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示波器知识百问七 示波器是如何工作的

时间:2020-08-05    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
35. 除高斯响应示波器和平坦响应示波器之外,还有基于其它响应的示波器吗? 

答:示波器前置放大器的频响特性是决定测试结果的最关键因素,它由模拟器件决定。关键在于用何种方法来获得足够的频响。 

36. 以前在用TDS744,TDS745等示波器时,使用的是无源探头(如P6139A,带宽500M)。在购买了有源探头(P6237)之后, 从测试波形来看(特别是测高频信号时),两者的测试结果差异较大. 从探头参数得知, 有源探头的输入电容<1pF,而无源探头则为10pF左右. 这样看来应该是有源探头的测试结果更能反映信号真实的情况. 既然无源探头对高频信号衰减很大, 那么500M的带宽有什么意义呢? 如何根据测试情况来选择使用有源或无源探头? 

答:您的P6139A探头加上泰克的500MHz示波器典型带宽值还是可以达到500MHz,但是正如您所说,其输入电容不同,这一电容将产生对于待测信号的负载效应,造成信号振铃,形状发生改变,因此这个时候使用有源探头时能反映信号的真实情况。实际上,使用探头不光要考虑带宽,所有这些因素我们在测量高频信号的时候都要考虑: 

带宽/上升时间 
动态范围 
负载效应 
接地效应 
共振效应 

尤其P6139A时您还要考虑地线的影响,探头上的接地线也会带来振铃,测量高频信号的时候应该尽量缩短地线的长度。 

另外,您使用的P6247是有源差分探头,共模的影响也可能是一个因素。 

选择无源探头主要是因为其动态范围大,比如P6139A可以测量从毫伏到几百伏的信号,而P6247只能测量+-8.5V的信号。另外有源探头价格也是一个因素。 

37. 实验时,示波器接地线后,导致MOsfet炸掉,现在将示波器都剪掉了地线。这是什么原因? 

答:为保证测试中的人身安全以及获得良好的测量效果,一般示波器的所有探头的地线都与机壳连接在一起,并连接到示波器电源线的地线。因此,您在电源中测量MOSFET管波形的时候,如果其中任何一个点都不是地,就会产生问题,如下图所示。 

剪断地线可以防止对MOSFET管测试中的短路问题,但是也会带来一些其它的测试问题,比如示波器机壳带电,示波器机壳分布参数对测量信号造成影响等。解决的办法是使用差分探头,比如泰克的P5205,可以测量所谓的2个测试点都不是地的差分信号。 

38. 用示波器抓取数据时,发现存储的文本里只有当前屏幕的数据,且是按照resolution为时间间隔的。如何利用软件实时处理数据(matlab?),如何抓到更多数据? 

答:泰克示波器采用压缩屏幕的显示风格,即屏幕显示的波形为采集下来的所有数据,配合TDS5000B的multiViewZoom功能,可以方便显示所有波形。 

泰克TDS5000B,TDS6000,TDS7000B,TDS8000B系列示波器都采用完全开放的WINDOWS平台,支持当前所有的流行工具,象Matlab,LabView,VB,VC,.NET,MicroSoft Office VBA等等,可以灵活进行数据分析和处理。 

这些分析工具还可以直接安装在示波器里面,构成一台集数据采集,分析,显示,处理的仪器。 单次采集更多的数据,需要示波器配备更深的存储深度,象TDS5000B系列通用示波器可以支持到16M内存。  谈及分辨率,人们最容易想到的是图像分辨率。买电视、显示器、数码相机、打印机的时候都会考虑这个指标,一般用水平和垂直方向的像素点个数或者DPI(每英寸点数)来表示。显然,高分辨率图像更能清楚展示细节。而对于数字示波器,工程师极少谈及它的分辨率,谈得更多的是带宽、采样率等指标。示波器也有分辨率,更准确地说是垂直分辨率,也就是模数转换器(ADC)的量化位数。一般各个厂家生产的实时示波器ADC位数都为8位,故而极少提及垂直分辨率。

实时示波器由于采样率高,ADC位数很难提高。在需要高分辨率测量的场合经常由低采样率的数据采集卡来实现。为满足高分辨率的测试需求,美国力科公司研发了新型的实时示波器WaveRunner HRO 6Zi,简称HRO(高分辨率示波器)。其ADC位数达12位,同时具备较高的采样率-2GS/s。存储深度(记录长度)可以达到每通道256M采样点。HRO示波器高分辨率、高采样率和长存储特性使其在多数测试场合中都能替代数据采集卡。当然,它也具备示波器所擅长的测量、分析和调试功能,其易用性更好。

ADC位数对垂直分辨率有多大影响?我们来看图1,这是用8位示波器和12位示波器分别对同一个信号采集后,对其中部分波形放大显示的结果。


图1:8位示波器和12位示波器捕获波形对比

从图中可以看出8位示波器采集的波形出现台阶状现象,这是因为信号的微小变化和ADC的量化误差相当,信号的微小变化淹没在了量化噪声中。可能很多工程师在使用示波器时并没有注意到这个现象。这好比两台尺寸相同、分辨率不一样的电视机,站在5米外观看可能看不出差别,靠近了观察就能发现低分辨率电视机的像素点更粗、马赛克现象更明显。那么把示波器捕获的信号放大、观察细节,也就有类似的效果。

垂直分辨率还和示波器本身的噪声和失真水平有关。打个比方,一台高分辨率的电视机,如果它内部电路的噪声很大,导致屏幕出现很多雪花点。即便是高清片源也会被这些雪花点给模糊了。同样道理,示波器ADC能够分辨的最小电压也可能淹没在示波器的噪声中。如何评估示波器的噪声水平呢?有的示波器厂家喜欢采用基底噪声:示波器不输入信号,测量基线的噪声大小。这种指标只能作为参考。因为没有人使用示波器时不输入信号。有无输入信号,示波器内部电路的工作状态可能差别很大。图2是某示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图,并分别对时域波形做FFT,观察频域。在没有信号输入时,频域噪底比较平坦;而输入正弦波后,除了信号基频和谐波分量以外,出现了不少杂散,而且噪底的形状也不再平坦。因此,基线噪声不是评估示波器噪声水平的合理指标。


图2:示波器没有输入信号和输入一个高信噪比5GHz正弦波的对比图

更科学的指标是信号与噪声失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SINAD),以及有效位数(ENOB)。SINAD的测量需要输入一定频率、一定幅度的高信噪比正弦波给示波器,计算信号功率和噪声失真功率之比。ENOB在数学上可以通过SINAD计算得到。SINAD、ENOB与输入信号频率、幅度的大小以及示波器的工作状态都有关。

力科HRO不仅ADC位数比其他实时示波器高,也有极低的噪声水平。其典型的信噪比为55dB,而8位示波器一般只有35~40dB。图3是将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器,转化到频域观察的图形。两者频域的垂直刻度和基准都一样。从图中可以看出,12位示波器的频域噪底比8位示波器低大约10dB。


图3:将一个多谐波信号分别输入到8位和12位示波器,转化到频域观察

我们来看一个实际的测试案例:需要对某开关电源产品中的功率MOS管进行分析。其中有一个测试项是MOS管导通损耗。分别用电压和电流探头测量漏源电压Vds与漏极电流Ids,在示波器上将两个波形相乘得到功率波形,导通期间的功率就是导通损耗。由于在导通期间,Vds与Ids的值都很小,和8位示波器的量化误差相当。可以将Vds波形导通时的波形放大观察,同样也会出现前文提到的台阶状现象(图4)。


图4:将Vds波形导通时的波形放大观察

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试,8位示波器测量的导通损耗是1.5W,HRO测量的导通损耗是688mW(图5)。


图5:8位示波器与HRO测量的导通损耗对比

使用低分辨率示波器的工程师,也许会花费很多精力物力去降低导通损耗,殊不知测量结果主要是量化误差。

而HRO的高分辨率特性使这种误差大大减小。通过对比测试,8bit示波器测量的导通损耗是1.5W,HRO测量的导通损耗是688mW :

使用低分辨率示波器的工程师,也许花费很多精力物力去降低导通损耗,殊不知测量结果主要是量化误差。

总结:

力科HRO示波器的高分辨率特性,使其特别适合测量和分析微小变化的信号,如高精度传感器和执行器;心电、脑电等微弱生理信号;电源噪声和纹波;无线中频信号等等。
示波器的工作原理是什么?

  示波器是利用电子示波管的特性,将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像,显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。它是观察数字电路实验现象、分析实验中的问题、测量实验结果必不可少的重要仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。  1、示波管  阴极射线管(CRT)简称示波管,是示波器的核心。它将电信号转换为光信号。如图所示,电子枪、偏转系统和荧光屏三部分密封在一个真空玻璃壳内,构成了一个完整的示波管。

  2、荧光屏  现在的示波管屏面通常是矩形平面,内表面沉积一层磷光材料构成荧光膜。在荧光膜上常又增加一层蒸发铝膜。高速电子穿过铝膜,撞击荧光粉而发光形成亮点。铝膜具有内反射作用,有利于提高亮点的辉度。铝膜还有散热等其他作用。  当电子停止轰击后,亮点不能立即消失而要保留一段时间。亮点辉度下降到原始值的10%所经过的时间叫做“余辉时间”。余辉时间短于10μs为极短余辉,10μs—1ms为短余辉,1ms—0.1s为中余辉,0.1s-1s为长余辉,大于1s为极长余辉。一般的示波器配备中余辉示波管,高频示波器选用短余辉,低频示波器选用长余辉。  由于所用磷光材料不同,荧光屏上能发出不同颜色的光。一般示波器多采用发绿光的示波管,以保护人的眼睛。  3、电子枪及聚焦  电子枪由灯丝(F)、阴极(K)、栅极(G1)、前加速极(G2)(或称第二栅极)、第一阳极(A1)和第二阳极(A2)组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。灯丝通电加热阴极,阴极受热发射电子。栅极是一个顶部有小孔的金属园筒,套在阴极外面。由于栅极电位比阴极低,对阴极发射的电子起控制作用,一般只有运动初速度大的少量电子,在阳极电压的作用下能穿过栅极小孔,奔向荧光屏。初速度小的电子仍返回阴极。如果栅极电位过低,则全部电子返回阴极,即管子截止。调节电路中的W1电位器,可以改变栅极电位,控制射向荧光屏的电子流密度,从而达到调节亮点的辉度。第一阳极、第二阳极和前加速极都是与阴极在同一条轴线上的三个金属圆筒。前加速极G2与A2相连,所加电位比A1高。G2的正电位对阴极电子奔向荧光屏起加速作用。  电子束从阴极奔向荧光屏的过程中,经过两次聚焦过程。第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的第一电子透镜。第二次聚焦发生在G2、A1、A2区域,调节第二阳极A2的电位,能使电子束正好会聚于荧光屏上的一点,这是第二次聚焦。A1上的电压叫做聚焦电压,A1又被叫做聚焦极。有时调节A1电压仍不能满足良好聚焦,需微调第二阳极A2的电压,A2又叫做辅助聚焦极。  4、偏转系统  偏转系统控制电子射线方向,使荧光屏上的光点随外加信号的变化描绘出被测信号的波形。中,Y1Y2和Xl、X2两对互相垂直的偏转板组成偏转系统。Y轴偏转板在前,X轴偏转板在后,因此Y轴灵敏度高(被测信号经处理后加到Y轴)。两对偏转板分别加上电压,使两对偏转板间各自形成电场,分别控制电子束在垂直方向和水平方向偏转。  5、示波管的电源  为使示波管正常工作,对电源供给有一定要求。规定第二阳极与偏转板之间电位相近,偏转板的平均电位为零或接近为零。阴极必须工作在负电位上。栅极G1相对阴极为负电位(—30V~—100V),而且可调,以实现辉度调节。第一阳极为正电位(约+100V~+600V),也应可调,用作聚焦调节。第二阳极与前加速极相连,对阴极为正高压(约+1000V),相对于地电位的可调范围为±50V。由于示波管各电极电流很小,可以用公共高压经电阻分压器供电。

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