻抗分別為10M歐姆和20k歐姆。需要注意的是，阻抗會(huì)隨著輸入信號(hào)的頻率而變化，比如隨著頻率的升高而減低，它不是一個(gè)恒定的數(shù)值。上圖顯示的是一些比較老的探頭的輸入阻抗和帶寬的關(guān)系，現(xiàn)在已經(jīng)有不少提高了。在低端，主要影響的因素是輸入阻抗，而在高端，主要的影響因素不再是輸入阻抗，而是輸入電容。探頭作為測試信號(hào)的連接設(shè)備，其輸入電壓是有限制，因此我們使用探頭時(shí)需要特別注意探頭的測試范圍。輸入電壓比較高的探頭，它的帶寬也低，反之，帶寬高的探頭，它的輸入電壓范圍比較小。比如有源探頭P6245的帶寬為1.5GHz，它的輸入電壓范圍僅為40V，而500MHz帶寬的無源探頭P5050的最大輸入電壓為300V。圖 2-7-3 探頭的補(bǔ)償效果探頭特別是有源探頭，都需要校準(zhǔn)的。一般是利用示波器提供標(biāo)