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經(jīng)驗(yàn)總結(jié):示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”

發(fā)布時(shí)間:2014-12-28 責(zé)任編輯:echolady

【導(dǎo)讀】本文分享了電子工程師研究中所做的總結(jié),他并不是完整的選型指南,但是細(xì)致入微的觀察往往比空口無(wú)憑更具實(shí)際。本文分享了示波器參數(shù)的相關(guān)細(xì)節(jié),希望對(duì)大家有所幫助。

本章主要討論一下示波器的核心參數(shù):模擬帶寬、采樣率、AD分辨率。

一、模擬帶寬


目前已經(jīng)有太多的文章介紹模擬示波器的帶寬,所以這里我不再花太多時(shí)間來介紹。簡(jiǎn)言之,帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時(shí)的頻率,如圖1所示,功率一半也就是電壓的1/ , 例如,用一個(gè)100MHz帶寬的示波器采集一個(gè)10MHz,1V的正弦波,此時(shí)示波器采集到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。隨著輸入信號(hào)頻率的增加到100MHz時(shí),采集到的正弦波的振幅變?yōu)?.707V左右。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié):示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
圖1 帶寬是功率一半或者-3dB時(shí)的頻率。如果輸入一個(gè)固定振幅的波形,增加信號(hào)頻率,-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實(shí)際幅值的0.707倍。
 
不幸的是,實(shí)際應(yīng)用中我們很可能需要測(cè)量的是方波(例如數(shù)字系統(tǒng))而不是正弦波。因?yàn)椴杉讲ㄐ枰h(yuǎn)高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個(gè)帶寬是待測(cè)數(shù)字系統(tǒng)最高信號(hào)頻率5倍的示波器。例如,一個(gè)66MHz的時(shí)鐘信號(hào)需要一個(gè)330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫一個(gè)模擬濾波器,先對(duì)方波進(jìn)行濾波,然后繪制出濾波結(jié)果。圖2 顯示了分別用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)濾波的結(jié)果。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié):示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
圖2 用一個(gè)50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對(duì)50 MHz方波信號(hào)采樣的結(jié)果
 
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二、采樣率

除了示波器的模擬帶寬外,采樣率也是非常重要的參數(shù)。采樣率的單位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。一般情況下,各個(gè)示波器公布的采樣率參數(shù)都是指單通道最高采樣率。如果一臺(tái)兩通道的示波器,公布的采樣率參數(shù)為1GS/s,兩個(gè)通道同時(shí)使用時(shí),每通道的最高采樣率為500MS/s。

所以,你需要多高的采樣率?對(duì)奈奎斯特定律熟悉的人,可能簡(jiǎn)單的認(rèn)為采樣率僅為待測(cè)信號(hào)帶寬的2倍即可。但是當(dāng)根據(jù)這個(gè)原則采集信號(hào)時(shí),信號(hào)往往是失真的。當(dāng)然,更高的帶寬和采樣率下,這個(gè)定律是非常適用的,例如,5倍的采樣率。圖3顯示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此時(shí),方波信號(hào)嚴(yán)重失真。然后,如果只將采樣率提到到100MS/s,一下子還真無(wú)法認(rèn)出是方波。與100MS/s的采樣率相比,500MS/s采樣率采集出來的信號(hào)更像是方波信號(hào)(但是由于示波器帶寬的限制,方波還是被磨平了一些)

經(jīng)驗(yàn)總結(jié):示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
圖3 用100MS/s采樣率采集25.3MHz的方波信號(hào),嚴(yán)重失真。用500MS/s采集出來的信號(hào)看起來有點(diǎn)像方波信號(hào)的。
 

三、等時(shí)間采樣(ETS)


一些示波器有一個(gè)等時(shí)間采樣模式,一個(gè)快速采樣模式。如PicoScope 6000系列采樣率為5G/s, 其在ETS模式下,單通道采樣率能夠達(dá)到200GS/s,四個(gè)通道同時(shí)使用時(shí),ETS采樣率高達(dá)50GS/s。

值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過AD采樣時(shí)鐘精確的相位偏移實(shí)現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號(hào)。因?yàn)橐欢螘r(shí)間之后,波形將重建。簡(jiǎn)言之,就是一個(gè)周期采集一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),下一個(gè)周期在采集一個(gè)采樣點(diǎn),兩個(gè)采樣點(diǎn)有固定的相位差。采集多個(gè)周期之后,會(huì)將這些點(diǎn)合成一個(gè)周期的波形。

四、ADC分辨率

還有一個(gè)常常需要考慮的核心參數(shù):AD分辨率。即模擬波形如何映射到數(shù)字波形的。一個(gè)8位的ADC表示可以將模擬波形分為28=256等份。例如示波器的測(cè)量范圍是±5 V ,峰峰值10V,表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV.

這也告訴我們數(shù)字示波器一個(gè)事實(shí):選擇盡可能小的測(cè)量范圍,以便于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量范圍±1V,8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測(cè)信號(hào)摻雜其他信號(hào),例如一個(gè)帶負(fù)載的開關(guān),剛打開的瞬間會(huì)有一個(gè)7V的尖峰,然后才回到正常的0.5V。如果你想要測(cè)量該尖峰,那么你就不能用最小的測(cè)量范圍。

一個(gè)12位的分辨率的示波器,當(dāng)測(cè)量范圍為±5 V(峰峰值10V),將模擬信號(hào)分成212=4096等份,最小可分辨電壓為2.551mV。如果分辨率為16位,10V峰峰值電壓范圍被分為216=65536份,最小分辨電壓0.1526mV。一般情況下,我們需要在高分辨率慢速ADC和低分辨率快速ADC之前作出取舍。但是Pico Technology 的柔性分辨率5000系列示波器是一個(gè)例外,因?yàn)樗试S你動(dòng)態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進(jìn)行切換。不過分辨率的選擇同時(shí)使用的通道數(shù)量和最高采樣率。

一般的示波器都是8位的ADC分辨率,當(dāng)然也有一些高分辨的示波器。但是這些高分辨率是固定的,無(wú)法改變。所以在購(gòu)買示波器時(shí),我們必須選擇要買高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器(分辨率高,采樣率相對(duì)就低一些)。有些聰明的示波器廠家說他們的示波器可以使用8-14位的分辨率,也可以選擇不同的采樣率。他們可以單賣采集板卡,讓用戶可以將原有的示波器升級(jí)到更高的分辨率。TiePie就是這樣做的。除了之前提到的柔性分辨率示波器,Pico Technology 也有最高14位的固定高分辨率示波器。一些其他大的示波器廠家也有高分辨率示波器。例如 力科HRO高分辨率示波器(12位分辨率)。

許多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或軟件分辨率增強(qiáng)功能。這是通過濾波實(shí)現(xiàn)的一種軟件增強(qiáng)技術(shù)。該技術(shù)可能對(duì)測(cè)量信號(hào)的帶寬有一定的影響。千萬(wàn)要注意,一個(gè)實(shí)際12位,100MHz帶寬的示波器跟通過8位分辨率,100MHz示波器軟件增強(qiáng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。

用示波器的FFT模式(通常稱為頻譜分析儀模式),我們可以看到高分辨ADC和增強(qiáng)的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時(shí)域波形,那么我們可能不會(huì)注意14位分辨率的精確度或者其他。但是,如果需要測(cè)量諧波失真(THD),或者其需要精確測(cè)試頻率的應(yīng)用,高分辨是直觀重要的。

經(jīng)驗(yàn)總結(jié):示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”

圖4 不同分辨率下的顯示效果

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