理解示波器的频率响应及其对上升时间测量精度的影响
用示波器测量上升时间的讨论
器探头和垂直放大器 的上 升时 间与其带 宽的关 系 ， 论被 讨
测信号上升时间、 探头上 升时 间和垂 直放大器 上升 时间对 示波器显示的上升时间 （ 即总上升时 间） 的影 响 ， 讨影响 探
因探头 和垂直放大器具有与低通滤波器完全类 似 的特 性， 故可将其等效 为 低通 滤波 器来 分 析． 里将 其等效 为 这
的 关 系， 论 了被 测 信 号 上 升 时 间 、 头上 升 时 间 和 垂 直放 大 器 上 升 时 间 对 示 波 器显 示 的 上 升 时 间 （ 总上 升 讨 探 即
时间） 的影响 ， 探讨 了影 响上升 时间测量精度的若干重要 因素．
关 键 词 ： 波 器 ； 升 时 间 ； 头 ； 直放 大 器 示 上 探 垂 中 图分 类 号 ：Ｍ９ ３ Ｔ ３ 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ３０ ７ （０ ８ ０ ４４ ８ ３ １０ － ２ ２ ｏ ） ３）７ － ９ ０
综述 ・ 评论 ・ 鸣 ・ 争
用 示 波 器 测 量 上 升 时 间 的讨 论
王 秀杰 周 胜 海 ，
（． １ 中原工学院 理学院 ， 河南 郑州 ４ ０ ０ ； ５０ ７ ２ 信 阳师范学 院 物理与电子工程学院 ， ． 河南 信 阳 ４４ ０ ） ６ ００
摘 要 ： 出了用示波 器测量上升时间的通 用模 型， 给 证明 了示波 器探 头和垂直放 大器的上升 时间与其 带宽
维普资讯
信阳师范学院学报 ： 自然科学版 第 ２ 卷 第 ３期 ２ ０ １ ０ ８年 ７月
・
Ｊ ｕｎ ｌｏ ｎａ ｇＮｏｍａ ｉｅｓｔ ｏ ｒａ ｆＸｉｙ ｎ ｒ ｌＵｎｖ ｒｉ ｙ Ｎ ｔｒｌＳ ｉｎ ｅＥ ｉｏ １２ ． ｕ． ０ ８ ａｕ ａ ｅ ｃ ｄｔ ｎＶｏ． １Ｎｏ ３ Ｊ１２ ｉｅ Ｔｉ ｅ ｕｄ ｎ Ｍ ａ ｕｒｎ ｓ ｍ ｔ ｃｌｏ ｃ ｐ ｓ ｈ Ｏｓ ｉｌｓ ｏ ｅ
数字示波器上升时间测量值的不确定度评定
４ ． ５ 合 成标 准不确 定度
厂— —— — —
。 ＝
√ ＋ ＝ ０ ． ０ ２ ０ （ Ｉ ｌ ｓ ）
ｓ （ ） ＝ √ 蓦 （ — ） ＝ ｏ ． ０ ０ ５ ２ （ 璐 ）
“ √ ６ ： ０ ． ０ ０ ２ １（ ｎ ｓ ）
４ ． ６ 扩展不 确定 度
间裱花， 这取决于采样点落在所测量脉冲上升时间的哪
个部 位 。
升时间和对应频带宽度的关系
，
＝
ｋ ／ Ａ
依据示 波器 上升 时 间 的定 义 ， 示 波器 屏 幕 上显 示 的 阶跃 信号 波形 从脉 冲幅 度 的 １ ０ ％到 ９ ｏ ％所 经历 的时 间 问 隔 即为上 升时 间。
示 波 器 校 准 仪
… —
ｔ ， 一 上升 时 间 ， 单 位为 Ｓ ；
一
高端截止频率 （ 幅度下降 ３ ｄ Ｂ 频率） ， 单位为 Ｈ ｚ ；
常数 ， 当频 率 响 应 特 性 为 Ｒ Ｃ积 分 网 络 时 ， ｋ＝
一
被 检 示 波 器
０ ． ３ ５ ； 当频率 响应特 性为高斯型 响应 网络 时， ｋ＝ ０ ． ３ ４ 。
２ ． ４ １ ｎ ｓ 、 ２ ． ４ ２ ｎ ｓ 、 ２ ． ４ １ ｎ ｓ 、 ２ ． ４ ２ ｎ ｓ 平 均值 为 ２ ． ４ １ ７ ｎ ｓ 。
ｔ 耐童与灏试 技， ｇ ） ２ ｏ ｔ ４丰ｔ ｔ ４ １ 卷 第７期。
因为测 量 重复 性 引入 的不 确 定度 ， 属 于 Ａ类 不确 定 度， 利用 贝 塞尔公 式 ， 计 算
Ｊ Ｊ Ｇ ２ ６ ２ —１ ９ ９ ６ （ 模拟示波器检定规程》
温度 （ ２ ０ ±５ ） ℃， 相对 湿 度 （ ４ ５—８ ０ ） ％Ｒ Ｉ － Ｉ ， 电源 电压
示波器指标含义及重要性
在过去5年左右的时间中，工程师一直把重点更多地放在低压差分信令上，以明显提高系统性能。
数据速率已经以几何级数提高，推动着设备之间的通信更广泛地采用复杂的串行协议，如PCIExpress、Infiniband、XAUI等等。
这些环境涵盖了各种数据速率和传输结构，但所有这些数据速率和传输结构都需要严格的设计和检验方法。
这使得示波器等测试设备的重要性大大提高。
工程师依赖示波器分析串行设备设计的性能，支持检验和调试工作。
他们的任务包括精确进行参数测量、检修和信号完整性分析。
在开发流程后期，他们转向示波器，生成眼图进行一致性测试。
选择示波器的工程师经常只考虑产品手册和杂志广告标题中列明的技术指标。
人们最熟知的指标是带宽、取样速率和记录长度。
尽管衡量示波器性能的这些指标也非常重要，但它们并不能全面表明仪器在实际日常使用环境中的效果。
例如，带宽指标仅指明了示波器的大体频率范围，而几乎与仪器可靠地检测和捕获快速异常事件的能力没有关系。
因此，在评估示波器时，领会主要指标的言外之意非常重要。
这个建议实际有两层含义：第一，最好深入分析厂商大肆宣传的技术指标后面所隐藏的细微差别；第二，记住要研究某些功能，这些功能可能不如市场上最经常吹捧的功能那样光彩夺目，但它们可能会明显影响设计人员工作的效果，甚至会影响工作的有效性。
带宽界定带宽指标当然非常重要。
对不断挑战高速串行总线结构极限的设计人员来说，在购买示波器时，带宽一直是其最首要的考虑因素。
但是，带宽本身只是描述仪器频响的一个指标(正弦波滚降-3dB的频率)。
拥有相同额定带宽的两台示波器可能会拥有非常不同的上升时间，对复杂波形的响应完全不同。
是不是需要认真推敲部分指标或功能，以更好地促进购买者决策呢？有两个方面可以回答这个问题，一个是示波器真正的上升时间性能，另一个是仪器在数字信号处理(DSP)模式下的行为。
模拟上升时间是示波器带宽的函数。
它试图使用教科书中的公式，从带宽中简单地计算上升时间，这是某些公布的上升时间指标的基础。
TEK工程师认证示波器应用基本知识
采样率对单次信号采集
▪ 数字示波器不但用于观测重复信号，同时需要观测单次事件信号。虽然示波 器放的大器带宽保证了信号输入不失真。如采样率不足会造成显示信号漏失 和失真。所以示波器必须具有足够的采样速率，用以捕捉单次信号和精确恢 复显示波形。
测到的波形有精度不失真，可以使用倍数的的方法选择示波器带宽。
波形测量参数
Vmax
Rise Time Vhi
FallTime
Vp-p 幅值
90%
正向超调
50% 100%
Vmin
Vlo
10%
负向超调
+Width
-Width
频率＝1/周期
示波器的类型
模拟示波器 模拟数字混合示波器 数字示波器 数字荧光示波器 取样示波器
▪ 示波器系统带宽不足，会引起上升时间慢和异常幅度衰减
▪ 为了获得正确的振幅测量，示波器的带宽应该比被测量的波形的频率大5倍。 为了合理精确地测量波形的上升或下降时间，示波器必须有足够的上升时间。
▪ 仪表上升时间：信号上升时间 之比
信号上升时间读值测量误差 ％
1:1
41%
2:1
22%
3:1
12%
4:1
示波器主要的功能－是保证示波器稳定、捕获和显示波形 的必要条件 垂直 水平 示波器的触发 与外部设备的互联能力 数据的处理技术与能力
带宽是示波器的首要规格参数
示波器的结构决定了带宽的重要性：
放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽；放大器是信号进入示波
器的大门，它的带宽决定了示波器的带宽，示波器能请进什么样 的信号由这个大门来决定。 数字示波器的带宽也是模拟带宽。示波器所谓带宽是指: 垂直放大器的频率响应，定义为：随着正弦波频率增加，信号幅度 下降3dB（70.7％）.在此频点为示波器的带宽
示波器校准仪上升时间不确定度的评定及验证
3 结语
总而言之,在当前城市人口越来越多的情况下,对于城市轨道 交通运输也有更高的要求。城市轨道交通中的弱电系统对于城市轨 道交通安全有着非常重要的影响。合理高效的弱电系统能够更好的 提高城市轨道交通的运输能力,保证人们的安全。而弱电系统集成 管理工作就是让弱电系统能够正常运行的重要方法。当前,我国各 城市的城市轨道交通集成管理服务工作正在逐渐发现,相应详细的 服务方法还需要深入研究,进而提出更加合理的服务模式。
由测量方法的原理得被测示波器上升时间Tr的计算公式如下: Tr = 扩展后的实测扫描时间因子×L; Tr—被测示波器上升时间的示值; L—为波形从基本幅度的10%到90%在水平方向所占长度(div)。
装置的A类不确定度为:uA=
=
=1.42(ps)
B类不确定的评定:
9500示波器校准仪脉冲瞬态响应输出的不确定度引入的测量
第 38 卷
数字技术与应用
协调集成方来做好相应的调试准备工作,通过审查系统来对集成方 所提交的相关资料进行核对,对于资料中的各个环节进行具体检 查,确保能够符合合同的相关要求。
对于调试工作来说,分为几个方面。分别是单体调试、系统调 试、综合调试这三方面。其中单体调试就是对单个设备进行运行检 查[4]。而综合调试则是涉及到土建、路线、车辆、信号等等多个环节, 和相关部门的共同配合才能够有效完成,一般情况下是由建设管理 和交通运营公司组织下进行。
第38卷 第4期 第202308年 4卷月
数字技术与应用 数D字ig技it术al与T应ec用hnologyww&
Vol.38 No.4 April 2020
学术论坛
DOI:10.19695/12-1369.2020.04.103
示波器校准仪上升时间不确定度的评定及验证
影响数字示波器计量准确性的原因分析
影响数字示波器计量准确性的原因分析[摘要] 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，本文对影响数字示波器计量准确性的原因进行了分析。
[关键词] 数字示波器带宽采用速率上升时间计量准确性1.数字示波器原理示波器是一种应用最广泛、最基础的时域测量仪器，可以观测信号的波形全貌，直观显示两个量的函数关系。
它能测量信号的幅度、频率周期等基本参数，也能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升下降时间、预冲、上冲和振铃等参数，同时，通过变换还能获取信号的频域信息。
数字示波器通常称为数字存储示波器，简称数字示波器，是在模拟示波器的基础上，嵌入微处理器，将被测信号数字化，从而便于根据需要对信号实现存储、处理和控制，再恢复成模拟信号予以显示。
2.影响数字示波器计量准确性的几个因素数字示波器的工作是在CPU管理下进行的，信号波形的测量要通过采集、数字化、存储和读出显示等过程过程来实现，其设计思想、功能设置、技术特征和使用方法和模拟示波器都存在较大差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。
下面主要浅析数字示波器的几个主要参数:1）区分模拟带宽(重复带宽)和数字实时带宽（单次带宽）带宽是示波器最重要的指标之一。
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(重复带宽)和数字实时带宽（单次带宽）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，其重复带宽可以很宽，可达几十或上百吉赫兹，重复带宽也称为等效带宽。
单次带宽也称为有效存储带宽，单次采集带宽或实时带宽。
数字示波器其Y通道的前端由前置放大器和滤波器组成，其决定的带宽为数字示波器的模拟带宽，而波形显示通常采用插值技术，所以单次带宽由模拟带宽、采样率及波形显示技术共同决定。
2）采样速率采样速率是指单位时间内对模拟输入信号的采样次数，常以Sa/s（取样点数/秒）或取样（脉冲）频率（Hz）表示。
a.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，这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。
示波器的标定和校准方法
示波器的标定和校准方法示波器是一种广泛应用于电子测量和实验的仪器。
在使用示波器进行测量时，其准确性和可靠性是非常重要的。
因此，对示波器进行标定和校准是必不可少的。
本文将介绍示波器的标定和校准方法，以确保测量结果的准确性。
一、示波器标定的目的和重要性示波器标定的目的在于校准示波器的各种参数，以保证其测量结果的准确性和稳定性。
示波器标定包括频率响应、幅度响应、时间基准、增益和衰减系数、垂直和水平定标等方面的校准。
示波器的标定是确保其测量结果准确可靠的重要环节。
只有标定过的示波器才能提供准确的信号测量结果，从而保证实验和测试的可信度。
因此，标定示波器是非常重要的，尤其是在需要精确测量和分析电子信号的应用中。
二、示波器标定的方法2.1 频率响应标定频率响应标定是通过输入一个标准信号，如正弦波信号，测量示波器输出波形的幅度和相位变化，来评估示波器对不同频率下的信号响应情况。
标定频率范围通常从几百Hz到数GHz。
2.2 幅度响应标定幅度响应标定是通过输入一个标准信号，如直流电压或正弦波信号，测量示波器输出波形的幅度，来评估示波器在不同幅度下的信号响应情况。
标定的幅度范围通常从微伏到几十伏不等。
2.3 时间基准标定时间基准标定是通过输入一个标准信号，如方波信号，测量示波器输出波形的上升时间和下降时间，来评估示波器的时间基准准确性和稳定性。
2.4 增益和衰减系数标定增益和衰减系数标定是通过输入一个标准信号，如方波信号，测量示波器输出波形在垂直方向上的放大倍数和衰减倍数，来评估示波器的增益和衰减系数。
2.5 垂直和水平定标垂直定标是通过输入一个标准信号，如直流电压或交流信号，来调整示波器的垂直灵敏度，使示波器在测量不同信号幅度时能够准确显示波形。
水平定标是通过输入一个标准信号，如方波信号，来调整示波器的水平灵敏度，使示波器在测量不同时间范围内的信号时能够准确显示波形。
三、示波器校准的方法示波器校准是指在标定基础上对示波器进行调整，以确保示波器在实际使用中的测量结果准确可靠。
示波器上升时间测量的误差分析
ｌ ｉａ ｏ ｉ ｔ ｔ ｎｏ ｔ ｅ ０ ｃ １ ｓ ｏ ｅ Ａｓａｃ ｎｓ ｑ ｅ ｃ ｆｔ ｉ ｉ ａ ｏｎ ｔ ｅｕ ｅｏｆ ｅｒ ｅｆ ｒｇ Ｏ ｏ ｒ ｃ ｉ ｎ ｍ ｉ ｆ ｈ ｓ ＿】 ｃ ｐ ． ｏ ｅ ｕ ｎ ｅｏ ｈ ｓｓｔ ｔ ， ０ ｕｉ ｈ ｓ ｈ ｔ ｕｌ ｏ ｌ ｆｃ ｒｅ ｔ Ｔ ｏ ｌ ａ ＊ ｔ ｉ ｃ ｅ ｓ ｆ ｔ ｅ ｕ ｃ ｒａ ｎ ｉ ｓ ｆ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｅ ｔ ｄ ｔ Ｈｅ ｃ ．ａ ｔ ｏ ｇ ｔ ｅ ｑ ａ ｒ ｔｃ ｅ ｒ ｅ ｄ ｏ ｎ ｒ ａ ｅ ｏ ｎ ｅ ｔ ｉ ｔｅ ｏ ａ ｕ ｅ ｎ ａ ａ ｈ ｎ ｅ ｌ ｕ ｈ ｈ ｕ ｄ ａ ｉ ｎＤ ｈ ｅ ｔｍａ ｉ ｎ ｇ ｖ ｓａ ｇ ｏ ｐ ｅ ｌｍｉｓ ｔ ｅ ｅＴ ｉ ｔ ｅ ａ ｌ ｏ ｂ ｅ ｉ ｂ ｙ ｕ ｅ ｆ ｒｅ Ｏ ＂ ｏ ｒ ｃ ｏ ｓ ｉ ｔｏ ｜ ｅ ｏ ｄ ｕ ｐ ｒ ｉ ｔ ｏｆ ｈ ｌＯ ＂ｈ ｙ ｃ ｌ ｎ ｔ ｅ ｒ ｌａ ｌ ｓ ｄ ｏ Ｉ Ｉ ｒｅ ｔ ｎ １ Ｔ ｃ ｉ
采 用 这一 “ 规则 ”估计 得到 的被 测脉 冲上 升 时间 ，其 误差 影 响的范 围必须 给予确 定 ，本文
收 一 日期 ｒ２ ０ —０２ ０ １１ ．２ 作 ● ■舟 ｒ 余学 锋 ，（ ９ ５ ） 男 ． 高 级 工程 师 １６ 一 ．
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时，有一条 “ 规则 ”就被使用 ：根据 示渡器技 术指标所 给 的带 宽 ，换 算出示波 器建立 时间 ，
然 后 对 示 波 器 观测 到 的 脉 冲 上 升 时 间 采 用 方 和 根 公 式 进 行 修 正 。从 理 论 分 析 可 知 ，这 一 “ 规 则 ”在 使 用 中 隐 含 了 许 多 假 设 条 件 ， 在 实 际 工 作 中 ，这 些 条 件 有 时 并 不 能 完 全 满 足 ， 此 时
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理解示波器的频率响应及其对上升时间测量精度的影响
引言：传统上，示波器的频率响应是高斯型的，是由许多具有类似频响的电路元件组合而成的，传统的模拟示波器就是这个样子，从它的BNC 输入端
至CRT 显示，有很多模拟放大器构成一个放大器链注1。
有关高斯频响示波器的特点，在行业内已经广为人知。
但鲜为人知的是当代高性能数字示波器所普遍采用的平坦频率响应。
数字示波器中和高斯频响有关的只是很少的几个模拟放大器，并可用DSP 技术优化其对精度的影响。
对于数字示波器来说，还有一件重要事情是，要尽量避免采样混叠误差注2，而模拟示波器是根本没有这种问题的。
与高斯频响相比，平坦型频率响应能减少采样混叠误差，我们在这里首先回顾高斯响应和平坦响应的特性。
然后讨论这两种响应类型所对应的上升时间测量精度。
从而说明具有平坦频率响应的示波器与具有同样带宽的高斯响应示波器相比，有更高的上升时间测量精度。
我们的讨论以1GHz 示波器为例。
这里的分析结论完全适用于其它带宽。
高斯响应示波器的特性
1GHz 示波器的典型高斯频响如图1 所示。
高斯频率响应的优点是不管输入信号(被测信号)有多快，它都能给出没有过冲的较好脉冲响应(即示波器屏幕上显示的信号没有过冲)。
图2 示出1GHz 高斯频响示波器对快沿阶跃信号的脉冲响应。
在高斯频响示波器中，示波器的上升时间注3 与示波器带宽注4 间有熟知的常用公式...
上升时间= 0.35 / 带宽注5（高斯系统）
高斯系统的另一常用特性是它的系统总带宽注6 为各子系统带宽的RMS 值，。