你可能會用示波器,但你瞭解它嗎?

在科技發達資訊化社會示波器可以說是任何設計、製造或是維修電子裝置的必備之物。從設計研發到檢測使用,工程師們需要一雙“慧眼”,這雙眼能夠快速而精確發現問題以幫助工程師們更好的解決測量疑難。面對當今各種測量挑戰,示波器當之無愧的被工程師們稱為能夠滿足要求並且能夠勝任工作的最佳關鍵工具。

你可能會用示波器,但你瞭解它嗎?

示波器的用途不僅僅侷限於電子領域。示波器利用訊號變換器,適用於各種各樣的物理現象。訊號變換器能夠響應各種物理激勵源,使之轉變為電訊號,包括聲音、機械應力、壓力、光、熱。麥克風屬於訊號變換器,它實現把聲音轉變為電訊號。從物理學家到電視維修人員,各種人士都使用示波器。汽車工程師使用示波器來測量發動機的振動。醫師使用示波器測量腦電波。描述示波器的用途是沒有止境的。如何選擇和評判一個示波器的優劣也成了工程師們一個不可不知的常識,玩轉好示波器不可不知一些很基本但很重要的知識。接下來先對示波器的三大關鍵指標進行簡單介紹說明。

頻寬

頻寬、取樣率和儲存深度是數字示波器的三大關鍵指標。頻寬一直被稱作示波器的第一效能指標,也成了決定示波器價格很重要的因素,市場上也把頻寬作為一個劃分依據,通常所說的頻寬在無特別說明情況下一般指模擬放大器的頻寬,也就是常說的-3dB截止頻率點。示波器面板上標稱的頻寬就是我們常說的示波器頻寬。究竟什麼是示波器的頻寬我們可以這樣來理解:在示波器輸入端輸入正弦波訊號時,幅度衰減至原訊號幅度的0。707倍的那個頻率點,稱之為示波器頻寬。也就是說,假如一個示波器的頻寬為100MHz的話,用它測試一個頻率為100MHz,振幅為1Vpp的訊號時,最後所測的訊號幅度只有100MHz,0。707Vpp了。

頻寬限制對訊號的捕獲、重構訊號和訊號的完整性會產生很大影響,具體體現在:被測訊號的上升沿變緩;訊號的頻率分量會減少;訊號的相位會失真。示波器頻寬通常是被測訊號頻率的3-5倍,這樣才能保證被測訊號不失真,具體用多大頻寬的示波器取決於被測訊號的型別和您做希望的準確度。

取樣率

計算機處理的是離散的數字訊號,同樣模擬電壓訊號進入示波器後也要進行模數轉換變成數字訊號,我們把從連續訊號到離散訊號的轉化過程叫作取樣。模擬訊號只有經過取樣、量化、編碼才能被計算機識別和處理。取樣是數字示波器分析處理訊號的基礎。透過測量等時間間隔波形的電壓幅值,並把該電壓轉化為用八位二進位制程式碼表示的數字資訊,這就是數字儲存示波器的取樣。示波器取樣率越快,那麼重建出來的波形就越接近原始訊號,重要資訊和事件丟失的機率就越小。取樣率(samplingrate)就是取樣時間間隔。比如,如果示波器的取樣率是每秒10G次(10GSa/s),則意味著每100ps進行一次取樣。根據Nyquist取樣定理,當對一個最高頻率為f的帶限訊號進行取樣時,取樣頻率SF必須大於f的兩倍以上(SF≥2f)才能確保從取樣值完全重構原來的訊號。而這個定理是機遇無限長時間和連續的訊號,通常採用兩倍於最高頻率成分的取樣速率是不夠的。

當我們選擇使用示波器時,對於特定的頻寬選取多大的取樣率還取決於取樣模式,現在的數字示波器通常採用兩種基本的取樣方式:實時取樣和等效取樣。等效取樣進一步又可分為隨即和重複兩類,等效取樣這兩類取樣都要求訊號時重複並且能夠穩定觸發的。在這兩大類模式下也有其它取樣模式的分法,如麥科信公司生產的MS500系列示波器支援四種取樣模式(有的也稱捕獲模式):正常、平均、峰值和包絡。正常取樣模式是指示波器按照相等的時間間隔對訊號進行取樣建立波形;平均取樣是指示波器對多次取樣的波形作平均處理,然後產生最後的波形。平均取樣模式可以減少顯示訊號中隨機或不相關的噪音;峰值取樣模式是指示波器使用兩個連續捕獲間隔中包含的所有取樣的最高點和最低點,並把這些值當做相關的波形點,這種模式可以有效的獲取可能丟失的窄脈衝和毛刺探測,但顯示的噪聲比較大;包絡模式是指示波器對多次取樣的波形重新組合進行疊加,在指定的N此採集中,對每個相同位置捕獲其最大值和最小值並加以顯示。

儲存深度

作為數字示波器的第三大關鍵指標,儲存深度是不可不提到的,儲存深度是示波器所能儲存的取樣點多少的量度。對於數字儲存示波器最大儲存深度是一定的,但是在實際測試中所使用的儲存深度是可調的。

儲存深度等於儲存速率和儲存時間的乘積,提高示波器的儲存深度可以間接提高示波器的取樣率,如果在儲存深度固定的情況下,如果要採集長時間段的波形,只能以降低取樣率作為代價,可這又會導致波形質量的下降,如果提高儲存深度,可以提高取樣率以獲取不失真的波形。MS500系列採用240K高儲存深度,對高速和長時間訊號依然能夠可以保持1G/s的取樣率,保證訊號的準確度,具備同時分析高頻和低頻現象的能力,高儲存深度使得該款示波器在FFT和高速序列訊號能夠應付自如。

為了更好的理解示波器,一些效能術語的理解也是相當重要的,下面對於示波器的效能術語加以簡單介紹。

觸發

說到示波器不得不提到觸發的概念,正確的理解觸發概念對於更好更正確的使用示波器至關重要,數字示波器與很多豐富的觸發功能,國產手持式多功能示波器Micsig品牌MS500系列支援的觸發型別包括邊沿、脈寬、邏輯、影片和序列匯流排。使用者可透過對觸發條件的設定觀察到觸發前或者觸發後的波形,測量低速訊號中的干擾和奇怪訊號就要透過觸發來隔離。觸發的功能簡單地說就是隔離波形和同步波形兩種作用,隔離就是在觸發位置隔離的波形是滿足觸發的波形,同步就是穩定輸出波形,讓波形不再晃動,網上有一篇專門介紹觸發的文章說的很通俗,更好更清楚的理解觸發就得對觸發有關的觸發源、觸發點、觸發電平和觸發模式有所瞭解。

觸發源就是選擇哪條通道作為觸發物件,觸發源可以選擇示波器的任一通道也可以設定外部訊號作為觸發訊號源;觸發點也就是所說的觸發位置,調節觸發位置可以觀察觸發之前或者觸發之後的波形,按一下MS500示波器上的“50%”快捷鍵可以快速把觸發位置調節到水平中央位置;觸發電平是設定觸發點所對應的訊號電壓,訊號只有達到所設定的觸發電平才能被觸發。

觸發模式一般有自動(Auto)、正常(Normal)和單次(Single),有些人會把停止(Stop)作為第四種觸發模式。正常模式是指不論是否滿足觸發條件都有波形顯示,都實時重新整理顯示波形;正常模式指僅在有效觸發事件時才觸發顯示,否則波形會靜止在上一次捕獲的波形圖上,對於麥科信手持式示波器MS500系列示波器螢幕右上角會顯示“等待觸發”提示。單次模式就是捕獲第一次滿足觸發條件的訊號波形,捕獲後就顯示停止狀態,停止模式就是讓訊號強制靜止狀態。

此外還有觸發耦合方式和觸發抑制時間,麥科信示波器的觸發耦合方式有直流、交流、高頻抑制、低頻抑制、噪聲抑制耦合方式。觸發抑制時間是指示波器重新觸發所等待的時間。在抑制結束之前,示波器不會再觸發。

波形重新整理率

波形重新整理率也就是波形捕獲率是指示波器每秒鐘可以顯示多少條波形,示波器的“死區”時間指示波器對已採集到的波形進行處理和顯示的時間,在此時間,示波器不採集訊號。普通示波器的“死區”時間遠遠大於“顯示區”的時間,這就讓絕大部分時間的訊號沒被顯示,導致無法觀察到異常訊號。而MS500系列的手持式示波器的重新整理率可以達到19萬次/秒,高重新整理率示波器則大大減少了死區時間,從而能夠迅速準確的發現異常訊號,真正實現“看見”一般示波器“看不見”的事件。

垂直解析度

數字示波器的垂直解析度指的是模數轉換器的垂直解析度,用來衡量示波器將輸入電壓轉化為數字值的精確程度,通常用A/D的位數來表示,比起工程師談的更多的是示波器的頻寬和取樣率,一般很少談到解析度。一般各個廠家生產的實時示波器ADC位數大都為8位,故而極少提及垂直解析度,MS500系列是9位的垂直解析度,一般實時示波器由於取樣率高,ADC位數很難提高,在需要高解析度測量的場合經常由低取樣率的資料採集卡實現。而Micsig示波器在具備1G/s的取樣率情況下,其ADC位數達到9位,使其在測量和分析微笑變化的訊號也能儘可能減小量化誤差。而且整個機器尺寸才是254mm×160mm×60mm,重量包括電池也僅有1。66kg,在行動式的前提下完全可以替代所有同頻寬臺式示波器並具有臺式示波器無法比擬的效能及優點。