经验总结:示波器核心参数的背后隐藏的“奥秘”

2016-08-13 10:16:47来源: eefocus
本文分享了电子工程师研究中所做的总结,他并不是完整的选型指南,但是细致入微的观察往往比空口无凭更具实际。本文分享了示波器参数的相关细节,希望对大家有所帮助。 
本章主要讨论一下示波器的核心参数:模拟带宽、采样率、AD分辨率。

一、模拟带宽

目前已经有太多的文章介绍模拟示波器的带宽,所以这里我不再花太多时间来介绍。简言之,带宽就是功率的一半或者-3dB幅度时的频率,如图1所示,功率一半也就是电压的1/ , 例如,用一个100MHz带宽的示波器采集一个10MHz,1V的正弦波,此时示波器采集到一个标准的正弦波。随着输入信号频率的增加到100MHz时,采集到的正弦波的振幅变为0.707V左右。

 图1 带宽是功率一半或者-3dB时的频率。如果输入一个固定振幅的波形,增加信号频率,-3dB的位置即是示波器的电压幅值为实际幅值的0.707倍。
不幸的是,实际应用中我们很可能需要测量的是方波(例如数字系统)而不是正弦波。因为采集方波需要远高于基本波形的频率。最常用的原则是选择一个带宽是待测数字系统最高信号频率5倍的示波器。例如,一个66MHz的时钟信号需要一个330MHz带宽的示波器。
我用Python 脚本编写一个模拟滤波器,先对方波进行滤波,然后绘制出滤波结果。图2 显示了分别用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号滤波的结果。

 图2 用一个50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 带宽对50 MHz方波信号采样的结果
二、采样率 
除了示波器的模拟带宽外,采样率也是非常重要的参数。采样率的单位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。一般情况下,各个示波器公布的采样率参数都是指单通道最高采样率。如果一台两通道的示波器,公布的采样率参数为1GS/s,两个通道同时使用时,每通道的最高采样率为500MS/s。

所以,你需要多高的采样率?对奈奎斯特定律熟悉的人,可能简单的认为采样率仅为待测信号带宽的2倍即可。但是当根据这个原则采集信号时,信号往往是失真的。当然,更高的带宽和采样率下,这个定律是非常适用的,例如,5倍的采样率。图3显示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此时,方波信号严重失真。然后,如果只将采样率提到到100MS/s,一下子还真无法认出是方波。与100MS/s的采样率相比,500MS/s采样率采集出来的信号更像是方波信号(但是由于示波器带宽的限制,方波还是被磨平了一些)

 图3 用100MS/s采样率采集25.3MHz的方波信号,严重失真。用500MS/s采集出来的信号看起来有点像方波信号的。

三、等时间采样(ETS)

一些示波器有一个等时间采样模式,一个快速采样模式。如PicoScope 6000系列采样率为5G/s, 其在ETS模式下,单通道采样率能够达到200GS/s,四个通道同时使用时,ETS采样率高达50GS/s。

值得一提的是ETS模式下高采样率是通过AD采样时钟精确的相位偏移实现的。该模式适用于稳定的周期信号。因为一段时间之后,波形将重建。简言之,就是一个周期采集一个数据点,下一个周期在采集一个采样点,两个采样点有固定的相位差。采集多个周期之后,会将这些点合成一个周期的波形。

四、ADC分辨率

还有一个常常需要考虑的核心参数:AD分辨率。即模拟波形如何映射到数字波形的。一个8位的ADC表示可以将模拟波形分为28=256等份。例如示波器的测量范围是±5 V ,峰峰值10V,表示示波器能够分辨的最小电压为10V/256=39.06mV.

这也告诉我们数字示波器一个事实:选择尽可能小的测量范围,以便于获得更准确的测量结果。测量范围±1V,8位分辨率分辨的最小电压7.813mV。但是往往待测信号掺杂其他信号,例如一个带负载的开关,刚打开的瞬间会有一个7V的尖峰,然后才回到正常的0.5V。如果你想要测量该尖峰,那么你就不能用最小的测量范围。

一个12位的分辨率的示波器,当测量范围为±5 V(峰峰值10V),将模拟信号分成212=4096等份,最小可分辨电压为2.551mV。如果分辨率为16位,10V峰峰值电压范围被分为216=65536份,最小分辨电压0.1526mV。一般情况下,我们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系列示波器是一个例外,因为它允许你动态的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率进行切换。不过分辨率的选择同时使用的通道数量和最高采样率。

一般的示波器都是8位的ADC分辨率,当然也有一些高分辨的示波器。但是这些高分辨率是固定的,无法改变。所以在购买示波器时,我们必须选择要买高分辨率的示波器还是高采样率的示波器(分辨率高,采样率相对就低一些)。有些聪明的示波器厂家说他们的示波器可以使用8-14位的分辨率,也可以选择不同的采样率。他们可以单卖采集板卡,让用户可以将原有的示波器升级到更高的分辨率。TiePie就是这样做的。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厂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)。

许多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或软件分辨率增强功能。这是通过滤波实现的一种软件增强技术。该技术可能对测量信号的带宽有一定的影响。千万要注意,一个实际12位,100MHz带宽的示波器跟通过8位分辨率,100MHz示波器软件增强技术实现12位分辨率是不一样的。

用示波器的FFT模式(通常称为频谱分析仪模式),我们可以看到高分辨ADC和增强的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上观看时域波形,那么我们可能不会注意14位分辨率的精确度或者其他。但是,如果需要测量谐波失真(THD),或者其需要精确测试频率的应用,高分辨是直观重要的。

 
图4 不同分辨率下的显示效果 

关键字:示波器  核心参数

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/article_2016081316662.html
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