数字示波器使用必须注意的问题 数字示波器技术指标

前言

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

带宽是示波器较为重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

有关采样速率

采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。

1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象

如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：

·调整扫速；
·采用自动设置（Autoset）；
·试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。
·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。

2.采样速率与t/div的关系

每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：

　　　　　　fs=N/(t/div)　　　　　　　N为每格采样点

当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：

表1扫速与采样速率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25

综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档可以置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则可以置于主扫速较慢的位置。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中，上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数据：

表2扫速与上升时间
t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216

由上面这组数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。 数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一。随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界数字示波器市场进一步扩大，而作为在世界经济发展中扮演重要角色的中国，飞速发展的电子产业也催生了更庞大的数字示波器需求市场。

面对如此庞大的市场，世界以及中国本土示波器制造商一方面增强中国市场的进军力度，另一方面也紧贴市场的需求，最大程度的满足用户的实际使用需求。RIGOL（北京普源精电科技发展有限公司）总经理李维森指出：目前新的技术应用越来越多，测试要求也越来越高，谁能不断满足用户不断变化的测试需求，谁就能赢得市场。

不断满足行业应用新标准

一些业内主要厂商，例如微软，Intel，三星或者西门子等等，他们在实现各自的远景目标过程中都会借助很多的行业新标准。就拿PC来说，一个PC内所含的新标准不下二十种。作为测试平台的提供者，为PC行业的用户提供测试方案时，就必须考虑这二十多种新的行业标准并根据这些标准为PC行业的用户分别提供测试软件和解决方案。在今后的通信和娱乐消费电子行业，特别是电源设计领域，新的应用和标准不断涌现，电子设计工程师在技术开发的过程中每天都要面临着这些新技术所带来的挑战。示波器制造企业就需要针对这些新的标准推出自己的解决方案和工具，从而帮助用户基于这些新的技术开发出新的产品，而这些产品最终能够促进整个电子行业的发展。

在与国外测试测量巨头的博弈中，示波器领域，中国企业已取得非常大的突破。RIGOL公司作为中国仪器界崛起的生力军，继DS5000系列数字示波器创下销售佳绩，获得专业人士好评之后，于2006年初又投下一颗重磅炸弹，推出一款性能卓著的紧凑型数字存储示波器――DS1000系列。DS1000系列在性能上不仅全面超过国外同类产品，打破了在这个领域国外产品一统天下的局面，同时又在原DS5000系列产品上大胆创新，使DS1000系列成为为数不多体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥补了国内空白。

在很多生产领域，数字产品离不开模拟产品的配合，各种新型应用对模拟产品提出了新要求，同时也影响着模拟产品的发展方向。以目前市场热点3G手机为例，其实数字算法问题早已解决，但电源待机时间、声音效果、背光等还不能满足用户的需求，而这些都属于模拟技术的范畴。

此外，信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节，通常使用多芯电缆将模拟信号和数字信号独立多线传输。但在信号传输中，数字信号将对模拟信号产生干扰，目前采用的解决方法是可以设计这样一个系统：利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输。而这其中的测试和调试就要求示波器必须能构对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示。使用DS1000示波器可以同时采集16路输入DAC（数模转换器）的数字信号和两路输出的模拟信号。这一性能给数字模拟混合信号的开发、测量和调试带来了极大的方便。

李维森表示，RIGOL近几年中之所以能够快速增长，其中的一个重要原因就是利用强大的本土优势，能很好地应对来自客户和整个行业的一系列新标准，结果就是用户能够更快更好地完成他们的工作。

功能集成趋势明显

有关专家指出，在今后几年中，高速数据系统的设计和开发还将面临着一个非常重要的发展趋势，这就是不论是开发未来的手机、计算机系统还是高速通信系统，用户会越来倾向于同时使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题。今后市场的发展让示波器需要面对更多的应用，因此示波器的多功能集成对于测试供应商来说更为重要。所以企业在开发测试平台时不仅要提供多功能硬件平台，同时也通过提供合理的应用软件来丰富测试平台，能够去面对各种复杂的测试任务。

目前国内外示波器制造商都在向这个方向发展。RIGOL新近推出的DS1000系列数字示波器具有相当卓越的性能指标和众多强大的功能。DS1000系列是目前市场上唯一包含了逻辑分析模块的低端数字示波器，不仅如此它还具备丰富的触发功能和独一无二的可调触发灵敏度，用户可用一台示波器同时观测模拟和数字信号，并可以在各种复杂信号中稳定触发；显示器采用16位彩色TFT液晶显示系统，使波形显示更加清晰；DS1000 存储深度最大可达1M，正常模式也可达到512K。

除了以上创新功能外，DS1000还具有诸如模拟显示、数字滤波器、波形录制、波形亮度调节、USB HOST功能，并支持U盘和USB接口打印机，满足客户多方面的操作需求。使用户在测试过程中，真正达到一次多测量的功能需求。

专家强调，电子新技术的发展，使得工程师的测试工作越来越繁琐，也使得他们的任务越来越重，很明显这些工程师更趋向于能够一次可以实现多测试功能，节省工作时间，提高工作效率的数字示波器。

在多功能的应用中，触发功能显得非常重要，示波器触发决定了利用示波器能够捕获、观看和测量的信号。触发系统的技术指标体现了一个简单的问题：在频率范围顶部附近捕获信号时，对信号振幅的要求则是触发灵敏度与模拟采样带宽相匹配。

在工程师的日常工作中，经常要观察一些特殊信号的变化过程，但是之前所使用的示波器只具有上升或下降沿触发的功能，并且只针对单个信号。DS1000系列示波器的触发方式有一种就是上升&下降沿触发，解决了这个难题。斜率触发是根据信号的上升/下降时间的快慢来判断触发，相比边沿触发更加灵活和准确。而DS1000系列示波器的触发功能中，交替触发功能显示出了明显的优势。交替触发功能是模拟示波器的功能在数字示波器中的重现，这一功能保证了即使是两个非同步信号，也能够同时稳定的触发，大大提高了工作效率。

趋于美观、更具移动性

当一个行业以及产品发展到极度成熟的时候，实用性与艺术性都会同时体现出来。当代数字示波器除了追求强大的功能以外，外观精美、款式小巧，便于移动也成为发展的一个趋势。

具有强大功能的DS1000系列较为直观的特点就是它的超薄设计和精巧外观。多年来，示波器制造商一直遵循CRT领域的设计规则，示波器在体积方面要能够适应深CRT和相关电子器件。这导致其包装很大、通常也很笨重，很难移动或很难安放在工程师的工作台上。而DS1000系列紧凑的内部结构使得其厚度仅仅只有154mm，体积是同类产品的1/3左右。小巧的体积大大减少了桌面的占用面积，非常适合拥挤的工作台使用，而且便于携带。不仅如此，外观完美的圆弧曲线设计、精致的按钮大大增加了机器的美感和触感。

数字示波器的日常故障分析

1.常没有光点或波形
电源未接通。
辉度旋钮未调节好。
X，Y轴移位旋钮位置调偏。
Y轴平衡电位器调整不当，造成直流放大电路严重失衡。
2.水平方向展不开
触发源选择开关置于外档，且无外触发信号输入，则无锯齿波产生。
电平旋钮调节不当。
稳定度电位器没有调整在使扫描电路处于待触发的临界状态。
X轴选择误置于X外接位置，且外接插座上又无信号输入。
两踪示波器如果只使用A通道（B通道无输入信号），而内触发开关置于拉YB位置，则无锯齿波产生。
3.垂直方向无展示
输入耦合方式DC-接地-AC开关误置于接地位置。
输入端的高、低电位端与被测电路的高、低电位端接反。
输入信号较小，而V/div误置于低灵敏度档。
4.波形不稳定
稳定度电位器顺时针旋转过度，致使扫描电路处于自激扫描状态（未处于待触发的临界状态）。
触发耦合方式AC、AC（H）、DC开关未能按照不同触发信号频率正确选择相应档级。
选择高频触发状态时，触发源选择开关误置于外档（应置于内档。）
部分示波器扫描处于自动档（连续扫描）时，波形不稳定。
5.垂直线条密集或呈现一矩形
t/div开关选择不当，致使f扫描<<f信号。
水平线条密集或呈一条倾斜水平线
t/div关选择不当，致使f扫描>>f信号。
6.垂直方向的电压读数不准
未进行垂直方向的偏转灵敏度（v/div）校准。
进行v/div校准时，v/div微调旋钮未置于校正位置（即顺时针方向未旋足）。
进行测试时，v/div微调旋钮调离了校正位置（即调离了顺时针方向旋足的位置）。
使用l0 ：1衰减探头，计算电压时未乘以10倍。
被测信号频率超过示波器的*高使用频率，示波器读数比实际值偏小。
测得的是峰-峰值，正弦有效值需换算求得。
7.水平方向的读数不准
未进行水平方向的偏转灵敏度（t/div）校准。
进行t/div校准时，t/div微调旋钮未置于校准位置（即顺时针方向未旋足）。
进行测试时，t/div微调旋钮调离了校正位置（即调离了顺时针方向旋足的位置）。
扫速扩展开关置于拉（×10）位置时，测试未按t/div开关指示值提高灵敏度10倍计算。
8.交直流叠加信号的直流电压值分辨不清
Y轴输入耦合选择DC-接地-AC开关误置于AC档（应置于DC档）。
测试前未将DC-接地-AC开关置于接地档进行直流电平参考点校正。
Y轴平衡电位器未调整好。
9.测不出两个信号间的相位差
测不出两个信号间的相位差（波形显示法）
双踪示波器误把内触发（拉YB）开关置于按（常态）位置应把该开关置于拉YB位置。
双踪示波器没有正确选择显示方式开关的交替和断续档。
单线示波器触发选择开关误置于内档。
单线示波器触发选择开关虽置于外档，但两次外触发未采用同一信号。
10.调幅波形失常
t/div开关选择不当，扫描频率误按调幅波载波频率选择（应按音频调幅信号频率选择）。
11.波形调不到要求的起始时间和部位
稳定度电位器未调整在待触发的临界触发点上。
触发极性（+、-）与触发电平（+、-）配合不当。
触发方式开关误置于自动档（应置于常态档）。
12.触发或同步扫描
缓缓调节触发电平（或同步）旋钮，屏幕上显现稳定的波形，根据观察需要，适当调节电平旋钮，以显示相应起始位置的波形。
如果用双踪示波器观察波形，作单踪显示时，显示方式开关置于YA或YB。被测信号通过YA或YB输入端输入示波器。Y轴的触发源选择“内触发一拉YB”开关置于按（常态）位置。若示波器作两踪显示时，显示方式开关置于交替档（适用于观察频率不太低的信号），或断续档（适用于观察频率不太高的信号），此时Y轴的触发源选择“内触发-拉YB”开关置“拉YB”档。