《電子技術(shù)應(yīng)用》
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關(guān)于示波器的十個問題十個答案

2008-05-19
作者:網(wǎng)絡(luò)資源

??? 示波器數(shù)字示波器" title="數(shù)字示波器">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。但隨著計算機、半導體和通信技術(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。


??? 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" title="最大">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)" title="邊沿觸發(fā)">邊沿觸發(fā),并將觸發(fā)電平調(diào)到適當值,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" title="存儲深度">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" title="采樣速率">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??蓪⑹静ㄆ饔|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))??偟膩碇v,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?,F(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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