数字示波器基础原理

示波器分类
（ａ）模拟示波器
衰减器 前置放大器
信号
垂直轴 放大器
显示器
触发 电路
扫描 电路
水平轴 放大器
数字存储示波器
u 始于80年代初期。采用现代的A/D技术和计算机技术实现 的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的 主流。
•数字示波器的优点：
• 带宽可以达数10GHz
• 可以捕获瞬态波形 • 可以存储波形 • 易于使用 • 功能更多、应用范围更广泛
示波器带宽
、
u 数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽， 相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增 加，信号的幅度下降到3dB(70.7％)，此时的频率点称为示波器的带 宽。 V
0dB(100%) -3dB(70.7%)
仪器带宽
f
幅频特性曲线
带宽对波形的影响
低频脉冲群
重复周期信号中的异常波形
串行数字通讯信号
波形测量参数
数字示波器常用单位
■数字示波器经常使用的单位 单位名称 单位记号
时间单位
电压单位 电流单位
秒
伏特 安培
ｓ
Ｖ Ａ
频率单位
■前缀 倍数 ：１０１２ 名称 ：ｔｅｒａ 记号 ： Ｔ
赫兹
Ｈｚ
１０９ ｇｉｇａ Ｇ
１０６
１０３
１０－３ ｍｉｌｉ ｍ
探头分类
高压探头 u 我们可以定义高压为：任一超过典型通用的X 10 无源探头安全使用 的电压。 u 另一方面，高压探头能测量的电压最大高达 20，000 伏特。 u 如图：20kV直流电，40KV脉冲，带宽75兆HZ
探头分类
电流探头 u 电流通过导线引起导线周围电磁场的形成。电流探头感应这一场的强 度， 并且转换为电压信号由示波器测量
10 10 10 10 10 10 10 10 10
-1 -2 -3 -6 -9
-12 -15
纯“模拟”技术实现。
模拟示波器
•模拟示波器的优点：
•快速的波形捕获速度 •灰度显示 •价格便宜
•模拟示波器的缺点：
• • • • • • 不能存储波形 很难捕获瞬态现象 带宽窄，只能到几百MHz 通道数一般最多只有2个通道 参数测量很麻烦 不能作复杂的应用
a
正常触发
b
3. 选择DC耦合方式
实 际 波 形 显 示 波 形
触发基本概念
u 触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都 从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次
扫描或采集的波形就同步，可以每次捕获的波形相重叠，
从而显示稳定的波形，或保证单次信号的捕获 u 触发是使重复信号稳定显示 u 对单次信号进行捕获 u 对重复信号中的异常波形和单次事件中的特殊波形进行隔 离捕获
３位Ａ／Ｄ的垂直分辨率（８等份）
４位Ａ／Ｄ的垂直分辨率（１６等份）
（位数增加、与尺子的刻度变细的道理一样。） Ｎ位的Ａ/Ｄ转换器可以把模拟量转换成２的Ｎ次方个二进制数。
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Yokogawa Electric Corporation
通道输入耦合方式
3. 选择AC耦合方式
实 际 波 形 显 示 波 形
u
例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次谐波分量递加而成。
u 1次（基波） 3次
u
5次
7次
方波(2500次)
u 对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也 就越多，波形所含谐波的频率也越高。 u 对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。
F(x)=2E/ Π(sin(ωt)+1/3sin(3 ωt)+1/5sin(5 ωt)+1/7sin(7 ωt)+……)
u 如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波 分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是 对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。
u 对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面：
u ① 由于低带宽导致的主要谐波分量消失，使原本规则的波形呈圆
弧状接近正弦波。 u ② 低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。
•数字示波器的缺点：
• 波形捕获速度慢 • 量化噪声 • 价格相对较贵
数字存储示波器原理框图
A/D转换
采样保持
模拟输入
电压
电压
采样时钟
二进制代码化 Voltage 时间
量化
数字输出
电压
时间
采样
采样是等间隔地进行的。
采样率以 “点/秒”来表示。
有实时采样、随机等效采样、等效采样等方式
采样点
采样间隔 数字化需要的 保持时间
探头的接地
u 示波器探头在使用时，要保证地线夹子可靠地接地(被测 系统的地，非真正的大地)，不然测量时，就会看到一个
很大的50Hz的信号，这是因为示波器的地线没连好，而
感应到50Hz工频而产生的。
探头的增益“X1 X10 X100”
u 探头前端手柄上有一个量程选择的小开关，当选 择×1挡时，信号是没经衰减进入示波器的：而选 择×10挡时，信号是经过衰减1／10再到示波器 的。因此，当使用示波器的×10挡时，应该将示 波器上的读数扩大10倍才是实际的读数（数字示 波器可通过设置探头衰减比后自动换算）。另外， ×10挡的输入阻抗比×1挡要高得多，所以在测试 驱动能力较弱的信号波形时。把探头打到×10挡 可更好地测量。但要注意，在不确信号电压高低 时，也应当先用×10挡测一下，确认电压不是过 高后再选用正确量程挡测量，养成这样的习惯是 很有必要的。
记号 Ｐ Ｔ Ｇ Ｍ ｋ ｈ ｄａ ｄ ｃ ｍ μ ｎ ｐ ｆ
意思 5 怪物 巨人 大量 1000 100 10 10 100 1000 微小 小人 少量 15
语源 希腊 希腊 希腊或者拉丁语 希腊或者拉丁语 希腊 希腊 希腊 拉丁语 拉丁语 拉丁语 希腊或者拉丁语 希腊或者拉丁语 西班牙 丹麦
10 10 10
探头补偿
使用示波器之前要先校准探头，使其特性与示波 器的通道匹配。一个补偿有欠缺的探头可能导致测量错 误。 补偿探头的过程可作为一种基本测试，检验该示波 器工作是否正常。
当出现过度补偿和补偿不足时，调节右图所示的示波器探头的补偿电容器
探头补偿 电容调节
A/D转换器：采样率
时间分辨率：１００ｎｓ
动态范围限制
X1挡，它的动态测量范围同示波器一样。如果使用的示 波器只能测量4mV 到40V 范围内的信号，那么用X1 挡最大就只能测量40V 的信号。但是，如果你需要测 量一个超过40V 的信号时该怎么办？你可以通过使用 一个衰减探头，从而扩展示波器的动态范围至更高的高 电压。例如用 X10挡，将扩展动态测量范围至40 mV 到400V。它衰减输入信号10倍，有效地在增大了示波 器的测量范围。
带宽对信号测试的影响实例
•不同带宽的示波器观察到的50MHz的方波信号
60MHz带宽的 示波器
100MHz带宽的 示波器 350MHz带宽的 示波器 500MHz带宽的示波器
波形的主要谐波分量
u 由于任何非正弦波都可视为无数正弦波组成，因此谐波分 量的多少将直接影响波形的形状。为保证波形不失真，考 虑按基波幅度的10％以上谐波为影响波形的重要因素选择 示波器带宽。
减少或消除高频信号成分。
数字滤波幅频特性
① 低通
-3dB
② 高通
-3dB
频率上限
频率上限
…..
频率下限 频率下限
③ 带通
-3dB
④ 带阻
-3dB
频率下限
频率上限
频率上限
频率下限
…..
频率下限 频率上限 频率上限 频率下限
带宽与上升时间
u 上升时间通常定义为信号从上升跳变沿的10％到90％的时间长度。
触发基本概念
u 示波器的触发电路主要用于帮助对对所要的波形进行定位。根据不同的信号特征 和测量目的，可以选择不同的触发类型。但是，最常用的还是边沿触发：
u
波形进入触发比较器的正输入端，在这里与另一个输入端上的触发电平电压进行
比较。触发比较器有上升沿输出和下降沿输出。当您的波形的上升沿穿越触发电 平时，上升沿比较器输出变为高，而下降沿输出变为低。当波形的下降沿穿越触 发电平时，上升沿输出变为低，而下降沿输出变为高。示波器使用您选择的输出 作为触发输出。
90%
10%
上升时间
u 示波器的上升时间则与其带宽有直接关系
u
其关系式：T上升＝0.35 / 示波器带宽（1GHZ以下）
探头
u 探头是在一个测试点或信号源和一台示波器之间 做的物理及电路的连接，探头对于被测回路，必
须有最小的影响，同时对想要测量地信号应保证
足够的保真度。
探头分类
无源电压探头 u 无源探头由电线和接头组成，并且， 当需要补偿或衰减时，还有电阻器与 电容器。探头没有有源的部件-晶体管 或放大器，并且不需供电源给探头。 常用无源探头的最大测量的电压大约 在400～500 伏特附近(直流+ 交流峰 值)。
时间分辨率：５０ｎｓ
１０ＭＳ／ｓ
２０ＭＳ／ｓ
（１００ｎｓ时间分辨率）
（５０ｎｓ时间分辨率）
10MS/s的采样率、意味着1秒钟要进行1千万次的采样。时间分辨率是采样速度的倒 数。采样率10MS/s的时间分辨率为100ns。
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Yokogawa Electric Corporation
A/D转换器：垂直分辨率
示波器主要指标
■带宽
⇒包含在输入信号中的高频成分能够再现到什么程度？
■探头
⇒ 选择最合适的探头
■采样率
⇒ 数字化的时侯，时间轴的最小分辨率是多少？