【摘要】本文闡述了使用數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)波形進(jìn)行分析測(cè)量時(shí)，為使信號(hào)波形真實(shí)地重現(xiàn)并進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量，數(shù)字示波器的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)選用的原則及技術(shù)指標(biāo)參數(shù)之間相互匹配的重要性。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字示波器 帶寬 采樣速率 上升時(shí)間 波形影響

【中圖分類號(hào)】G64 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2015）04-0201-02

一、引言

隨著數(shù)字處理和微處理器新技術(shù)的應(yīng)用，示波器的發(fā)展也極為迅速，數(shù)字存儲(chǔ)示波器逐漸替代了傳統(tǒng)的模擬示波器。這兩種示波器的組成結(jié)構(gòu)和示波原理是完全不同的。由于數(shù)字和模擬示波器的差異，使得它們具有各自的特點(diǎn)。

模擬示波器特點(diǎn)是：波形顯示快速實(shí)時(shí)、連續(xù)真實(shí)；能控制波形的亮度和聚焦，使圖像清晰呈現(xiàn)。不足之處是：不能對(duì)波形進(jìn)行存儲(chǔ)和參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量；難以觀察頻率很低信號(hào)、非重復(fù)性信號(hào)和瞬時(shí)信號(hào)。

數(shù)字示波器特點(diǎn)是：觀測(cè)和分析各種重復(fù)信號(hào)，捕獲各種非重復(fù)信號(hào)，包括單次觸發(fā)信號(hào)；具有強(qiáng)大波形和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算功能；能對(duì)信號(hào)波形參數(shù)進(jìn)行高精度測(cè)量；能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，屏幕上直接顯示出計(jì)算結(jié)果；波形和數(shù)據(jù)還可直接導(dǎo)出到計(jì)算機(jī)、打印機(jī)或外接存儲(chǔ)器中。

數(shù)字示波器雖然具有許多突出的優(yōu)點(diǎn)，其自身工作原理也決定了它存在著不足之處。如信號(hào)輸入與實(shí)際波形顯示之間有時(shí)間延遲，難以做到對(duì)輸入信號(hào)的實(shí)時(shí)顯示；若采樣頻率設(shè)置不合理或采集數(shù)據(jù)不足，易導(dǎo)致顯示波形失真；顯示復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)波形混疊現(xiàn)象等[1]。

二、技術(shù)指標(biāo)參數(shù)設(shè)置對(duì)波形的影響

數(shù)字示波器的技術(shù)指標(biāo)是指垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)、信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)、存儲(chǔ)與接口和顯示系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。其中垂直和采樣系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)不僅對(duì)所觀測(cè)的信號(hào)波形有非常大的影響，而且技術(shù)指標(biāo)參數(shù)值既相互影響又相互制約。

如果技術(shù)指標(biāo)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)對(duì)信號(hào)波形的影響主要有兩個(gè)方面：一是會(huì)使波形產(chǎn)生失真現(xiàn)象，失真指的是波形有幅度衰減、混疊和漏失的現(xiàn)象；二是會(huì)影響到波形參數(shù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。

我們所觀測(cè)電信號(hào)波形可大致歸為兩類，一類是呈周期性的重復(fù)信號(hào)，另一類是單次或隨機(jī)的瞬時(shí)信號(hào)；前者比較適宜利用模擬示波器進(jìn)行觀測(cè)，后者由于信號(hào)變化很快，需要使用數(shù)字存儲(chǔ)示波器來(lái)進(jìn)行觀測(cè)。

1.垂直系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)波形的影響

帶寬是示波器垂直系統(tǒng)中最主要的技術(shù)指標(biāo)之一。該指標(biāo)的大小決定了所觀測(cè)信號(hào)頻率值的上限，即是衡量測(cè)量信號(hào)的基本能力。當(dāng)所觀測(cè)信號(hào)的頻率上升時(shí)，示波器準(zhǔn)確顯示信號(hào)的能力隨即而降。數(shù)字示波器的帶寬有兩種類型：模擬帶寬、數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬。

模擬帶寬是指垂直偏轉(zhuǎn)通道的正弦輸入信號(hào)幅度隨著頻率升高而下降到其實(shí)際幅度的70. 7%時(shí)的頻率值，用對(duì)數(shù)坐標(biāo)表示是-3ab 點(diǎn)[2]。此時(shí)的頻率為示波器的上限頻率，也就是示波器帶寬。它表明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻響特性，即應(yīng)對(duì)高頻信號(hào)的能力。常用Bw來(lái)表示。

數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是指對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬，其帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)，即數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K，式中系數(shù)K值的大小取決于存儲(chǔ)波形的顯示技術(shù)[3]。若采用光點(diǎn)的方式顯示時(shí)K取值為25，用矢量方式顯示時(shí)K取值為10，用正弦內(nèi)插方式顯示時(shí)K取值為2.5。

測(cè)量信號(hào)波形時(shí)模擬帶寬對(duì)它產(chǎn)生的直接影響是：如果數(shù)字示波器模擬帶寬≦被測(cè)信號(hào)頻率，會(huì)導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)波形幅度大幅降低，從而測(cè)量精度隨之大幅下降。假定采用帶寬=100MHz示波器來(lái)測(cè)量幅值=1V，頻率=100MHz正弦波信號(hào)時(shí)，得到正弦波信號(hào)的幅值=0.707V，測(cè)量幅值誤差達(dá)到了30%。從分析中可以總結(jié)出，當(dāng)選擇示波器的帶寬>被測(cè)信號(hào)的最高頻率的3～5倍時(shí)，可大幅提高測(cè)量精度。信號(hào)幅值受帶寬的影響見圖1：

圖1

測(cè)量信號(hào)波形時(shí)實(shí)時(shí)帶寬對(duì)它產(chǎn)生的直接影響是：實(shí)時(shí)帶寬的定義表明，數(shù)字示波器在單次觸發(fā)脈沖作用下，對(duì)全部輸入信號(hào)波形在一次采集數(shù)據(jù)過(guò)程中進(jìn)行采樣，采集到能精確重建信號(hào)波形采樣點(diǎn)數(shù)的最高頻率。采樣率越高的示波器，能捕捉到信號(hào)帶寬就越寬。但采樣率值大小一定的示波器，其示波器實(shí)時(shí)帶寬大小受限于它。為完成信號(hào)重建工作，能捕捉到大部分頻率信號(hào)，只要采樣率=2.5？鄢帶寬即可。例如：用兩臺(tái)采樣率分別為1GS/s、100MS/s，模擬帶寬同為400MHz示波器來(lái)觀測(cè)捕獲一個(gè)單次信號(hào)，且信號(hào)頻率=50MHz，我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上這兩臺(tái)示波器實(shí)時(shí)帶寬分別為1/2.5（GS/s）=400MHz，100/2.5（GS/s）=40MHz，在實(shí)時(shí)狀態(tài)下，前者能對(duì)單次信號(hào)進(jìn)行捕獲，后者則不能。這足以說(shuō)明實(shí)時(shí)帶寬可直接影響到單次信號(hào)波形的捕獲和測(cè)量。

上升時(shí)間也是示波器垂直系統(tǒng)中主要技術(shù)指標(biāo)之一。上升時(shí)間是指波形幅度從10%上升到90%所需的時(shí)間，它反映了數(shù)字示波器垂直系統(tǒng)的瞬態(tài)特性[4]。數(shù)字示波器的上升時(shí)間時(shí)間快慢直接影響示波器對(duì)快速變換信號(hào)細(xì)節(jié)的捕獲。上升時(shí)間越快，對(duì)捕獲快速變換信號(hào)能力越準(zhǔn)確。常用t？子來(lái)表示。

數(shù)字示波器的帶寬與信號(hào)波形的頻率和幅度相關(guān)，而上升時(shí)間與信號(hào)波形的細(xì)節(jié)相關(guān)，那么帶寬與上升時(shí)間它們之間的關(guān)系為：

t？子=kBw………（1）

其中， t？子為上升時(shí)間， Bw為帶寬， k為常數(shù)，取值范圍介于0.35～ 0.45 之間。根據(jù)帶寬的選取原則，數(shù)字示波器的上升時(shí)間<（1/3～1/5）被測(cè)信號(hào)，所能觀測(cè)到的信號(hào)波形失真率較小。

從以上分析得出如下結(jié)論：

1）模擬帶寬主要針對(duì)的是測(cè)量周期性重復(fù)信號(hào)，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬既針對(duì)測(cè)量的是周期性重復(fù)信號(hào)又針對(duì)測(cè)量的是單次信號(hào)、隨機(jī)信號(hào)。

2）示波器帶寬參數(shù)設(shè)置的原則是根據(jù)所觀測(cè)的信號(hào)波形的特性來(lái)決定，即波形的種類和頻率的大小。示波器的帶寬應(yīng)高于被測(cè)信號(hào)的最高頻率3～5倍或3～10倍。

3）帶寬參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)波形顯示的影響是：示波器帶寬的不足，被顯示信號(hào)波形的幅度會(huì)衰減、邊緣被抹去、細(xì)節(jié)會(huì)丟失、高頻成份的變化不能分辨?？傊?，所有一切失去了意義。

4）帶寬參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)波形幅值測(cè)量結(jié)果的影響是：當(dāng)帶寬10倍于被測(cè)信號(hào)的最高頻率時(shí)，幅值測(cè)量誤差很小，幅值達(dá)到最佳值；當(dāng)帶寬3倍被測(cè)信號(hào)的最高頻率時(shí)，幅值測(cè)量誤差將小于3%；如果當(dāng)帶寬=被測(cè)信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量時(shí)，誤差將高達(dá)30%～40%。

2.采樣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置對(duì)信號(hào)波形的影響

數(shù)字示波器的采集系統(tǒng)由采樣/保持器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D組成。

采樣速率是數(shù)字示波器的另一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，它是衡量數(shù)字示波器采樣和A/D 轉(zhuǎn)換速率的。它反映了單位時(shí)間內(nèi)能夠采集樣點(diǎn)數(shù)的能力。用每秒采樣點(diǎn)來(lái)表示，即S/s。S 代表采樣點(diǎn)數(shù)，s 代表時(shí)間秒。它的高低直接反映了數(shù)字示波器捕獲所觀測(cè)信號(hào)的能力的強(qiáng)弱。數(shù)字示波器采樣速率越高，捕獲信號(hào)的能力就越強(qiáng)，信號(hào)波形顯示的分辨率和清晰度就越高，信號(hào)中包含重要事件和關(guān)鍵信息丟失率就會(huì)越少，越能真實(shí)重現(xiàn)原始信號(hào)。

為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)并避免混淆，數(shù)字示波器的采樣率必須至少是被測(cè)信號(hào)最高頻率的兩倍，這就是奈奎斯特定理[5]。該定理假設(shè)的前提條件是波形記錄時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)和連續(xù)的信號(hào)。而實(shí)際情況是，此前提條件數(shù)字示波器的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)無(wú)法達(dá)到，因此只有最高頻率兩倍的采樣率是不夠的。為使被測(cè)的原始信號(hào)能準(zhǔn)確地還原，一般采樣速率取值為原始信號(hào)最高頻率的2.5～10倍。

采樣模式分為實(shí)時(shí)采樣和等效采樣兩種模式。這兩種模式與所觀測(cè)信號(hào)的特性有關(guān)。

實(shí)時(shí)采樣模式不僅適用于捕獲重復(fù)信號(hào)，而且它主要還是捕捉非重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)以及捕獲隱藏在重復(fù)信號(hào)中的毛刺和異常信號(hào)的一種有效方式。對(duì)于被觀測(cè)單次或瞬態(tài)信號(hào)，實(shí)時(shí)采樣方式是數(shù)字示波器只需通過(guò)一次觸發(fā)就可采集到信號(hào)所有信息，被觀測(cè)信號(hào)波形將重現(xiàn)。

等時(shí)采樣主要用于重復(fù)信號(hào)的信息采集。對(duì)于被觀測(cè)的重復(fù)信號(hào)，數(shù)字示波器在一個(gè)采樣周期內(nèi)只需經(jīng)過(guò)多次觸發(fā)多次采集，就可采集到被觀測(cè)信號(hào)的所有信息并進(jìn)行重組，被觀測(cè)信號(hào)波形被還原。

對(duì)一臺(tái)特定的數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)最大采樣速率是一個(gè)固定值。而采樣速率又受到掃描速率制約。通常，掃描速率t/div 與采樣速率fs的關(guān)系為：fs = N/（t/div），其中N 為每格的采樣點(diǎn)數(shù)目。如果采樣點(diǎn)數(shù)目N 固定，則采樣速率fs 和掃速t/div 為反比關(guān)系，即掃描速越快則采樣速率越小[6]。那么可以通過(guò)改變掃描速率檔位對(duì)所觀測(cè)的已知或未知頻率信號(hào)波形變化進(jìn)行檢測(cè)。

由掃描速率與采樣速率的關(guān)系可知，當(dāng)掃描速率檔位由慢變快時(shí)，即采樣速率是由快變慢，如果發(fā)現(xiàn)被觀測(cè)是未知頻率信號(hào)波形，在掃描速率某個(gè)較快檔該波形突然穩(wěn)定下來(lái)、該波形信號(hào)頻率值產(chǎn)生突變，這時(shí)即可判定此信號(hào)波形發(fā)生了混疊現(xiàn)象。如果發(fā)現(xiàn)被觀測(cè)是已知頻率信號(hào)波形，此時(shí)示波器上顯示信號(hào)頻率小于已知頻率，則說(shuō)明此信號(hào)波形也發(fā)生了混疊現(xiàn)象。采取調(diào)整掃描速率檔位大小、采用自動(dòng)設(shè)置檔等方法可防止發(fā)生波形混疊。

采樣率對(duì)被測(cè)信號(hào)波形的影響是：

1）如果采樣率不足，易產(chǎn)生波形失真現(xiàn)象，失真是指由于某些原因?qū)е率静ㄆ鞑蓸语@的波形與實(shí)際信號(hào)波形存在較大差異。見圖2。

圖2

2）如果采樣率不足，易產(chǎn)生波形混疊現(xiàn)象，混疊是指屏幕上顯示的波形信號(hào)頻率低于實(shí)際信號(hào)的頻率；或是觸發(fā)指示燈雖亮，但屏幕上顯示波形仍不穩(wěn)定。見圖3。

圖3

3）如果采樣率不足，易產(chǎn)生波形漏失現(xiàn)象，漏失是指屏幕上沒有反映全部實(shí)際信號(hào)的一種現(xiàn)象。見圖4。

圖4

3.帶寬、采樣速率與被觀測(cè)信號(hào)頻率三者之間的關(guān)系

帶寬和采樣速率這兩個(gè)主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)的大小共同決定了示波器是否能完整真實(shí)地重現(xiàn)被觀測(cè)信號(hào)波形。而對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，示波器帶寬、采樣速率、被觀測(cè)信號(hào)頻率三者之間滿足以下關(guān)系：

Bw=mf信號(hào)………（2）

f采樣=nBw=mnf信號(hào)………（3）

其中f采樣是采樣速率，Bw是示波器帶寬，m，n分別為倍數(shù)。m一般取值為3～5倍，n一般取值為4～5倍。

從（1）、（2）式中可以看出：帶寬和采樣率參數(shù)的設(shè)置都和被測(cè)信號(hào)頻率相關(guān)。

綜上所述：為了便于數(shù)字示波器對(duì)被測(cè)信號(hào)波形進(jìn)行分析研究，為了能夠真實(shí)還原并準(zhǔn)確測(cè)量被測(cè)信號(hào)波形，合理選配數(shù)字示波器的帶寬和采樣速率參數(shù)至關(guān)重要，且參數(shù)選配的原則是：

1）帶寬為被測(cè)信號(hào)最高頻率的3～5 倍。

2）采樣速率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的2.5～10 倍。

3）上升時(shí)間<被測(cè)信號(hào)的1/3～1/5。

4）幅頻特性曲線較為平坦。

即可滿足對(duì)一般信號(hào)波形的測(cè)試要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]李朝榮，徐平，唐芳等編著.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)（修訂版）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：133

[2][5]李秉睿，李小建，黃龍.數(shù)字示波器的基本參數(shù)和選型[J].云南電力技術(shù)，第39 卷，2011 年12 月：20-22

[3]康玲竹.數(shù)字示波器特性及應(yīng)用[J].船電技術(shù)，2009年第6期：59-60

[4]王悅欣，嚴(yán)峻，劉一蓉.測(cè)試中如何選擇數(shù)字示波器[J].現(xiàn)代電信科技，2010年6月第6期：30-32

[6]李杉，趙輝.數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)[J].科技傳播，2012.8（下）：172-173

[7]李劍，李國(guó)奎，陳媛媛.數(shù)字示波器使用中的常見問(wèn)題探討[J].江蘇現(xiàn)代計(jì)量，2009.6：38-41

作者簡(jiǎn)介：

鄭元（1961-），女，本科，湖北武漢人，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。