新型数字示波器的应用,数字示波器性能特点

示波器一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展，电路系统的信号时钟速度越来越快，信号上升时间也越来越短，导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。针对这些新的测试挑战，示波器供应商不断推出了性能更好的数字示波器。但要想准确快速地对系统信号进行分析，测量时还有很多新的因素必须考虑。如仪器速度能否跟上被测信号的变化、带宽是否足够、测量方法会不会引入干扰，甚至还有所使用的探头是否合适等等。

问题1：每台示波器都有一个频率范围，比如10M、60M、100M...我手头用的示波器标称为60MHz，是不是可以理解为它*大可以测到60MHz？可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到，这是什么原因？

答：60MHz带宽示波器，并不意味着可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义，若输入峰峰值为1V的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上，您在示波器上将看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波，选择示波器的参考标准应是信号上升时间，示波器带宽＝0.35/信号上升时间×3，此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。

示波器的探头带宽也很重要，若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低，将会使示波器带宽大大下降。如若使用20MHz带宽的探头，则能实现的*大带宽是20MHz，如果在探头前端使用连接导线，将会进一步降低探头性能，但对4MHz左右方波不应有太大影响，因为速度不是很快。

另外还要看一下示波器使用手册，有的60MHz示波器在1:1设置下，其实际带宽将锐减到6MHz以下，对于4MHz左右的方波，其三次谐波是12MHz，五次谐波是20MHz，若带宽降到6MHz，对信号幅值衰减很大，即使能看到信号也*不是方波，而是幅值被衰减了的正弦波。

当然，测不出信号的原因可能有多种，如探头接触不好(该现象很容易排除)，建议用BNC电缆连接一函数发生器，检验该示波器本身有没有问题，探头有没有问题，如有问题，可和厂家直接联系。

问题2：有些瞬时信号稍纵即失，如何捕捉并使其重现？

答：将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal，触发条件设置成边沿触发，并将触发电平调到适当值，然后将扫描方式设置成单次方式)，注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的*大采样速率。

问题3：在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏，但是要精确测量却非常困难，有什么方法和技巧吗？

答：在使用示波器时，要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求，如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时，若不能保证示波器的系统带宽，测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量，可使用示波器+USB-GPIB适配器+软件选件来完成，也可用较为便宜的调制域分析仪。

问题4：为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的电流信呢?

答：如果信号的确存在，但示波器有时能抓到有时抓不到，这就可能和示波器的设置有关系。通常可将示波器触发模式设置成Normal，触发条件设置成边沿触发，并将触发电平调到适当值，然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行，那就可能是仪器出了问题。

问题5：如何测量电源纹波？

答：可以先用示波器将整个波形捕获，然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可)，同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

问题6：新型数字示波器怎样用于单片机开发？

答：I2C总线信号一般工作速率不超过400Kbps，*近也出现了几Mbps的芯片，有的示波器在设置触发条件时，无需顾及不同速率的影响，但对其它总线，如CAN总线，则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率以便示波器能正确理解协议，并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析，如协议级分析，可使用逻辑分析仪，但相对来说价格比较高。

问题7：关于模拟和数字示波器比较的问题：1、模拟和数字示波器在观察波形的细部时，哪个更有优势(例如在过零点和峰值时，观察1%以下寄生波形)？2、数字示波器一般提供在线显示均方根值，它的精度一般是多少？

答：1)观察1%以下寄生波形，无论是模拟示波器还是数字示波器，观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高，如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%，这并不比数字示波器(通常精度为1～2%)更具优势，而且对细节，数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更精确。

2)对于示波器的幅值测量精度，很多人用A/D位数来衡量。实际上，随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等，它会有所变化。若带宽不够，本身带来的幅值测量误差就很大，若带宽够了，采样设置很高，实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册，它可能会给出不同采样率下，示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲，示波器测量幅值，包括均方根值的精度往往不如万用表，同理，测量频率它不如频率计数器。

问题8：毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)？假如有一个100MHz示波器，测量的方波信号大约是10M左右，而且是占空比1:1左右的方波，设想一下，一个10M的方波，它的正向或负向的脉宽都是50ns，那么在什么样的情况下能真正用到5ns这个性能呢？

答：毛刺/脉宽触发一般有两种典型应用场合，一是同步电路行为，如利用它来同步串行信号，或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时，脉宽触发就是一个选择；另一是用来发现信号中的异常现象，如因干扰或竞争引起的窄毛刺，由于该异常是偶发显现，必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式，但峰值检测方法有可能受其*大采样率的限制，所以一般是只能看而不能测)。在问题所提的例子中，若被测对象的脉冲宽度是50ns，而且该信号没有任何问题，也就是说没有因干扰、竞争等问题引起的信号畸变或变窄，那么用边沿触发就可同步该信号，无需使用毛刺触发。根据不同的应用，未必会使用到5ns这个指标，一般用户将脉宽触发设置为10ns～30ns。

问题9：在选择示波器时，一般考虑*多的是带宽，那么在什么情况下要对采样速率有所考虑呢？

答：取决于被测对象。在带宽满足的前提下，希望*小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到您需要的信号细节。业界有些关于采样速率经验公式，但基本上都是针对示波器带宽得出的，实际应用中，*好不用示波器测相同频率的信号。若在选型时，对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上，采样率是带宽的4到5倍，也即实际上是信号的12到15倍；若是其它波形，要保证采样率足以捕获信号细节。若您正在使用示波器，可通过以下方法验证采样率是否够用：将波形停下来，放大波形，若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率不够，否则无碍。另外也可用点显示来分析采样率是否够用。

问题10：如何理解“考核波形采样率够不够时，将波形停下来，放大波形，若发现波形有变化(如某些幅值)就说明采样率就不够，否则无碍。也可用点显示来分析采样率是否够用。”？

答：我有幸给用户做过实测，曾亲历这种现象。当时被测对象是一种看上去很随机且高速变化的信号，用户将触发电平设在-13V左右。波形采集下来后想放大测量细节时，却发现改变示波器时基(SEC/DIV)设置时，信号幅值突然变小，我当时将示波器改成点显示，发现好像是点数(存储深度)不够，但我比较点显示和矢量显示后，发现若矢量显示有一定可信性，那么就是当前的两个采样间隔(采样率的倒数)中信号有突变，但未能被采集到(采样间隔不够细，即采样率不够高)。我换了一台同样存储深度但采样率较高的示波器，发现问题消失了。

存储深度也会影响示波器能用到的实际*大采样率。存储深度太浅可能是个问题，因为存储深度可能限制能实际用到的*大采样速率，但实质上是采样率不够，丢失了信号细节。存储深度不够深，可能会导致实际采样率不高，这一点跟厂家提供的指标关系不大。 数字示波器的类型

　　数字具备两项基本功能：信号采集与信号分析。在采集信号样本过程中，采集到的信号会保存在存储器中；而在信号分析时，示波器会分析采集到的波形并将其输出到显示器。目前市面上有各种各样的数字示波器，而这里所介绍的都是当今*常见的示波器类型。

　　1、数字采样示波器

　　数字采样示波器在对信号进行垂直设置之前对信号进行采样。它具备非常宽的带宽，缺点是动态范围有限，一般测量信号的峰-峰值*大约1V。与其它某些类型的数字示波器不同，数字采样示波器可以捕捉到信号中远高于仪器采样率的频率分量。相比于其他类型的示波器，它能够测量速度更快的重复周期信号。因此，数字采样示波器可胜任超高带宽的应用测量，比如光纤传输测量，此类示波器成本也较高。

　　2、实时采样示波器

　　当信号的频率范围小于示波器*大采样频率的一半时，实时采样便具有明显的优势。该技术让仪器可以在单次扫描中获取大量样本点，提供高度精确的显示。这是目前能够捕捉*快速单次瞬态信号的*方法。

　　通常包含数字逻辑信号，以及受时钟控制或者不受时钟控制的并行总线和串行总线，以及标准化或者专用的传输码型。

　　所有这些信号都必须经过分析，这往往要求使用复杂的测试装置和多种仪器。并且通常还必须同时显示模拟信号和数字信号。为此，现在的许多示波器都具备特定的选件，将数字示波器升级为具有逻辑分析功能的混合工具。这对于数字电路的快速调试来说非常重要，因为它具备数字触发功能、高分辨率、采集及分析功能。

　　3、混合信号示波器

　　混合信号示波器扩展了数字示波器的功能，包含有逻辑和协议分析能力，简化了试验平台并能实现单一仪器的模拟波形、数字信号和协议分析的同步可视化。硬件开发者可以利用混合信号示波器来分析信号的完整性，而软件开发者可以利用它们来分析信号内容。

　　典型的混合信号示波器具有两个或者四个模拟通道，以及更多的数字通道。模拟通道和数字通道要求实现同步，使得它们可以在时间上相关并在同一台仪器上进行分析。

　　4、混合域示波器

　　顾名思义，混合域示波器可以显示数字域、模拟域和射频域的波形数据，并建立它们之间的相关性，各个域均会以不同的方式显示信号。这一点在许多测量应用中是很有用的。比如，如果用户在评估一个嵌入式（板级）信号处理系统的时候需要查看跨越子系统的模拟、数字和高频信号，那么混合域示波器便可以满足要求。