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數字示波器原理及優缺點

更新時間:2013-05-16        閱讀量:3121
 
數字示波器是數據采集,A/D轉換,軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。數字示波器一般支持多級菜單,能提供給用戶多種選擇,多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲,實現對波形的保存和處理。目前數字示波器主要依靠美國技術,對于300MHz帶寬之內的示波器,目前國內品牌的示波器在性能上已經可以和國外品牌抗衡,且具有明顯的性價比優勢。
 
  數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等*優點,其使用日益普及。由于數字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異,如果使用不當,會產生較大的測量誤差,從而影響測試任務。
 
區分模擬帶寬和數字實時帶寬
帶寬是示波器zui重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值,而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的zui高帶寬為示波器的數字實時帶寬,數字實時帶寬與zui高數字化頻率和波形重建技術因子K相關(數字實時帶寬=zui高數字化速率/K),一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出,模擬帶寬只適合重復周期信號的測量,而數字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆,實際上指的是模擬帶寬,數字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz,實際上是指其模擬帶寬為500MHz,而zui高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時,一定要參考數字示波器的數字實時帶寬,否則會給測量帶來意想不到的誤差。
 
有關采樣速率
  采樣速率也稱為數字化速率,是指單位時間內,對模擬輸入信號的采樣次數,常以MS/s表示。采樣速率是數字示波器的一項重要指標?!?/span>
 
1.如果采樣速率不夠,容易出現混迭現象  
如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號,示波器顯示的信號頻率卻是50KHz,這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢,產生了混迭現象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率,或者即使示波器上的觸發指示燈已經亮了,而顯示的波形仍不穩定?;斓漠a生如圖1所示。那么,對于一個未知頻率的波形,如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔,看波形的頻率參數是否急劇改變,如果是,說明波形混迭已經發生;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來,也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理,采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發生混迭,如一個500MHz的信號,至少需要1GS/s的采樣速率。
有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生:   
·調整掃速;   
·采用自動設置(Autoset);   
·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式,因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值,而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找zui大zui小值,這兩種方法都能檢測到較快的信號變化?! ?/div>
·如果示波器有Insta Vu采集方式,可以選用,因為這種方式采集波形速度快,用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。  
 
2.采樣速率與t/div的關系   
每臺數字示波器的zui大采樣速率是一個定值。但是,在任意一個掃描時間t/div,采樣速率fs由下式給出:  
 fs=N/(t/div)  N為每格采樣點   
當采樣點數N為一定值時,fs與t/div成反比,掃速越大,采樣速率越低。
使用數字示波器時,為了避免混迭,掃速檔置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,掃速檔則置于主掃速較慢的位置。
 
數字示波器的上升時間
 在模擬示波器中,上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中,上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數字示波器測量方法的原因,以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關。雖然波形的上升時間是一個定值,而用數字示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關,而數字示波器的上升時間不僅與掃速有關,還與采樣點的位置有關,使用數字示波器時,我們不能象用模擬示波器那樣,根據測出的時間來反推出信號的上升時間。
 
數字示波器優缺點
優點
1.體積小、重量輕,便于攜帶,液晶顯示器  
2.可以長期貯存波形,并可以對存儲的波形進行放大等多種操作和分析  
3.特別適合測量單次和低頻信號,測量低頻信號時沒有模擬示波器的閃爍現象  
4.更多的觸發方式,除了模擬示波器不具備的預觸發,還有邏輯觸發、脈沖寬度觸發等  
5.可以通過GPIB、RS232、USB接口同計算機、打印機、繪圖儀連接,可以打印、存檔、分析文件  
6.有強大的波形處理能力,能自動測量頻率、上升時間、脈沖寬度等很多參數
 
缺點
  1.失真比較大,由于數字示波器是通過對波形采樣來顯示,采樣點數越少失真越大,通常在水平方向有512個采樣點,受到zui大采樣速率的限制,在zui快掃描速度及其附近采樣點更少,因此高速時失真更大。   
2.測量復雜信號能力差,由于數字示波器的采樣點數有限以及沒有亮度的變化,使得很多波形細節信息無法顯示出來,雖然有些可能具有兩個或多個亮度層次,但這只是相對意義上的區別,再加上示波器有限的顯示分辨率,使它仍然不能重現模擬顯示的效果?! ?/div>
3.可能出現假象和混淆波形,當采樣時鐘頻率低于信號頻率時,顯示出的波形可能不是實際的頻率和幅值。數字示波器的帶寬與取樣率密切相關,取樣率不高時需借助內插計算,容易出現混淆波形。

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