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    10 3月, 2016

示波器基本原理

示波器是设计和测试电子设备和器件最常用的工具。数字储存示波器(简称DSO)和混合信号示波器(简称MSO)都是强大的仪器,用于显示及测量随时间变化的电子信号,并且能有助于确定哪一个器件运行正常,而哪一个器件出现故障。示波器还能帮助您确定新近设计的器件是否能按照您想要的方式运行。

 

 

 

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示波器是什么?

示波器是强大的工具,对于设计和测试电子器件很有用,在确定哪一个器件运行正常、哪一个器件出现故障方面起着至关重要的作用。示波器还能帮助您确定最新设计的器件是否能按照您想要的方式运行。

示波器远比万用表强大的多,原因在于示波器可让您看到电子信号的实际样子。示波器用于广泛领域,从汽车制造业、大学的研究实验室到航天航空业,不一而足。公司依靠示波器帮助其发现瑕疵,生产出功能完备的产品。

请在此网站了解更多关于示波器的基本原理

Learn the basics of using an oscilloscope from the 2-Minute Guru

带宽

示波器最重要的单一特性,即带宽在频率域提供范围标示。

带宽以Hz衡量,根据频率决定信号范围,以便能精确显示及进行测试。

带宽不足,则示波器将不能显示出实际信号的准确表现。例如,信号的幅度也许会不准确、边缘也许会不平整、波形细节情况也许会丢失。

欲知计算示波器带宽的提示,请参阅此应用

采样率和存储深度

示波器采样率是示波器每秒所能够获取的采样点数。您使用的示波器应该具有大于其带宽至少2.5倍的采样率,但是,理想的采样率应该大于带宽4倍或以上。

数字示波器使用A/D(模拟-数字)转换器将输入端的波形数字化。然后,数字化的数据被储存在示波器的高速存储器中。存储器的深度正是采样率和点数的多少,因此,所持续的时间可被储存。

存储器的深度对于示波器的采样率起着重要的作用。理想情况下,不管示波器的设置如何,采样率都应该保持不变。然而,这就需要在慢时基的设置时,存储深度足够深。相反,在您提高时间长度的同时,采样率就会降低。示波器所具有的存储器的深度越深,您就可以在高采样率下采集更长时间的波形。

查看如何计算示波器采样率和采样的保真度

了解示波器的存储器结构如何对示波器的采集存储器产生影响

了解分段式存储如何能将示波器的可用存储器最大化

波形更新率

波形更新率可以说是极为重要的 — 有时与带宽和存储深度一样重要。

所有的示波器都有一个内在特性,称为“死区时间”。这是示波器进行每一次重复采集之间的时间,此时其正在处理先前采集的波形。遗憾的是,示波器的死区时间有时会比采集时间更长。在示波器的死区时间期间,任何出现的信号将会丢失,这会使随机采集和示波器的罕见毛刺成为一种赌博。

在此应用指南中了解快速更新率如何能提高您发现罕见异常信号的概率

采集模式

示波器采集模式决定由示波器从模拟-数字转换器(简称ADC)所获取的采样点如何与波形点相结合及显示。下面的采集模式是最常见的:

普通或实时采集模式

这是最基本的采样模式,在这种情况下,一个波形点在每一个波形间歇期间从一个采样点创建。这是最常见的,而且大部分波形得以产生最佳显示。

平均采集模式

平均采集模式让您将多种采集一起平均化以降低噪声并提高垂直分辨率。平均化需要一个稳定的触发器和重复性波形。更高的平均数可降低噪声并提高垂直分辨率。

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滚动模式

滚动模式是一种无触发采集模式,在此模式中,所采集的数据以一种滚动方式在显示器的右面开始显示并继续到左面显示(在采集进行当中)。滚动模式在手动调整低频波形、在低频率波形中发现干扰或监控电源电压上电周期时较为有用。因为滚动模式是一种无触发采集模式,所以与触发器无关,而且触发器的所有功能都被禁用。在采集进行当中,新数据将继续在屏幕上横向滚动。水平参考点设置在右面并且是当前时刻。波形数据点以当前的采样率滚动到水平参考点的左面。

峰值检测模式

所有的DSO(数字存储示波器)和MSO(混合信号示波器)都具有混合信号的采集存储器,这是示波器对每一个采集周期所能数字化的采样点数。如果示波器的时间基数设定为比较快的时间/格的设置,如20ns/格,那么示波器将总是会有足够数量的存储器在该设置下使用示波器的最高特定采样率采集波形。例如,如果示波器的最高特定采样率为4GSa/s(采样之间250ps),而且,如果示波器的时间基数设定为20ns/格,那么800点采集存储器的深度即为所需要采集和显示完整波形的全部条件。在20ns/格的情况下,在整个示波器屏幕上的完整波形由200n秒的时间组成(20n秒/格x 10 个水平格)。在仍以4GSa/s进行采样的情况下,填充该时间所需要的存储深度仅为800点(200ns/250ps= 800)。

如果您将示波器的时间基数设定为较慢的时间/格的设置以便采集较慢的波形并有更长时间采集,那么示波器也许需要自动降低其采样率以填充波形所需要的时间。所有的DSO及MSO都可以满足此要求。例如,让我们假设您想采集比较慢的信号并且需要把示波器的时间基数设定为10ms/格(横屏100ms)。如果示波器存储器的最大深度是2 M点,那么示波器将需要把其采样率降至20MSa/s(100ms/2 M = 50ns采样周期)

虽然在大多数情况下这并不是问题,因为采集较慢波形不需要较快的采样率,但如果所输入的信号包含低速和高速的混合特性将会出现什么情况?例如,假如您想采集的输入信号为30 Hz正弦波,而其上面载有非常狭窄的毛刺又该如何?采集30 Hz正弦波不需要较快的采样率,但采集狭窄的毛刺会需要非常快的采样率。

在已选择峰值检测采集模式的情况下,示波器以更高的采样率有效地对所采集的数据进行降采样,而不是以降低的速率进行波形采样。例如,让我们假设示波器需要以其最高采样率的百分之一的速率运行。这就等于示波器以最高的采样率运行,但仅储存每个百分之一点,这是“非有效”降采样。在峰值检测模式中,示波器会实时对一组200个连续性采样进行分析(以高速率采样),然后对这组的200个点仅储存最高和最低的数字化值,即仅2个点。这会是100的降采样因子。所以您也许会问,为什么不一直使用峰值检测模式?在使用此采集模式时会有些取舍。首先,示波器的绝对最高采样率被降低。其次,所储存的点将不会被均匀地分隔开。这是奈奎斯特(Nyquist)采样定律的一个重要标准。迄今为止,这一特别检测应用程序–使用峰值检测模式是一种好的选择。但对于其它检测应用程序来说,峰值检测不一定是恰当的采集模式。

高分辨率采集模式

高分辨率模式使采样内的序列采样点平均化,因而可降低随机噪声、使屏幕上的轨迹更为平滑并且有效提高垂直分辨率。此模式与平均模式不同,不需要重复性波形。

查看平均或高分辨率采集模式如何能提高垂直分辨率

分段式存储器采集模式

分段式存储可让采集存储分成一组等长子记录,即总体长度直至示波器存储器的总深度都相等。分段式存储器对被死区时间分开而多次突然出现的数据的应用程序很有用,因为在触发事件后,分段式存储器仅通过捕捉子记录将示波器的存储深度最大化。 在分段存储问世以前,从动态连续触发事件获得和储存数据的最佳方法是将从每个触发器采集到的数据储存到示波器的硬盘。保存每个波形到硬盘所需的时间极大地限制了总体吞吐量。有了分段式存储,示波器可使用真正的高速采集存储器保存每个波形而不再用硬盘。这就极大地提高了吞吐量并将周期间的死区时间减少到最低程度。

了解分段式存储如何能将示波器的可用存储器最大化

小帖示:如何选择合适的采集模式

普通采集模式:

  • 用于频率分量小于采样率四分之一的波形。
  • 采集不经常出现的波形,如毛刺。
  • 用于单次波形事件。

峰值检测采集模式:

  • 在慢时基时,快速发现 > 50ps宽的波形异常。
  • 查看波形是否混叠。
  • 用于单次波形事件。

平均模式

  • F对周期波形来说,可使用普通平均模式降低一些触发器的噪声。

高分辨率采集模式:

  • 减少和改善非周期(单次)波形上的信噪比。对周期波形来说,可使用普通平均模式降低一些触发器的噪声。
  • 提高信号的分辨率。随着高分辨率间隔的增加,有效比特数也随之增加(可达到某比特数)。

分段式采集模式(普通、峰值检测或高分辨率采集模式:

  • 查看低占空比的的波形事件,但具有高频率成分。

滚动模式采集模式:

  • 手动调整低频率波形时使用。
  • 在低频率波形中发现干扰。
  • 监控电源电压上电周期。

示波器的基本控制

当今市场上的许多示波器都具有各自控制方法,包括使用前面板、触摸屏或软键。在大部分示波器上所发现的基本控制包括:

水平控制:示波器的水平控制通常聚集在标有水平的前面板区间。这些控制可让您对显示器的水平尺度做出调整。在x轴上会有一个指定时间/格的控制。此外,减少每格的时间可让您把窄小的时间范围放大。还将会有一个对水平延迟(位移)的控制。此控制可让您扫描一段时间范围。

垂直控制:示波器上的垂直控制通常聚集在标有垂直的前面板区间。这些控制可让您对显示器的垂直方位做出调整。例如,在显示网格的y轴上会有一个指定V/格的控制。您可通过减少每格的电压幅度放大某一波形,或可通过增加每格的电压幅度缩小某一波形。还有一个对波形垂直偏移的控制。这个控制在显示器上仅将整个波形变为上或下的移动。

触发控制:在信号上触发有助于提供一个稳定、可靠的显示让您对感兴趣查看的波形部分同步示波器的采集。触发控制让您选择垂直触发电平(例如,您想让触发器触发时的电压)并在各种触发功能之间做出选择。

下面是Keysight InfiniiVision 2000X系列示波器前面板上垂直和水平控制部分的范例。

basic-controls1

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基本测量

一旦您已采集到信号并将其显示在示波器上,下一步通常是在波形上进行测量。示波器现在具备极其丰富内置测量功能,使您能迅速分析波形。这些基本测量的范例包括:

上升时间:上升时间是上限阈值上的时间减去您正在测量的边缘的下阈值上的时间。下降时间相似,即下阈值上的时间减去您正在测量的边缘的上限阈值上的时间。
basic-measurements-rise

脉宽:脉宽是从第一个上升沿的中间阈值到下一个下降沿的中间阈值的时间。
basic-measurements-pulse

幅度和其它电压测量:这是波形显示幅度的测量。通常您也可测量峰峰值电压、最大电压、最低电压以及平均电压。
basic-measurements-amplitude

周期 / 频率:周期定义为中间阈值两次连续交叉点电压之间的时间。频率定义为 1/周期。
basic-measurements-frequency

示波器上还有许多其它测量,这里仅是提供给您一些基本的测量概念。

数学函数

您可对波形进行多种数学运算。包括以下一些范例:

  • FFT:查看组成信号的频谱。
  • 绝对值:显示波形的绝对值(就电压而言)。
  • 积分:计算波形的积分。
  • 加法或减法:加上或减去多种波形并显示所产生的波形。

再次重申,这是示波器上具备的可能的测量和数学函数的小子集。

请在下列预先录制的网络直播中了解更多运用数学函数和示波器的其它高级性能

触发

在信号上触发有助于提供一个稳定、可靠的显示并让您对感兴趣的波形部分同步示波器的采集。

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基本触发

触发可让您在示波器上做两件事情:

  • 找到波形事件
  • 获得稳定显示

一旦您设定好触发条件,示波器就会监控采集并发现这些条件何时能得到满足。当这些条件得到满足时,示波器就会显示触发事件并开始查找下一个触发事件(除非是在单采集模式中,这种情况下会停止)。这可让您设定触发条件以查找波形的特定部分。

有几种不同形式的触发,但最常用的一种是边沿触发。边沿触发通过查找您所选择的信号来源的边沿(升或降)以及信号来源的电压幅度(触发电平)来确定触发条件。任何输入通道、辅助输入触发或线路输入都可以用作触发源。

下列图表显示触发器电路图。
basic-triggering

波形进入正极输入端至触发比较器,其在此与另一输入端的触发电平电压做比较。触发比较器有一个上升边沿和下降边沿输出。当波形的上升边沿穿过触发电平,上升边沿比较器的输出就是高电平,而下降边缘的输出则为低电平。当波形的下降边沿穿过触发电平,上升边沿的输出就是低电平,而下降边缘的输出则是高电平。示波器使用您选择的输出为触发输出。

画图触发也非常有用,在一些示波器上也得到证实。此触发器可让您在示波器的显示器上画图并设定某些触发条件,如“必须相交”、“不能相交”等。这样当您通常要设定高级触发条件时就比较容易触发复合信号。

在这些应用指南中了解示波器简化隔离异常信号能力

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-1107EN.pdf

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-4436EN.pdf?id=2462850

亲身体验在线画图触发 亲身体验在线画图触发

高级触发

基本的边缘触发有时不足以能隔离/采集信号。在这种情况下,示波器具有高级触发供您使用。高级触发的一些范例包括:

脉宽触发

示波器通过在波形中查找一个比其它脉冲宽或窄的脉冲来确定脉宽触发。由您具体指定示波器用于确定脉宽触发的脉宽和脉冲极性(正脉冲或负脉冲)。对于正脉冲来说,当脉冲的下降边沿穿过触发电平时,示波器即触发。对于负脉冲来说,当脉冲的上升边沿穿过触发电平时,示波器即触发。

矮脉冲触发

使用矮脉冲触发来发现比其它脉冲具有更小幅度的正或负脉冲。低或高的阈值由此触发器确定,然后,示波器即查找下降于这两个阈值之间的脉冲并在找到某一脉冲时触发。

设置和控制触发

设置和控制触发查找设置并防止违规。

边沿再边沿触发

边沿再边沿触发是在边沿或某延迟周期后的第N次边沿出现后即触发。

码型触发

码型触发通过查找某一特定码型确定触发条件。码型是通道的必然组合。每一个通道可具有值1(高)、0(低)或X(无关紧要)。当波形的电压幅度大于其触发电平时,值被视为高,而当电压幅度小于其触发电平时则为低。如果通道被设定为无关紧要,那就不作为码型标准的一部分。

视频触发

视频触发可用于采集最标准的模拟视频信号的复杂波形。触发电路检测波形的垂直和水平间隔,并且根据您已在视频触发器上选择的设置生成触发。

除了在示波器上发现的标准和高级触发模式以外,还有特殊的触发协助特定总线的解码。例如,常用的触发和解码包括:

  • CAN/LIN/SENT
  • I2C / SPI
  • I2S
  • MIL-STD-1553 / ARINC 429
  • USB 2.0
  • UART / RS232
  • 及更多……

作为在许多示波器上发现此功能的范例,了解如何用CAN-dbc 符号触发和解码功能更快地调试汽车串形总线设计

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-2847EN.pdf?id=2369311

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-0512EN.pdf?id=2190814

此处还有显示此功能的一些视频

探头

探测用于将示波器连接到被测设备(简称DUT)。需要考虑多种因素,探头类型、探头负载效应和带宽可对您显示和分析信号的完整性产生影响。

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探头概述

就信号的完整性而言,用于将示波器连接到您的被测设备(简称DUT)的探头极为关键。

如果您的示波器是1-GHz,但只有一个支持500 MHz带宽的探头,您就没有完全使用示波器的带宽。

查看示波器探头的8项提示 (http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5989- 7894EN.pdf)

参阅示波器探头及附件选择指南了解如何选择正确的探头

了解您在采集高速信号时应该考虑的一些关于探头的更高技术层面的问题

观看在探头演示视频中的提示

无源探头

无源探头是最通用的示波器探头。无源探头仅含无源组件,在其运行中不需要电源供电,对探测小于600 MHz带宽的信号很有用。无源探头通常产生相对较高的容性负载和较低的阻性负载。

无源探头可分成两个主要类型:高阻探头和低阻电阻分压探头。具有10:1衰减比的高阻输入无源探头是当今最常用的探头。

与有源探头相比,无源探头更粗糙些,而且比较便宜。无源探头提供宽动态范围(标准的10:1 探头 >300 V)和高阻抗以与探头的输入阻抗相匹配。然而,高阻输入探头产生更严重的容性负载效应,比有源探头或低阻抗(z0) 电阻分压无源探头的带宽要低。

了解更多关于为了您的测试任务选择最佳无源或有源探头的信息

有源探头

有源探头需要对探头自身内部有电源设备的探头提供电源。有源探头含有一个小的有源放大器,该放大器嵌入到探头主体内靠近探头的地方。此配置使其有可能让探头保持很低的输入电容,通常不到 2 pF。此低电容在高频产生高阻抗。它具有最佳的阻性和容性效应组合。因具有如此低的负载效应,有源探头可用于负载效应明显的无源探头的高阻电路上。有源探头是所有探头中对信号完整性影响最小的。

如果您的示波器具有500 MHz以上的带宽,您有可能在使用有源探头 — 或者就应该是。尽管其价格高昂,有源探头是您需要高带宽性能时的首选工具。有源探头通常比无源探头的价格要高,而且输入电压有限,但由于其较低的容性负载效应,所以可让您对快速信号有更准确的分析。

了解更多关于为了您的测试任务选择最佳无源或有源探头的信息

单端/差分探头

“差分”探头是一种有源探头,有两个输入端,一个正极,一个负极以及一个单独的地线;它驱动一个单端50-Ω 电缆将其输出传输到示波器通道。输出信号与出现在两个输入端电压之间的差值成比例。差分探头互为参考,而不是对地电压,并且观测存在大的直流偏移时的小信号,或其它常用模式的信号,如电源传输线噪声。

您通常会选择单端有源探头测量单端信号(跟地线有关的电压)以及差分有源探头测量差分信号(正电压对负电压)。但是,要记住一件事,差分探头中信号连接之间的有效接地要比单端探头中大部分的接地层更为理想。此接地有效地将探头地线以非常低的阻抗连接到被测设备(简称DUT)。所以,差分探头要比单端探头对单端信号做出更好的测量。

了解更多关于使用单端或差分探头的信息

电流探头

电流探头检测通过导体流动的电流,然后将其转换成能在示波器上查看及测量的电压。有许多电流探头使用包括霍尔效应传感器的混合技术,这种技术可检测直流电流以及检测交流电流,也使用能够检测交流电流的电流变压器。运用分裂铁芯式结构,电流探头可较容易地夹在导体上及从导体上取下,使其没有必要把电连接到电路上。

进行电流测量的小提示

专用探头

除了标准探头以外,还有众多为特定应用而创造的探头。一些范例包括:

在温箱内探测

进行高敏感度、宽动态范围测量

应用

示波器是是一个广泛应用的有用工具,而且不同示波器的特性可用来帮助您对不同的应用进行更精确的测量。

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信号完整性

“信号完整性”术语在电子测试中经常出现。信号完整性是信号质量的主要度量标准,而且信号完整性的重要性随着带宽、查看小信号的需要或在大信号中查看细微变化的需要而增加。示波器的信号完整性为何重要?信号完整性对示波器的所有测量具有影响。信号完整性对信号的形状和测量值所造成的影响程度也许会让您吃惊。示波器本身会受到失真、噪声和损耗等信号完整性的挑战。具有卓越信号完整性属性的示波器可提供更佳的信号显示,而具有较差信号完整性属性的示波器则提供较差的信号显示。此差别会影响工程师分析和调试电路设计的能力。来自较差信号完整性示波器的结果可增加研发周期、生产质量以及组件选择方面的风险。为将此风险减少到最低限度,评估和选择具有高信号完整性的示波器是一个很好的办法。

查看如何评估示波器的信号完整性

从是德科技了解关于信号完整性的解决方案

电源完整性

电源完整性(简称PI)是电子行业的一个广泛的术语,用于分析(从源端到负载端电源转换的有效性。

通过电源分布网络(简称PDN)传输的电源包括无源器件、从源端到负载端(封装至半导体)的互联构成,封装至半导体。这通常包括从DC至GHZ的测量。

了解您进行最佳电源完整性测量的关键提示

关于进行最佳电源完整性测量的工具和技术的更多详情,如纹波、噪声、 波峰、压缩、静态/动态负载反应以及供电引起的噪声和抖动,

请查看网络直播

了解如何更精确地测试电源轨,包括查看和定性较小干扰,请观看网络直播

频域/频谱分析

当今很多数字示波器都包括针对频域分析的“快速傅立叶变换”(简称FFT)。此特性对那些有限使用或没有频谱分析仪但偶尔需要进行频域特性分析的示波器用户特别有用。完整的示波器FFT具成本效益、节省空间,是专用频谱分析仪的一个替代方法。

示波器“快速傅立叶转换”(简称FFT)函数和各种其它数学函数的目的在于验证数字和射频设计。例如,示波器FFT函数可快速突出显示耦合到电源电压轨中的噪声信号频率成分。这有助于确定此噪声信号的来源。这很重要,因为此类信号可变成其它设计部分的噪声、减小信号裕量,有可能只有在问题得到解决后,原型设计才可以继续前行。FFT 频谱视图在观察射频信号时也可有助于核实是否出现适当的脉冲特性和调制。时间选通FFT可更进一步地评估信号的频谱成分, 如射频脉冲在某些情况下会出现什么频率。频率测量部分的数学函数如“测量趋势”可快速验证调制是否正确,如在RF脉冲序列中的线性调制Chirp信号。

了解更多关于FFT和脉冲射频测量的信息

了解如何使用时间选通FFT进行混合域分析

混合信号分析

标准数字示波器的输入信号为模拟信号,由数字-模拟转换器将其数字化。但是,随着数字电子技术的扩展,同时监测模拟和数字信号就越来越有必要。因此,示波器厂商开始生产能触发和显示模拟和数字信号的混合信号示波器。通常有少量的模拟通道(2个或4个)及更多数量的数字通道。混合信号示波器具备能够在相关联的同一时间基础上组合触发模拟和数字信号并将其全部显示的优势。

了解更多关于混合信号分析的信息

抖动测量

抖动是一个波形相对于理想状态在频率或相位相关的的杂散变化。抖动出现在触发点之前或之后的波形边沿,现象为较宽的模糊边沿。换句话说,如果您要绘制一个眼图,抖动是在交叉点时间区域内时间变化幅度的测量(请参看下面的截图)。

抖动有多种起因;下面是一些可能的起因:

  • 热噪声
  • ISI(码间干扰)
  • 串扰
  • 示波器内的垂直噪声
  • 电磁干扰辐射

随着当今最先进的高速数字化设计的数据率继续提高,时序裕量也就随之减少。在接收端采集数据时要确保串行数据信号的有效性和稳定性,常常需要了解不同的抖动是如何减小有效的时间窗口。硬件设计工程师目前使用的采集和查看波形抖动的主要测量工具是示波器。当今许多更高性能的示波器还提供可选的抖动分析测量特性,这不仅能用于在不同的显示模式中查看抖动,而且还可以进行抖动分解。

了解更多关于使用示波器进行抖动测量的信息

了解更多关于示波器抖动参数的信息

串行总线

示波器是进行测试、解码和分析串行总线的极好工具。大多数示波器提供范围广泛的串行总线套装,通常包括在总线上触发以及将其解码的能力。如:CAN、LIN、I2C、SPI及更多。

了解更多关于进行汽车串行总线测试的信息:

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-4038EN.pdf?id=2449467

http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5991-2847EN.pdf?id=2369311

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