浅谈示波器的十个问题和十个答案

 

　　数字示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。 目前高端数字示波器主要依靠美国技术，对于300MHz带宽之内的示波器，目前国内品牌的示波器在性能上已经可以和国外品牌抗衡，且具有明显的性价比优势。随着电子技术的发展，数字示波器凭借数字技术和软件大大扩展了工作能力，早期产品的取样率低、存在较大死区时间、屏幕刷新率低等不足得到较大改善，以前难以观察的调制信号、通讯眼图、视频信号等复合信号越来越容易观察。数字示波器可以对数据进行运算和分析，特别适合于捕获复杂动态信号中产生的全部细节和异常现象，因而在科学研究、工业生产中得到了广泛的应用。为了让示波器工作在合格的状态，对示波器定期、快速、全面的检定，保证其量值溯源，是摆在测试工程师面前的一项紧迫任务。

　　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。

　　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。

　　PLL（Phase Locked Loop）： 为锁相回路或锁相环，用来统一整合时脉讯号，使内存能正确的存取资料。PLL用于振荡器中的反馈技术。 许多电子设备要正常工作，通常需要外部的输入信号与内部的振荡信号同步，利 用锁相环路就可以实现这个目的。锁相环在工作的过程中，当输出信号的频率与输入信号的频率相等时，输出电压与输入电压保持固定的相位差值，即输出电压与输入电压的相位被锁住，这就是锁相环名称的由来。锁相环通常由鉴相器（PD,Phase Detector）、环路滤波器（LF,Loop Filter）和压控振荡器（VCO,Voltage Controlled Oscillator）三部分组成。

　　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。

　　电源纹波是指在电源中，存在大量可以很轻松地与探针耦合的高速、大信号电压和电流波形，其中包括耦合自电源变压器的磁场，耦合自开关节点的电场，以及由变压器互绕电容产生的共模电流。

　　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，观察都不是很好。模拟示波器的垂直未必比数字示波器更高，如某500MHz带宽的模拟示波器垂直是±3%,这并不比数字示波器（通常为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。

　　2）对于示波器的幅值测量，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，实际的幅值测量也不如采样率低时候的（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，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。