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应对测量挑战的示波器演进 示波器技术指标

时间:2020-07-30    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
示波器有时被称为"电子工程师的改锥",说明它是用于各种不同任务的基本工具。过去您可以用一把一字头改锥拧各种螺丝。而在今天的世界中,十字头、内六方和花键改锥都很普通,一字头改锥不再能包打天下。

示波器也与工程师的改锥所面临的情况相同。"美好往日"的传统数字存储示波器(DSO)已难以,或不可能满足今天硬件开发工程师专门化的要求。今天的工程师一般要求示波器:

要能用更多通道观察用于控制系统的所有信号
用更高带宽跟上存储器和处理器技术进步
对串行数据的捕获需要跨整个时间范围的持续采样速度
用触发隔离关键信息
高分辨率显示清楚示出关键信号细节
可捕获罕有事件的高速显示系统
不同工作小组间共享信息的连通能力

本文集中讲述前三项需要──更多的通道,更高的带宽和持续采样(要了多了解示波器显示,请参看Agilent应用指南1552示波器显示质量对发现信号异常能力的影响,出版物号5989-2003和应用指南1551改进您捕获难解事件的能力:为什么示波器的波形更新率极为重要,出版物号5989-2002。)

变化的通道数要求

当电路由分
立元件组成时,传统示波器是非常有力的查错工具。我们在图1中看到一个由运算放大器和分立元件构成的滤波器。通过比较输入和输出信号,传统双通道示波器能完全表征该滤波器的工作。

随着数字技术应用的日益普及,对测量的要求也发生着变化。在电子设备转向数字体系结构的同时,设备的性能在提高,而价格却在降低。虽然仍能用简单的双通道示波器评估图2中的滤波器,但如果系统有问题,传统示波器将不能提供解决问题所必须的洞察能力。

8条数据线把输入送至数字信号处理器(DSP),并需要监视DSP的8条输出线,以确定DSP是否在接收正确信息;而双通道示波器没有应对这项任务的足够通道数。在这一简单例子中,我们看到传统示波器就像老式改锥一样,已经不敷使用了。图3表明混合信号示波器通过显示至DSP的8条数据线,以及输入和输出模拟信号,能为您提供对问题的额外洞察能力。

在这一例子中,输入信号(最上的黄色迹线)和输出信号(第二条紫色迹线)与驱动DSP的8条数据线在时间上是对准的。应注意数据相对位置如何指示输入信号的形状。

变化的带宽要求

PC技术的迅速发展对工程师开发非计算应用的嵌入式系统产生极为重要的影响。在各式各样的数字硬件设计中,工程师当前所采用的技术是复杂和昂贵的。这一趋势已产生对"工程师改锥"新的要求,而几年前尚无人提及这些要求。由于接纳PC技术进步,工程师需要能调试串行数据总线,因而需要增加示波器带宽。增加带宽的需要受到嵌入式处理器存储器系统增加速度的驱动。例如几年前仅能在最高性能计算机系统中看到的200MHzSDRAM存储器系统,现在已用到嵌入式系统中。

图4是EmbeddedSystemsProgramming和 EE Times在2004年度嵌入式市场调查中,所报告嵌入式系统使用存储器的情况。由图中的数据分布可看到与系统中所使用主处理器的情况极为吻合。工程师设计8bit和16bit处理器基系统时使用511k或更低的存储器。在设计32bit处理器基或FPGA基系统时使用32M或更高的存储器。

为查找这些大存储器故障,工程师需要有带宽高于500MHz的示波器。200MHz时钟将超出500MHz示波器的波形良好复现范围。按照老的经验法则,示波器带宽只有比所测信号的基频高4倍,才能保持波形的真实性。因此为精确测量200MHz时钟的当前SDRAM技术,工程师需要用800MHz带宽的示波器。

对持续采样速度的要求

这些更高系统所使用的串行数据通信技术也源于PC技术。之所以采用串行总线,是因为它们已在PC世界中得到验证,并导致价格的下降。图5表明超过70%的嵌入式系统开发者会考虑采用,或已经采用某种类型的串行总线,把它作为系统部件间的接口。

为观察这些串行总线设计中的关键信息流,工程师需要看到更宽的时间跨度。此外,用户还需要能隔离感兴趣的特定事件,这就要求有在串行数据流量中特定地址和数据上的触发能力。

传统浅存储器DSO可能具有捕获这些信号的带宽,但为观察整个数据包调整设置时,这些示波器不能保持其采样速度。图6是作为扫描速度函数的TektronixTDS3054B示波器和AgilentDSO6054A示波器的采样速度图。

随扫描速度增加而下降的采样速度直接影响示波器精确显示包含串行数据包信息的能力。必须以10us/div捕获10Base-TLAN总线信号,由于浅存储器示波器为欠采样,因此不能提供信号内容的详细信息。更高速度的PCI总线要求1us/div的扫描速度,所以如上所示的TDS3052示波器不能捕获该总线信号,即使它有更高基本采样速度的优点。

结论

与上一代工程师相比,今天的硬件开发工程师需要用更高的带宽跟上存储器和处理器技术的进步;用更多的通道观察用以控制系统的所有信号;以及为捕获串行数据而需要跨宽时间范围的持续采样速度。

Agilent新的6000系列示波器所提供的带宽能对FPGA基和32bit基系统中的高速信号进行精确观察。这些示波器的MSO版提供触发和观察嵌入式系统复杂工作的附加通道。由于有高达8Mpts的存储器深度,因此这些示波器能捕获和分析这类系统中的串行总线。

 

  示波器是一种用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器,由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外,还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。
  那么真的熟悉示波器吗?下面由西安安泰仪器维修中心网为大家分享有关示波器的专业常用术语:
  1、带宽
  指的是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7%时的频率值,即-3dB点(基于对数标度)。本规范指出示波器所能准确测量的频率范围。带宽决定示波器对信号的基本测量能力。
  随着信号频率的增加,示波器对信号准确显示能力将下降。如果没有足够的带宽,示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真,边缘将会消失,细节数具将被丢失。如果没有足够的带宽,得到的关于信号的所有特性、响铃和振鸣等都毫无意义。
  5倍准则
  5倍准则(示波器所需带宽=被测信号的频率成分Х5)使用5倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过±2%,一般已足够了。然而,随着信号频率的增加,这个经验准则已不再适用。带宽越高,再现的信号就越准确。
  2、上升时间
  在数字世界中,时间的测定至关重要。在测定数字信号时,如脉冲和阶跃波可能更需要对上升时间作性能上的考率。示波器必需要有足够长的上升时间,才能准确的捕获快速变换的信号细节。
  示波器上升时间
  示波器上升时间=被测信号的快上升时间+5上升时间描述示波器的有效频率范围,选择示波器上升时间的依据类似于带宽的选择依据。示波器的上升时间越快,对信号的快速变换的捕获也就越准确。
  3、采样速率
  采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内,采样输入信号的频率。表示为样点数每秒(S/S)。示波器的采样速率越快,所显示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息和事件丢失的概率就越小。如果需要观测较长时间范围内的慢变信号,则小采样率就变得较为重要。
  计算采样速率的方法取决于所测量的波形类型,以及示波器所采用的信号重构方式。为了准确的再现信号并避免混淆,奈奎斯特定理规定,信号的采样速率必需不小于其频率成分的两倍。
  然而,这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度,而且从定义上看,低频干扰是不连续的,所以采用两倍于频率成分的采样速率是不够的。实际上,信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。
  使用正弦差值法时
  在使用正弦差值法时,为了准确再显信号,示波器的采样速率至少需为信号频率成分的2.5倍。使用线性插值法时,示波器的采样速率应至少是信号频率成分的10倍。
  4、波形捕获速率
  是指示波器采集波形的速度。所有的示波器都会闪烁。也就是说,示波器每秒钟以特定的次数捕获信号,在这些测量点之间将不在进行测量。这就是波形捕获速率,表示为波形数每秒(wfms/s)。
  波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别,且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性,并能极大的增加示波器快速捕获瞬时的异常情况,如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。
  5、记录长度
  表示为构成一个完整波形记录的点数,决定了每个通道中所能捕获的数据量。由于示波器仅能存储有限数目的波形采样,波形的持续时间和示波器的采样速率成反比。
  6、触发能力
  示波器的触发功能在正确的信号位置点同步水平扫描,决定着信号特性是否清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单脉冲波形。
  7、有效比特
  是示波器准确再现正弦信号波形的能力的度量。这个度量将示波器的实际错误同理论上理想的数字化仪进行比较。由于实际的误差数包括噪声和失真,所以必需指定信号的频率和幅度。
  8、频率响应
  仅仅采用带宽是不足以保证示波器准确捕获高频信号的。示波器设定的目标是一个特定类型的频率响应:大平坦包络时延(MFED)。此类型的频率响应用小的过冲和阻尼振荡,提供极好的脉冲逼真度。
  由于数字示波器是由实际的放大器、衰减器、模数转换器(ADC)、连接器和继电器组成,MFED响应只是对目标值的一个逼近。不同厂家的产品的脉冲逼真度有着很大的不同。
  9、垂直灵敏度
  垂直灵敏度指示垂直放大器对弱信号的放大程度,通常用每刻度多少毫伏来表示。多用途示波器能检测出的小伏特数的典型值约为1mv每垂直显示屏刻度。
  10、扫描速度
  扫描速度表征轨迹扫过示波器显示屏的速度有多快,以便能够发现更细微的细节。示波器的扫描速度用时间(秒)/格表示。
  11、增益精度
  增益精度是表征垂直系统对信号的衰减或放大的准确程度,通常用多少百分比误差来表示。
  12、水平准确度
  水平或者时基准确度是指在水平系统中,显示信号的定时的准确度,通常用多少百分比误差来表示。
  13、垂直分辨率

  模数转换器的垂直分辨率,也就是数字示波器的垂直分辨率,是指示波器将输入电压转换为数字值的程度。垂直分辨率用比特数来度量。计算方法能提高有效的分辨率,例如高分辨率捕获模式。

   本文转载于西安安泰仪器维修中心网,欢迎留言探讨。


示波器的那些故障排除

    示波器可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线,还可以用测试各种不同的电量,如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

 

    示波器的那些故障排除

    示波器不能启动?

    首先检查电源线、插线板是否完好,检查电源开关是否全部打开(SDS1000CFL系列有一个电源开关和一个电源保护开关)。

    采集信号时,屏幕未出现信号波形?

    1、检查探头是否正常接在信号连接线上。

    2、检查信号连接线是否正常接在BNC(即通道连接器)上。

    3、检查探头是否与待测物正常连接。

    4、检查待测物是否有信号产生(可将有信号产生的通道与有问题的通道接在一起来确定问题所在)。

    5、再重新采集信号一次。

    6、查看示波器的触发方式与触发模式是否已经正确设置。

    有波形显示,但是不能稳定下来

    1、检查触发面板的信源通道是否与实际使用的信号通道相符。

    2、手动调节LEVEL触发旋钮,观察波形是否稳定。

    3、使用AUTO自动调节波形,观察波形是否稳定。

    4、调节时基,排除假波干扰。

    示波器测量幅值不准

    1、检查信源幅值的单位,示波器自动测量的幅值为Vpp,即最高值与最低值之差。用户通常容易与Vrms混淆,即有效值。例如我们常说的市电为220Vrms,但其Vpp超过了600V。

    2、示波器不是精确测量工具,在纵轴上按使用芯片的位数会存在一定的量化误差。

    用观察高频信号失真较大

    1、测量信号越接近示波器带宽上限,失真越大,通常来说用带宽≥信号带宽五倍的示波器去测量可以得到失真很小的信号。

    2、示波器探头选择不当会导致看到的波形失真,首先探头带宽要大于信号带宽,≥信号带宽的5倍;

    其次,探头如果分为两个档位的话,两个档位的带宽不相同,1X档位带宽通常是6MHz-10MHz,10X档位是探头规格写的最大带宽。

    测量小信号波形受干扰太大

    1、SDS1000系列最小可以测到毫伏级别信号,并在最低的2mV/div档位自动开启带宽限制功能,有效滤除高频杂波。

    2、将夹子接到信号的参考地上,这样可以有效的减少因为示波器与测量信号因为参考地电位差异导致的波形显示失真。

    3、SDS1000系列最小可以测到毫伏级别信号,并在最低的2mV/div档位自动开启带宽限制功能,有效滤除高频杂波。

    4、将夹子接到信号的参考地上,这样可以有效的减少因为示波器与测量信号因为参考地电位差异导致的波形显示失真。

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