示波器原理學(xué)習(xí)教案

1、會計(jì)學(xué)1示波器示波器 原理原理(yunl)第一頁，共48頁。第2頁/共48頁第二頁，共48頁。第3頁/共48頁第三頁，共48頁。示波器經(jīng)常示波器經(jīng)常(jngchng)被認(rèn)為是被認(rèn)為是第4頁/共48頁第四頁，共48頁。第5頁/共48頁第五頁，共48頁。第6頁/共48頁第六頁，共48頁。第7頁/共48頁第七頁，共48頁。所有示波器都需要所有示波器都需要(xyo)探頭探頭第8頁/共48頁第八頁，共48頁。將電壓將電壓(diny)想象成水管的壓強(qiáng)想象成水管的壓強(qiáng)壓強(qiáng)等于壓強(qiáng)等于 “單位單位(dnwi)面積上的壓力面積上的壓力”壓強(qiáng)也可以等價(jià)于壓強(qiáng)也可以等價(jià)于“勢能勢能/單位單位(dnwi)容量容量”電

2、壓電壓 = 勢能勢能(shnng)/單位電量單位電量 示波器能測量隨時(shí)間變化的電壓示波器能測量隨時(shí)間變化的電壓第9頁/共48頁第九頁，共48頁。頻率簡單定義頻率簡單定義(dngy)成時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)的概成時(shí)間重復(fù)出現(xiàn)的概率率頻率代表(dibio)著重復(fù)出現(xiàn)的事件 頻率= 每秒時(shí)間周期數(shù)= 赫茲 (Hz)KHZ,MHZ,GHZ單位1 GHz = 每秒10億次事件信號信號幅度幅度時(shí)間時(shí)間第10頁/共48頁第十頁，共48頁。垂直垂直系統(tǒng)系統(tǒng)水平系統(tǒng)水平系統(tǒng)觸發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)系統(tǒng)顯示顯示系統(tǒng)系統(tǒng)信號信號第11頁/共48頁第十一頁，共48頁。典型典型(dinxng)的示波器結(jié)構(gòu)的示波器結(jié)構(gòu)顯示(xinsh)顯示(

3、xinsh)顯示處理器采集輸入信號放大器ADC采集存儲器數(shù)學(xué)處理器&協(xié)處理器應(yīng)用軟件RAM測量與分析存檔可存儲到軟盤, IC存儲卡以及硬盤 連接到計(jì)算機(jī)打印機(jī)的數(shù)據(jù)總線觸發(fā)器3124操作系統(tǒng)第12頁/共48頁第十二頁，共48頁。8模擬帶寬模擬帶寬(3dB帶寬，濾波器含義，幅頻線的含義）帶寬，濾波器含義，幅頻線的含義）8實(shí)時(shí)采樣率（內(nèi)奎斯特定律。）實(shí)時(shí)采樣率（內(nèi)奎斯特定律。）8存儲深度存儲深度8觸發(fā)觸發(fā)(chf)能力能力8波形捕獲和顯示波形捕獲和顯示第13頁/共48頁第十三頁，共48頁。 被測信號通過探頭前端到達(dá)探頭主體，進(jìn)入阻抗(zkng)轉(zhuǎn)換電路，以衰減成合適比例的輸入信號，送入示波器前端，

4、通過耦合電路，到達(dá)前置放大器。阻抗轉(zhuǎn)換耦合電路運(yùn)放A/D探頭系統(tǒng)模擬前端被被測測信信號號第14頁/共48頁第十四頁，共48頁。阻抗阻抗(zkng)變換與耦合變換與耦合差差 分分放放 大大衰衰 減減DC50歐歐交交 流流直直 流流接接 地地被測信號(xnho) 要把被測信號引入示波器進(jìn)行不失真的測量，則要求測量電路接入被測電路后，盡可能少的影響被測信號；同時(shí)把被測信號變換成適合示波器輸入電路的信號，這就需要通過(tnggu)一個(gè)阻抗變換網(wǎng)絡(luò)來完成。 對于差分信號的測量，需要把差分信號不失真的變換為單端信號來進(jìn)行測試。 耦合是指連接方式，即前一級電路到后一級電路之間的連接方式。第15頁/共48頁第

5、十五頁，共48頁。第16頁/共48頁第十六頁，共48頁。帶寬帶寬(di kun) = 正弦波正弦波 -3 dB 點(diǎn)點(diǎn)1 1V V-3dB=0.707V帶寬帶寬頻率 Hz電壓 V0帶寬定義：示波器輸入帶寬定義：示波器輸入(shr)標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，不斷提高信號頻率，標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號，不斷提高信號頻率，輸入輸入(shr)信號幅度會被不斷衰減；頻率越高，衰減幅度越大；當(dāng)信號幅度會被不斷衰減；頻率越高，衰減幅度越大；當(dāng)頻率提高到某個(gè)值，輸入頻率提高到某個(gè)值，輸入(shr)信號剛好被衰減信號剛好被衰減3dB 時(shí)所對應(yīng)的頻率時(shí)所對應(yīng)的頻率點(diǎn)，即為示波器的帶寬。點(diǎn)，即為示波器的帶寬。第17頁/共48頁第十七頁，

6、共48頁。9010上升時(shí)間測量上升時(shí)間測量(cling)理想的方波和脈沖波的電壓是有突然變化的波形，陡變有一定時(shí)間這取決于系統(tǒng)理想的方波和脈沖波的電壓是有突然變化的波形，陡變有一定時(shí)間這取決于系統(tǒng)(xtng)帶寬及其他電路參數(shù)。帶寬及其他電路參數(shù)。波形從一種電壓變至另一種電壓的時(shí)間稱為上升時(shí)間波形從一種電壓變至另一種電壓的時(shí)間稱為上升時(shí)間上升時(shí)間通常在過渡的上升時(shí)間通常在過渡的10至至90處處什么什么(shn me)是上升時(shí)間是上升時(shí)間?第18頁/共48頁第十八頁，共48頁。如何決定如何決定(judng)示波器系統(tǒng)帶寬示波器系統(tǒng)帶寬tr (10% to 90%)BW (-3 dB)BW = 0

7、.35*tr0.35*BWtr =或者tr(DISPLAYED) =tr(示波器)2 + tr(探頭)2 + tr(源信號)221BW(示波器)()BW(DISPLAYED) =1+(1BW(探頭)2)1BW(源)(2)* 此常量針對(zhndu)一極模型. 對于更高帶寬的儀器來說, 此常量可以高到0.45.8由以上由以上(yshng)公式可以看出，示波器及探頭的帶寬越寬，則對測量帶寬影公式可以看出，示波器及探頭的帶寬越寬，則對測量帶寬影響越小，也就是說測量帶寬越接近信號帶寬響越小，也就是說測量帶寬越接近信號帶寬第19頁/共48頁第十九頁，共48頁。系統(tǒng)系統(tǒng)(xtng)帶寬帶寬 vs. 正弦波

8、幅度精度正弦波幅度精度第20頁/共48頁第二十頁，共48頁。典型邏輯電平的測量精度典型邏輯電平的測量精度(jn d)要求要求5 ns70 MHz1.5 ns230 MHz500 ps700 MHz200 ps1.75 GHz231 MHz350 MHz767 MHz1.15 GHz2.33 GHz3.5 GHz5.8 GHz8.75 GHzTTLCMOSECLGaAs電平電平(din pn)邏輯邏輯典型典型(dinxng)信信號號上升時(shí)間上升時(shí)間測量系統(tǒng)帶寬測量系統(tǒng)帶寬針對針對 3%滾降錯(cuò)誤滾降錯(cuò)誤測量系統(tǒng)帶寬測量系統(tǒng)帶寬針對針對1.5%滾降錯(cuò)誤滾降錯(cuò)誤計(jì)算出的計(jì)算出的信號帶寬信號帶寬 0.3

9、5*trisetrise (displayed) (trise (scope) )2 + (trise (probe) )2 + (trise (source) )2第21頁/共48頁第二十一頁，共48頁。1:1 41%2:1 22% 3:1 12%4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%信號信號(xnho)上升時(shí)間儀表上升時(shí)間上升時(shí)間儀表上升時(shí)間之比之比 上升時(shí)間測量上升時(shí)間測量(cling)精度精度第22頁/共48頁第二十二頁，共48頁。帶寬帶寬(di kun)選擇實(shí)例選擇實(shí)例已知條件：示波器主機(jī)(zhj)1GHz，探頭配置1.5GHz，被測信號200MHz（上升時(shí)間5

10、00ps）。示波器上升時(shí)間 = 0.35/1GHz = 350ps探頭上升時(shí)間 = 0.35/1.5GHz = 233ps整個(gè)測量系統(tǒng)上升時(shí)間 = 3502+2332= 420ps整個(gè)測量系統(tǒng)實(shí)際帶寬= 0.35/420= 833MHz實(shí)測信號所得上升時(shí)間= 4202+5002 = 653ps實(shí)際測量誤差 = (653 500 ) / 500 = 30.6%第23頁/共48頁第二十三頁，共48頁。Memory采樣率采樣率存儲深度存儲深度第24頁/共48頁第二十四頁，共48頁。D0D7A/D環(huán)形存儲器采樣：通過測量等時(shí)間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓大小(dxio)轉(zhuǎn)換為8位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字

11、信息。存儲：把采樣所得的數(shù)字信息依序存儲到高速環(huán)形存儲器里。數(shù)字化所需的保持時(shí)間第25頁/共48頁第二十五頁，共48頁。采樣采樣(ci yn)時(shí)發(fā)生了什么？時(shí)發(fā)生了什么？信號信號(xnho)采樣采樣數(shù)字化數(shù)字化存儲存儲采樣保持采樣保持轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為數(shù)據(jù)順序存儲順序存儲屏幕顯示選定屏幕顯示選定部分的內(nèi)存部分的內(nèi)存屏屏幕幕1 0 1 1 1 0 0 11 1 1 1 0 1 0 1.1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 第26頁/共48頁第二十六頁，共48頁。為什么需用為什么需用(x yn)高采樣？高采樣？0.010.11100.1110Sample Rate /

12、BandwidthStandard Deviation Of Risetime0.02 ns1.15 ns10.00.1 ns10 GS/s0.02 ns1.16 ns5.00.2 ns5 GS/s0.03 ns1.27 ns2.00.5 ns2 GS/s0.1 ns1.6 ns1.01 ns1 GS/s0.6ns2.3 ns0.52 ns500 MS/s1.3 ns4.7 ns0.25 ns200 MS/s 方差 平均上 升時(shí)間 采樣率 /帶寬 時(shí)間/ 采樣點(diǎn)采樣率超過帶寬超過帶寬(di kun)5(di kun)5倍以上的采樣率可保證好的測量倍以上的采樣率可保證好的測量精度精度測試脈沖波測

13、試脈沖波, ,需在上升沿采樣大于需在上升沿采樣大于5 5個(gè)點(diǎn)個(gè)點(diǎn)高采樣率減少了測試波形的失真。高采樣率減少了測試波形的失真。第27頁/共48頁第二十七頁，共48頁。存儲存儲(cn ch)深度深度示波器通過采樣把模擬信號變換為數(shù)字信號，每一個(gè)采樣點(diǎn)用八位的二進(jìn)制數(shù)示波器通過采樣把模擬信號變換為數(shù)字信號，每一個(gè)采樣點(diǎn)用八位的二進(jìn)制數(shù)表示，即一個(gè)字節(jié)。表示，即一個(gè)字節(jié)。示波器顯示窗口一次性可顯示的最大波形采樣點(diǎn)數(shù)即為示波器的存儲深度；也示波器顯示窗口一次性可顯示的最大波形采樣點(diǎn)數(shù)即為示波器的存儲深度；也可理解為一個(gè)波形記錄的最大采樣點(diǎn)數(shù)。可理解為一個(gè)波形記錄的最大采樣點(diǎn)數(shù)。在存儲深度一定的情況下，存

14、儲速度越快，存儲時(shí)間就越短，他們之間是一個(gè)在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時(shí)間就越短，他們之間是一個(gè)反比關(guān)系。存儲速度等效于采樣率，存儲時(shí)間等效于采樣時(shí)間，采樣時(shí)間由示反比關(guān)系。存儲速度等效于采樣率，存儲時(shí)間等效于采樣時(shí)間，采樣時(shí)間由示波器的顯示窗口所代表的時(shí)間決定，所以波器的顯示窗口所代表的時(shí)間決定，所以 存儲深度存儲深度 采樣率采樣率 采樣時(shí)間（距離采樣時(shí)間（距離 = 速度速度 x 時(shí)間）時(shí)間）提高示波器的存儲深度可以提高示波器的存儲深度可以(ky)間接提高示波器的采樣率：當(dāng)要測量較長時(shí)間間接提高示波器的采樣率：當(dāng)要測量較長時(shí)間的波形時(shí)，由于存儲深度是固定的，所以只能降低采樣率來

15、達(dá)到，但這樣勢必的波形時(shí)，由于存儲深度是固定的，所以只能降低采樣率來達(dá)到，但這樣勢必造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲深度，則可以造成波形質(zhì)量的下降；如果增大存儲深度，則可以(ky)以更高的采樣率來測量，以更高的采樣率來測量，以獲取不失真的波形。以獲取不失真的波形。第28頁/共48頁第二十八頁，共48頁。觸發(fā)點(diǎn)觸發(fā)點(diǎn)延時(shí)時(shí)間延時(shí)時(shí)間記憶長度記憶長度起點(diǎn)起點(diǎn)終點(diǎn)終點(diǎn)波形波形(b xn)存儲原理存儲原理第29頁/共48頁第二十九頁，共48頁。采樣、存儲采樣、存儲(cn ch)深度及帶寬選擇深度及帶寬選擇實(shí)例實(shí)例 已知條件：希望獲取已知條件：希望獲取2ms的波形，被測信號為的波形，被測信號為500MH

16、z的差分信的差分信號，選擇合適的示波器帶寬、存儲號，選擇合適的示波器帶寬、存儲(cn ch)深度和采樣率。深度和采樣率。示波器帶寬選擇為被測信號示波器帶寬選擇為被測信號5-10倍，具體值取倍，具體值取6倍，即倍，即3GHz；探頭；探頭帶寬最好大于示波器帶寬，選擇帶寬最好大于示波器帶寬，選擇3.5GHz；示波器測量系統(tǒng)帶寬；示波器測量系統(tǒng)帶寬為為2.28GHz：信號周期信號周期2ns，上升時(shí)間估算為周期的，上升時(shí)間估算為周期的10，即，即200ps。要保證波形。要保證波形不失真，上升沿至少有不失真，上升沿至少有4個(gè)采樣點(diǎn)，即采樣點(diǎn)間距個(gè)采樣點(diǎn)，即采樣點(diǎn)間距50ps，采樣率，采樣率為為20GS/s

17、。在在20GS/s的采樣率下，獲取的采樣率下，獲取2ms的波形，則所需存儲的波形，則所需存儲(cn ch)深度深度為：為： 存儲存儲(cn ch)深度深度 采樣率采樣率 采樣時(shí)采樣時(shí)間間 20GS/s 2ms 40M根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇和計(jì)算結(jié)果指標(biāo)盡量相近的示波器如下：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇和計(jì)算結(jié)果指標(biāo)盡量相近的示波器如下： WP7300：3GHz示波器，示波器，20GS/s2Ch；10GS/s4Ch；48Mpts2Ch，24M4Ch第30頁/共48頁第三十頁，共48頁。觸觸 發(fā)發(fā)觸發(fā)：按照需求設(shè)置一定的電壓幅值、時(shí)間、波形變化率等方面的條件，當(dāng)波形流中的某一個(gè)波形滿足這一條件時(shí)，示波器即實(shí)時(shí)(

18、sh sh)捕獲該波形和其相鄰部分，并顯示在屏幕上。觸發(fā)條件的唯一性是精確捕獲的首要條件為了觀察特定波形之前發(fā)生的更多事件，把觸發(fā)點(diǎn)往顯示窗口右方推移一段時(shí)間，即是延遲觸發(fā)；為了了解特定波形之后(zhhu)發(fā)生的更多事件，把觸發(fā)點(diǎn)往顯示窗口左方推移一段時(shí)間，即是超前觸發(fā)。第31頁/共48頁第三十一頁，共48頁。的圖象，見圖a 。觸發(fā)是使用示波器最麻煩的一點(diǎn)，示波器提供了許多觸發(fā)方式，可根據(jù)測量問題加以應(yīng)用。作為數(shù)字示波器來說，觸發(fā)實(shí)際上參與了確定波形的存儲起點(diǎn)。321不正常不正常(zhngchng)觸發(fā)觸發(fā)正常觸發(fā)正常觸發(fā)abc第32頁/共48頁第三十二頁，共48頁。 數(shù)字示波器的一個(gè)最顯著特

19、點(diǎn)在于它容許用戶觀看觸發(fā)前的事件。這數(shù)字示波器的一個(gè)最顯著特點(diǎn)在于它容許用戶觀看觸發(fā)前的事件。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)被連續(xù)地存儲到內(nèi)存中，同時(shí)觸發(fā)事件在數(shù)據(jù)量足夠后停止是因?yàn)閿?shù)據(jù)被連續(xù)地存儲到內(nèi)存中，同時(shí)觸發(fā)事件在數(shù)據(jù)量足夠后停止(tngzh)采集。采集。 采樣點(diǎn)數(shù)字化采樣點(diǎn)數(shù)字化 時(shí)間等間隔時(shí)間等間隔(jin g) 可選的預(yù)可選的預(yù)/后觸發(fā)后觸發(fā)第33頁/共48頁第三十三頁，共48頁。第34頁/共48頁第三十四頁，共48頁。邊沿邊沿(binyn)觸發(fā)觸發(fā)當(dāng)被測信號的電平變化方向與設(shè)定相同，其值變化到與設(shè)定值相同時(shí)，示波器被觸發(fā)，并捕捉(bzhu)波形。正邊沿(binyn)觸發(fā)負(fù)邊沿(binyn)觸發(fā)窗

20、口觸發(fā)第35頁/共48頁第三十五頁，共48頁。寬度寬度(kund)觸發(fā)觸發(fā)輸入脈沖的極性和設(shè)定一致，寬度(kund)符合設(shè)定值，在該脈沖的后沿與設(shè)定觸發(fā)電平一致時(shí)觸發(fā)。第36頁/共48頁第三十六頁，共48頁。最長保持最長保持(boch)20(boch)20秒或秒或 1 1到到9,999,9999,999,999個(gè)個(gè) 事件事件根據(jù)(gnj)信號滿足設(shè)定持續(xù)時(shí)間值（Time）或事件數(shù)（Evts）后觸發(fā)保持保持(boch)觸發(fā)觸發(fā)Holdoff第37頁/共48頁第三十七頁，共48頁。8范圍從范圍從2ns2ns到到20s20s8有包含有包含/ /排外排外(piwi)(piwi)選擇模選擇模式式根據(jù)信號

21、周期或間隔值大小(dxio)觸發(fā)間隔間隔(jin g)觸發(fā)觸發(fā)Interval第38頁/共48頁第三十八頁，共48頁。邏輯邏輯(lu j)觸發(fā)觸發(fā)通道與通道之間的輸入電平值滿足設(shè)定(sh dn)的邏輯關(guān)系時(shí)，各個(gè)通道被同時(shí)觸發(fā)，穩(wěn)定的顯示在時(shí)間窗口中。第39頁/共48頁第三十九頁，共48頁。TV觸發(fā)觸發(fā)(chf)TV觸發(fā)：專門為電視信號而設(shè)計(jì)的一種觸發(fā)方式觸發(fā)：專門為電視信號而設(shè)計(jì)的一種觸發(fā)方式(fngsh)，在該模式下觸發(fā)電平控，在該模式下觸發(fā)電平控制不起作用。示波器使用視頻信號中同步脈沖作為觸發(fā)信號。制不起作用。示波器使用視頻信號中同步脈沖作為觸發(fā)信號。TV觸發(fā)有兩種模式，觸發(fā)有兩種模式，

22、TVF 場和場和TVL行行第40頁/共48頁第四十頁，共48頁。欠幅觸發(fā)：當(dāng)脈沖序列的寬度不確定，大多數(shù)脈沖信號的幅值相同，但有小概率的欠幅信號時(shí)所需要采取的一種觸發(fā)方式。毛刺觸發(fā)：對于寬度確定而幅度不確定的脈沖序列來講，可以用毛刺觸發(fā)來捕捉異常信號。通信觸發(fā)：根據(jù)特定的通信協(xié)議碼型而設(shè)定(sh dn)的觸發(fā)方式。比如I2C觸發(fā)、SPI觸發(fā)、CANbus觸發(fā)等。其他觸發(fā)其他觸發(fā)(chf)方式方式第41頁/共48頁第四十一頁，共48頁。示波器的波形示波器的波形(b xn)顯示原理顯示原理在單位時(shí)間在單位時(shí)間(shjin)內(nèi)截取波形流中的若干個(gè)波形片斷，也即一定時(shí)間內(nèi)截取波形流中的若干個(gè)波形片斷，

23、也即一定時(shí)間(shjin)段內(nèi)的波形來重復(fù)顯示在示波器屏幕上；波形片斷的長短由示波器屏幕所代表段內(nèi)的波形來重復(fù)顯示在示波器屏幕上；波形片斷的長短由示波器屏幕所代表的時(shí)間的時(shí)間(shjin)長短決定。長短決定。示波器屏幕所代表的時(shí)間示波器屏幕所代表的時(shí)間(shjin)長短叫做波形顯示的時(shí)間長短叫做波形顯示的時(shí)間(shjin)窗口，其值窗口，其值等于示波器的時(shí)基旋鈕所代表的設(shè)定值乘以等于示波器的時(shí)基旋鈕所代表的設(shè)定值乘以10（分格）。（分格）。波形流波形流波形片斷1波形片斷2波形片斷3第42頁/共48頁第四十二頁，共48頁。由于有了滾動模式，就可以用示波器來代替圖表記錄儀來顯示慢變化的現(xiàn)象，如化學(xué)過程、電池的沖放電周期或溫度對系統(tǒng)性能的影響等。數(shù)字?jǐn)?shù)字(shz)示波器的滾動模式示波器的滾動模式(Roll Mode)第43頁/共48頁第四十三頁，共48頁。力科力科WaveStream數(shù)字?jǐn)?shù)字(shz)示波示波器器第44頁/共48頁第四十四頁，共48頁。 波形波形(b xn)捕獲率捕獲率波形捕獲率也就是波形刷新率，即單位時(shí)間