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【转】示波器选型参数
发布时间:2019-08-04    浏览次数:

  关于及时采样示波器和等效采样示波器各自的劣势,正在Agilent的使用指南《等效时间采样示波器和及时示波器的不同》中提到:

  正在电子设想实践中,示波器是用于阐发和定位问题必不成少的设备。跟着电子学的成长,信号速度越来越高,操纵示波器丈量信号的上升/下降、成立/连结时间,过冲/下冲,眼图等参数,能够快速地定位问题。本文就示波器选型的一些环节参数做简要引见。

  及时示波器能够按照数据本身的特征进行触发,凡是输入波形的幅度达到一个特定阈值时,触发就会发生。示波器此时起头以异步速度(取输入波形的数据速度没有任何干联)将模仿波形转换为数字数据点。示波器对输入波形的幅度进行采样,并将这个幅度值存储到存储器中,然后继续下一个采样(如图8所示)。触发的次要工做是为输入数据供给一个程度时间参考点。

  分歧的示波器频次响应各有其优错误谬误。具有最大平展度响应的示波器衰减带内信号的数量少于具有高斯响应的示波器,这表白前者可以或许更切确地丈量带内信号。带有高斯响应的示波器衰减带外信号的数量少于具有最大平展度响应的示波器,这表白正在不异的带宽手艺目标下,前者具有更快的上升时间。有时,将带外信号衰减到更高的程度可有帮于消弭会形成采样混叠的高频次分量,从而达到奈奎斯特尺度。奈奎斯特采样定律将正在后文阐述。

  信号的上升时间定义为信号幅度由10%升到90%履历的时间(也有定义20%到80%),由前面的引见能够晓得,上升时间越小,则信号叠加的奇次谐波频次越高。

  带宽手艺目标大于 1 GHz 的示波器凡是具有最大平展频次响应,如图3所示。这类响应凡是正在-3 dB 频次附近显示出具有更峻峭的下降特征、更为平展的带内响应。

  对于上升时间的丈量,示波器的上升时间是待测信号上升时间的1/3~1/5以脚够的丈量精度。理论上丈量到上升时间(Trm)能够通过以下公式计较:

  示波器每次采样的成果都必需保留正在存储中,存储深度表征示波器能够保留采样点数。采样时间越长,采样率越高,则需要保留的采样点越多。更大的存储深度意味着能够以更高的分辩率沉构信号,从而更容易捕获到信号中的毛刺和非常。正在数模夹杂信号和串行通信使用中,往往需要更大存储深度的示波器。

  挨次等效采样,采样点的采集是按一个固定次序进行的,即正在屏幕上以从左往左进行采集,每到来一个新的触发事务就采集一个采样点。为了填满一个完整的波形记实,记实中有几多个存储就需要几多个触发事务,如图11所示。第一个触发事务到来后就当即采集第一个采样点,并将其存入存储器,第二个触发事务则用来启动一个按时系统,此按时系统将发生一个很小的时间延迟t,颠末这个t的延迟时间后,再采集第二个采样点。第三个触发事务到来后,该按时系统则发生2t的延迟时间。此延迟时间当前再采集第三个采样点,并以此进行下去。

  等效采样示波器,所谓等效,是指用较低的现实采样速度(500Sa/s)获取的消息量取较高采样速度(1000Sa/s)获取的消息量是等效的,价格是获取不异消息的时间变长了。等效采样降低了现实采样速度,减小了单元时间内的采样点数,降低了对数据存储速度和容量的要求。

  随机等效采样的第一组采样点是正在随机时辰采集的,而取触发事务无关,这些采样(第N组)点是基于示波器内部时钟的,取测试信号无关。当示波器正在期待触发事务到来时,其内部就正在持续地采样并将成果存储起来。当一个触发事务到来时,示波器内一个按时系统就从这个时辰起头数据的采样曲到下个触发事务起头下一组数据的采样。因为采样间隔是固定的,示波器可以或许据此计较出所有采样点正在存储器中的。当第一次采集所有的采样点存储完毕当前,就起头采集一组新的采样点并期待新的触发事务,新触发时间到来当前,计时系统进行新的时间丈量并计较出这些新的采样点,这些新采样点落正在第一次采样点之间未填充,用这种方式,丈量的波形由X轴上随机呈现的一组组采样点形成。随机等效采样的过程如图10所示。

  按照Nyquist采样,当对一个最高频次为f 的带限信号进行采样时,采样频次必需大于f 的两倍以上才能确保从采样值完全沉构本来的信号。这里f称为Nyquist频次,2f为Nyquist采样率。对于正弦波,每个周期至多需要两次以上的采样才能数字化后的脉冲序列能较为精确的还原原始波形。若是采样率低于Nyquist采样率则会导致混迭(Aliasing)现象。

  所有示波器城市正在较高频次时呈现低通频次响应衰减。带宽的定义是指信号颠末示波器/探头输入通道,幅度衰减至原幅度-3dB点的信号频次值。-3dB是基于对数标度,换算过来大要70.7%,-3dB即信号能量衰减至初始能量一半的点。

  示波器次要有两种采样体例:及时采样和等效时间采样(等效采样)。等效采样进一步可分为两类:随机等效采样和挨次等效采样。每种采样体例有各自的优错误谬误,对应着分歧的使用范畴。

  采样率指的是示波器的ADC采样模仿信号的速度,和示波器带宽没有间接联系。采样率的单元Sa/S暗示每秒采样的次数。决定示波器采样率的是节制ADC转换单位的时钟频次。采样率越高,采样的波形越完整,越容易捕获到更丰硕的波形消息。有的丈量需要长时间不雅测波形消息,这时该当选择低采样率的示波器,因而最小采样率也可能是选择示波器的一项考量要素。

  按照示波器分歧的频次响应特点,带宽小于1GHz的高斯响应示波器的k值一般取0.35,带广大于1GHz最大平展度响应示波器的k值正在0.4到0.45之间。表1列出常见逻辑电平分歧上升时间对应的带宽选择。

  按照以往经验,示波器带宽应比被测系统的最快数字时钟速度高少至5倍。若是示波器满脚这一尺度,则其可以或许捕获高达5次的谐波,并实现最小的信号衰减。这个信号分量对于确定命字信号的总体波形很是主要。可是若是您需要对高速边缘进行切确丈量,要留意到此公式不会考虑快速上升沿和下降沿中嵌入的现实最高频分量。更切确地确定带宽的方式是确定命字信号中呈现的最高频次,而非最大时钟速度。最高频次是由设想中的最快边缘速度决定的。也就是说,带宽和上升时间间接相关。凡是,上升时间和带宽(BW)的关系如下:

  正在选择示波器时,招考察供给的触能、波形搜刮东西、从动丈量功能及阐发软件包,如串行总线阐发、发抖和电源阐发,确保满脚需求。

  正在同样的采样率下,利用随机采样方式填满一个完整的波形记实所耗损的时间比挨次采样多良多,由于这时是用统计的方式来填充所有存储器的。随机采样手艺的长处正在于能够供给预触发消息以及触发后消息。

  正在挨次采样模式下,采集波形的周期数,即触发事务数等于存储器的记实长度。挨次采样能够实现后触发延迟功能,可是不克不及供给预触发消息。正在快速时基设置下,填满一个存储器记实所需的时间是很无限的。其速度比随机采样要快得多。

  举例说,假定一个幅度1V,频次100MHz的正弦信号输入到带宽100MHz的示波器,则颠末示波器输入通道后,示波器领受到的信号幅度只要0.707V。

  示波器的上升时间并不是示波器能够切确丈量的最快边缘速度。假定输入信号具有理论上无限快的上升时间 (0 ps) 时,示波器的上升时间是示波器可能发生的最快边缘速度。虽然这个理论上的手艺目标是不成丈量由于脉冲发生器现实上不克不及生成无限快的边缘可是能够通过输入边缘速度比示波器上升时间手艺目标快3到5 倍的脉冲信号,来丈量示波器的上升时间。

  正弦波是单一频次的,利用正弦波信号发生器,正在扫描频次上测试示波器的带宽和频次响应。信号-3 dB频次处衰减约为-30%幅度误差,如图4所示。所以当信号的次要频次接近示波器的带宽时,很难对信号进行很是切确的丈量。理论上,丈量的信号幅度误差能够用下面公式估量:

  及时示波器有时也称为“单次”示波器,它正在每个触发事务上捕捉一个完整波形。也就是说,它正在一个持续记实中捕捉大量的数据点。为了更好的理解这种数据采集类型,我们将及时示波器假设为一个速度极快的模数转换器(ADC),此中采样速度决定采样间隔,存储器深度决定要显示的点数。及时采样是获得快速瞬时波形的独一方式。为了捕捉任何波形,ADC采样速度要较着快于输入波形的频次。别的,及时示波器霎时大量的采样值必需当即存储到示波器的内存,这也对示波器的设想提出了挑和。及时采样示波器采样速度能够达到40GSa/s,决定了带宽目前可扩展到13GHz。

  示波器按照采样点的值恢回复复兴始波形,因为采样的数据是一些离散点,这时候需要通过插值法将这些离散点毗连正在一路,形成持续的波形。凡是利用的插值法性插值法(Linear Interpolation)和正弦插值法(Sinx/x Interpolation),线性插值法将采样的离散点间接毗连,仅限于沉构那些曲角边缘的方波信号;而正弦插值法通过数算填充离散点之间的空地,获得的波形接近曲线,更合适现实环境。正弦插值法多使用于采样率是带宽3-5倍的场所。便于切确丈量和沉构波形,采用正弦插值法示波器的采样率至多为信号最高频次的2.5倍,采用线性插值法示波器的采样率至多是信号最高频次的10倍。有些示波器能够由用户选择何种插值法沉构波形,好比用线性插值法沉构方波、脉冲波形,利用正弦插值法沉构正弦波。图12暗示分歧插值法恢复波形的环境:

  除正弦波外,其它波都能够看做分歧频次正弦波加权叠加而成。方波是由基波取无不偶次谐波叠加所形成。方波是抱负波形,我们近似方波只用前几个谐波叠加,叠加的奇次谐波频次越高,现实波形的上升波形越峻峭,就越接近抱负方波。

  正在丈量高频信号时,示波器可能正在一次扫描中无法捕捉脚够的采样点。当待测信号频次大于示波器采样率的1/2时,能够选择等效采样示波器。等效采样仅丈量采样霎时波形的瞬时幅度。取及时示波器分歧,等效时间采样示波器的每次触发只对输入信号采样一次。下次触发示波器时,会添加一个小小的延迟然后进行下一个采样。预期的采样数决定从头生成波形所需的周期数。等效采样仅对反复信号无效,通过大量正在分歧时间点/相位的采样值,沉构信号的完整波形,如图9所示。

  图7暗示了正在分歧采样率下恢复出来原始信号的波形。当采样频次等于信号频次f时,沉构的信号为DC曲流电平;当采样频次上升到2f时,恢复出来的信号和原始信号具有不异的频次,但信号表示为三角锯齿波。将采样率添加到必然范畴,好比5f,就能够比力精确地沉构原始信号了;图7示C景象,此时Nyquist频次为(4f/3)/2 = 2f/3,小于信号频次f,因而采样恢复出来的原始信号是不精确的混迭的信号。

  这就是说第N个新的采样点的采集是正在相对于第一次触发事务延迟了(N-1)t的时间后进行的。其成果是示波器上显示的波形是由按固定次序呈现的采样点而形成的。即第一个采样点正在屏幕的最左边,接着各采样点顺次向左形成显示波形。

  大大都带宽手艺目标正在 1 GHz 及以下的示波器凡是会呈现高斯响应,并正在 -3 dB 频次的三分之一处表示出迟缓下降特征,如图2所示:


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