如何正确的使用示波器测量纹波 示波器是如何工作的

初级工程师如何正确的使用示波器测量纹波呢?利用正确的测量方法可以大大地改善测得纹波结果。

首先，通常使用带宽限制来规定纹波，以防止拾取并非真正存在的高频噪声。为用于测量的示波器设定正确的带宽限制;
其次，通过取掉探针“帽”，并构成一个拾波器，可以消除由长接地引线形成的天线。将一小段线缠绕在探针接地连接点周围，并将该接地连接至电源。这样做可以缩短暴露于电源附近高电磁辐射的端头长度，从而进一步减少拾波。

在隔离电源中，会产生大量流经探针接地连接点的共模电流。在电源接地连接点和示波器接地连接点之间形成了压降，从而表现为纹波。为防止这一问题的出现就需要特别注意电源设计的共模滤波。

另外，将示波器引线缠绕在铁氧体磁心周围也有助于最小化这种电流。这样就形成了一个共模电感器，其在不影响差分电压测量的同时，还减少了共模电流引起的测量误差 示波器自从问世以来，它一直是较为重要、常用的电子测试仪器之一。由于电子技术的发展，示波器的能力在不断提升，其性能与价格也五花八门，市场参差不齐。示波器看似简单，但如何选择，也存在许多问题。本文根据多年的经验，结合北京海洋兴业科技有限公司选型指南，从几个方面告知您在选择示波器时应注意的问题：

一、了解您需要测试的信号

您要知道用示波器观察什么？您要捕捉并观察的信号其典型性能是什么？您的信号是否有复杂的特性？您的信号是重复信号还是单次信号？您要测量的信号过渡过程的带宽，或者上升时间是多大？您打算用何种信号特性来触发短脉冲、脉冲宽度、窄脉冲等？您打算同时显示多少信号？您对测试信号作何种处理？

二、选择示波器的核心技术差异：模拟（DRT）、数字（DSO）、还是数模兼合（DPO）

传统的观点认为模拟示波器具有熟悉的控制面板，价格低廉，因而总觉得模拟示波器 “ 使用方便 ” 。但是随着 A/D 转换器速度逐年提高和价格不断降低，以及数字示波器不断增加的测量能力和实际上不受限制的测量功能，数字示波器已独领风骚。但是数字示波器显示具有三维的缺陷、处理连续性数据慢等缺点，需要具有数模兼合技术的示波器，例 DPO 数字荧光示波器。

三、确定测试信号带宽

带宽一般定义为正弦波输入信号幅度衰减到 -3dB 时的频率，即幅度的70.7% 。带宽决定示波器对信号的基本测量能力。如果没有足够的带宽，示波器将无法测量高频信号，幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失；如果没有足够的带宽，得到的信号所有特性，包含响铃和振鸣等都毫无意义。

一个决定您所需要的示波器带宽有效经验—— “5倍经验准则”：将您要测量的信号最高频率分量乘以5，使测量结果获得高于2%的精度。

在某些应用场合，您不知道你的感兴趣的信号带宽，但是您知道它的较快上升时间，这时频率响应用下面的公式来计算关联带宽和仪器的上升时间： Bw=0.35/信号的较快上升时间。

数字示波器带宽有两种类型：重复（或等效时间）带宽和实时（或单次）带宽。重复带宽只适用于重复的信号，显示来自于多次信号采集期间的采样。实时带宽是示波器的单次采样中所能捕捉的最高频率，且当捕捉的事件不是经常出现或瞬变信号时就更为重要，实时带宽与采样速率紧密联系。

带宽越高越好，但是更高的带宽往往意味着更高的价格，因此应按照预算来选择您要观察的信号频率成分。

四、A/D转换器的采样速率（或采样速度）

单位为每秒采样次数（ S/s ），指数字示波器对信号采样的频率。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或低频信号，最小采样速率就发挥了作用，为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制旋钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节旋钮的变化而变化。

如何计算采样速率？计算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建方式，例正弦插入法，矢量插入法等。为了准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯定理规定：信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而，这个定理的前提是基于无限长时间和周期连续的信号。由于示波器不可能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，也不是周期的，所以采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。

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，即波形重建。一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。

有一个比较采样速率和信号带宽时很有用的经验法则：如果您正在观察的示波器有内插（通过筛选以便在取样点间重新生成），则（采样速率 / 信号带宽）的比值至少应为 4∶1 ；无正弦内插时，则应采取 10∶1 的比值。

五、屏幕刷新率也称为波形更新速度

所有的示波器都会闪烁，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再进行测量，这就是波形捕获速率，也称屏幕刷新率，表示为波形数每秒（wfms/s ）。一定要区分波形捕获速率与A/D采样速率的区别。采样速率表示示波器在一个波形或周期内A/D采样输入信号的频率 ; 波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。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，并能极大地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。

一般来讲，模拟示波器由于电路简单，其屏幕刷新率较高，而数字存储示波器（ DSO ）使用串行处理结构每秒钟可以捕获 10 到 5000 个波形。为了改变数字示波器屏幕刷新率低的问题，数字荧光示波器采用并行处理结构，可以提供更高的波形捕获速率，有的高达每秒数百万个波形，大大提高了捕获间歇和难以捕捉事件的可能性，并能让您更快地发现信号存在的问题。

六、选用适当的存储深度，也称记录长度

存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果您需要不间断的捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的采样速率，可以计算出所要求的存储深度。

存储深度与采样速率密切相关。您所需要的存储深度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。

现代的示波器允许用户选择记录长度，以便对一些操作中的细节进行优化。分析一个十分稳定的正弦信号，只需要 500 点的记录长度；但如果要解析一个复杂的数字数据流，则需要有一百万个点或更多点的记录长度。

在正确位置上捕捉信号的有效触发，通常可以减小示波器实际需要的存储量。

七、根据需要选择不同的触发功能

示波器的触发能使信号在正确的位置点同步水平扫描，使信号特性清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单次波形。

大多数用示波器的用户只采用边沿触发方式，如果拥有其它触发能力在某些应用上是非常有用的，特别是对新设计产品的故障查寻，先进的触发方式可将所关心的事件分离出来，找出您关心的非正常问题，从而比较有效地利用采样速率和存储深度。

现今有很多示波器，具有先进的触发能力。触发能力主要围绕三个方面：①有关垂直方向的幅度，例瞬态尖峰触发、过脉冲或短脉冲触发等；②有关水平方向的与时间有关的触发，例脉冲宽度、窄脉冲、建立/保持时间等设定时间宽度的触发形式；③扩展和常规触发功能的组合能力，例对视频信号或其它难以捕捉的信号，通过时间和幅度组合设置触发条件进行触发。触发能力的提高，可以大提高测试过程的灵活性，并简化工作，尤其现今的示波器对数据总线的触发能力大大提高，例CAN，I2C等。

八、通道能力，包括通道数量和通道对地的悬浮能力和通道之间的隔离能力

您需要的通道数取决于您的应用，对于通常的经济型故障查寻应用，需要的是双通道示波器，然而要求观察若干个模拟信号的相互关系，将需要一台 4 通道示波器，许多工作于模拟与数字两种信号的系统工程师可以选择混合信号示波器（MSO），它将逻辑分析仪的通道计数及触发能力与示波器的较高分辨率综合到具有时间相关显示的单一仪器中。如果您测量三相电，可控硅等有源器件或线路，两端之间没有绝对的零点，即所谓的浮地信号，这时候从操作安全和精度出发，应选用隔离通道示波器；如果比较多通道的时序和相移，应选用两通道以上示波器，这时通道之间的隔离更显重要。

九、对异常现象的捕获

三个主要因素影响着示波器显示日常测试与调试中所遇到的未知和复杂信号的能力：屏幕刷新速率、波形捕获方式和触发能力。波形捕获模式有：采样模式、峰值检测模式、高分辨率模式、包络模式、平均值模式等。屏幕刷新速率指给您关于示波器对信号和控制的变化反应快慢，使用峰值检测有助于在较慢的信号中捕捉快速信号的峰值。

十、示波器的性能和指标

示波器的指标有很多：如垂直灵敏度、扫描速度、垂直精度、时间基准、垂直分辨率等等。示波器的性能取决品牌的质量，关键在于质量、稳定性和校准服务等。

十一、分析功能有助于您事半功倍

数字示波器的最大优点是它们能得到的数据进行测量，且按一下按钮即可实现各种分析功能。虽然可利用的功能因厂家和型号而异，但它们一般包括频率、上升时间、脉冲宽度等测量，有些示波器还提供很多分析模块，例FFT、功率分析、高级数学运算等超常功能。

十二、相应配套的附件和探头

容易忘记的一点是，当装上探头时，它就成为整个测试电路的一部分了，结果探头将造成电阻性、电容性和电感性负载，使示波器呈现出与被测对象不同的测量结果。因此，针对不同应用配有相应的探头，然后选择其中一种，使负载效应最小，使信号得到比较精确的复现。由于 SMT 元件的发展，连接更困难，使用不同的附件满足特殊需要。

十三、示波器的操作性能

很显然，如果您不能访问各种功能，或者要花很多时间去学习它们，那么您的示波器将价值不大，适当的培训和中文操作界面会使您突破使用上的障碍。

十四、示波器的数据管理和通讯能力

对测量结果的分析非常重要。将信息和测量结果在高速通信网络中便捷地保存和共享变得日益重要。

示波器的互联性提供对结果的高级分析能力并简化结果的存档和共享。示波器通过各种接口（ GPIB 、 RS-232 、 USB 或以太网）和网络通信模式提供一系列的功能和控制方式。

十五、示波器功能的扩展性

为了不断适应需求变化。示波器功能可以可以随机扩展：

○ 增加通道的内存以分析更长的记录长度
○ 增加面对具体应用的测量功能
○ 有一整套兼容的探头和模块，加强示波器的能力
○ 同通用第三方的 Windows 兼容的分析软件协同工作，例如 OIscope 示波器软件。
○ 增加附件，如电池组和机架固定件等。

总之，示波器的选择是一个看似简单而又是您很难处理的问题，市场上产品很多，并且技术各有差异，有时很难让您下决定。以上说明可能给您一些建议，采用上图的选择过程会对您更有益。根据多年经验，选择示波器有以下“经验法则”：

ART模拟示波器，选择四要素：性价比（价格与产品质量品牌的比较优势）、测试带宽（5倍经验法则）、通道数量（2或4）、供应商能力（售后是否得到保证）。

DSO数字存储示波器，在测试信号带宽、示波器带宽、示波器实时采样率、示波器存储深度之间找到平衡，有以下经验可循：示波器带宽可以是信号带宽的5倍；示波器实时采样速率≥4倍示波器带宽；存储深度≥采样速率×要求最长保存时间。

DPO数模兼合示波器，在基本指标要求上与DSO一致，但需要引入二个能力：屏幕刷新率、波形触发与分析能力。
特殊功能需求。

①你如果需要到现场工作，并且需要电池供电，对仪器的体积要求很严，对仪器的功能除示波器测量外还需要其它测试（例万用表功能），您这时可以选用手持示波表（HSO）。

②如果您在隔离或悬浮时，安全不能得到保障，并且需要分析功率、相移时，请选用隔离示波器（DIO），尤其是多通道的DIO。

③如果您需要多通道的模拟与数字信号混合测试，您除了选用具有串行总线触发功能的示波器外，您可以选用MSO混合示波器。 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。

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