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技术文章

新型数字示波器的常见问题及应用

示波器一直是工程师设计、调试产品的好帮手。但随着计算机、半导体和通信技术的发展,电路系统的信号时钟速度越来越快,信号上升时间也越来越短,导致因底层模拟信号完整性问题引发的数字错误日益突出。针对这些新的测试挑战,示波器供应商不断推出了性能更好的数字示波器。但要想准确快速地对系统信号进行分析,测量时还有很多新的因素必须考虑。如仪器速度能否跟上被测信号的变化、带宽是否足够、测量方**不会引入干扰,甚至还有所使用的探头是否合适等等。

   问题1:每台示波器都有一个频率范围,比如10M、60M、100M...我手头用的示波器标称为60MHz,是不是可以理解为它*大可以测到60MHz?可我用它测4.1943MHz的方波时都测不到,这是什么原因?

    答:60MHz带宽示波器,并不意味着可以很好地测量60MHz的信号。根据示波器带宽的定义,若输入峰峰值为1V的60MHz正弦波到60MHz带宽示波器上,您在示波器上将看到0.707V的信号(30%幅值测量误差)。如果测试方波,选择示波器的参考标准应是信号上升时间,示波器带宽=0.35/信号上升时间×3,此时您的上升时间测量误差为5.4%左右。

    示波器的探头带宽也很重要,若使用的示波器探头包括其前端附件构成的系统带宽很低,将会使示波器带宽大大下降。如若使用20MHz带宽的探头,则能实现的*大带宽是20MHz,如果在探头前端使用连接导线,将会进一步降低探头性能,但对4MHz左右方波不应有太大影响,因为速度不是很快。

    另外还要看一下示波器使用手册,有的60MHz示波器在1:1设置下,其实际带宽将锐减到6MHz以下,对于4MHz左右的方波,其三次谐波是12MHz,五次谐波是20MHz,若带宽降到6MHz,对信号幅值衰减很大,即使能看到信号也**不是方波,而是幅值被衰减了的正弦波。

    当然,测不出信号的原因可能有多种,如探头接触不好(该现象很容易排除),建议用BNC电缆连接一函数发生器,检验该示波器本身有没有问题,探头有没有问题,如有问题,可和厂家直接联系。

    问题2:有些瞬时信号稍纵即失,如何捕捉并使其重现?

    答:将示波器设置成单次采集方式(触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式),注意示波器的存储深度将决定您能采集信号的时间以及能用到的*大采样速率。

    问题3:在PLL中周期抖动可以衡量一个设计的好坏,但是要**测量却非常困难,有什么方法和技巧吗?

    答:在使用示波器时,要注意其本身的抖动相关指标是否满足您的测试需求,如示波器本身的触发抖动指标等。同时要注意使用不同的探头和探头连接附件时,若不能保证示波器的系统带宽,测量结果也会不准确。另外关于PLL设置时间的测量,可使用示波器+USB-GPIB适配器+软件选件来完成,也可用较为便宜的调制域分析仪。

    问题4:为什么我的示波器有时候抓不到经过放大后的电流信呢?

    答:如果信号的确存在,但示波器有时能抓到有时抓不到,这就可能和示波器的设置有关系。

通常可将示波器触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行,那就可能是仪器出了问题。

    问题5:如何测量电源纹波?

    答:可以先用示波器将整个波形捕获,然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可),同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

    问题6:新型数字示波器怎样用于单片机开发?

    答:I2C总线信号一般工作速率不超过400Kbps,*近也出现了几Mbps的芯片,有的示波器在设置触发条件时,无需顾及不同速率的影响,但对其它总线,如CAN总线,则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率以便示波器能正确理解协议,并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析,如协议级分析,可使用逻辑分析仪,但相对来说价格比较高。

    问题7:关于模拟和数字示波器比较的问题:1、模拟和数字示波器在观察波形的细部时,哪个更有优势(例如在过零点和峰值时,观察1%以下寄生波形)?2、数字示波器一般提供在线显示均方根值,它的精度一般是多少?

    答:1)观察1%以下寄生波形,无论是模拟示波器还是数字示波器,观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高,如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%,这并不比数字示波器(通常精度为1~2%)更具优势,而且对细节,数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更**。

    2)对于示波器的幅值测量精度,很多人用A/D位数来衡量。实际上,随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等,它会有所变化。若带宽不够,本身带来的幅值测量误差就很大,若带宽够了,采样设置很高,实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册,它可能会给出不同采样率下,示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲,示波器测量幅值,包括均方根值的精度往往不如万用表,同理,测量频率它不如频率计数器。

    问题8:毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)?假如有一个100MHz示波器,测量的方波信号大约是10M左右,而且是占空比1:1左右的方波,设想一下,一个10M的方波,它的正向或负向的脉宽都是50ns,那么在什么样的情况下能真正用到5ns这个性能呢?

    答:毛刺/脉宽触发一般有两种典型应用场合,一是同步电路行为,如利用它来同步串行信号,或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时,脉宽触发就是一个选择;另一是用来发现信号中的异常现象,如因干扰或竞争引起的窄毛刺,由于该异常是偶发显现,必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式,但峰值检测方法有可能受其*大采样率的限制,所以一般是只能看而不能测)。在问题所提的例子中,若被测对象的脉冲宽度是50ns,而且该信号没有任何问题,也就是说没有因干扰、竞争等问题引起的信号畸变或变窄,那么用边沿触发就可同步该信号,无需使用毛刺触发。根据不同的应用,未必会使用到5ns这个指标,一般用户将脉宽触发设置为10ns~30ns。

    问题9:在选择示波器时,一般考虑*多的是带宽,那么在什么情况下要对采样速率有所考虑呢?

    答:取决于被测对象。

通常可将示波器触发模式设置成Normal,触发条件设置成边沿触发,并将触发电平调到适当值,然后将扫描方式设置成单次方式。如果这种方式还不行,那就可能是仪器出了问题。

    问题5:如何测量电源纹波?

    答:可以先用示波器将整个波形捕获,然后将关心的纹波部分放大来观察和测量(自动测量或光标测量均可),同时还要利用示波器的FFT功能从频域进行分析。

    问题6:新型数字示波器怎样用于单片机开发?

    答:I2C总线信号一般工作速率不超过400Kbps,*近也出现了几Mbps的芯片,有的示波器在设置触发条件时,无需顾及不同速率的影响,但对其它总线,如CAN总线,则需要先在示波器上设置CAN总线当前的实际工作速率以便示波器能正确理解协议,并正确触发。若想对Inter-IC总线信号进行进一步的分析,如协议级分析,可使用逻辑分析仪,但相对来说价格比较高。

    问题7:关于模拟和数字示波器比较的问题:1、模拟和数字示波器在观察波形的细部时,哪个更有优势(例如在过零点和峰值时,观察1%以下寄生波形)?2、数字示波器一般提供在线显示均方根值,它的精度一般是多少?

    答:1)观察1%以下寄生波形,无论是模拟示波器还是数字示波器,观察精度都不是很好。模拟示波器的垂直精度未必比数字示波器更高,如某500MHz带宽的模拟示波器垂直精度是±3%,这并不比数字示波器(通常精度为1~2%)更具优势,而且对细节,数字示波器的自动测量功能比模拟示波器的人工测量更**。

    2)对于示波器的幅值测量精度,很多人用A/D位数来衡量。实际上,随着您所用的示波器带宽、实际采样率设置等,它会有所变化。若带宽不够,本身带来的幅值测量误差就很大,若带宽够了,采样设置很高,实际的幅值测量精度也不如采样率低时候的精度(您有时可参考示波器的用户手册,它可能会给出不同采样率下,示波器的A/D实际有效位数)。总的来讲,示波器测量幅值,包括均方根值的精度往往不如万用表,同理,测量频率它不如频率计数器。

    问题8:毛刺触发指标有什么意义(例如5ns)?假如有一个100MHz示波器,测量的方波信号大约是10M左右,而且是占空比1:1左右的方波,设想一下,一个10M的方波,它的正向或负向的脉宽都是50ns,那么在什么样的情况下能真正用到5ns这个性能呢?

    答:毛刺/脉宽触发一般有两种典型应用场合,一是同步电路行为,如利用它来同步串行信号,或对于干扰非常严重的应用无法用边沿触发正确同步信号时,脉宽触发就是一个选择;另一是用来发现信号中的异常现象,如因干扰或竞争引起的窄毛刺,由于该异常是偶发显现,必须用毛刺触发来捕获(也有一种方法是峰值检测方式,但峰值检测方法有可能受其*大采样率的限制,所以一般是只能看而不能测)。在问题所提的例子中,若被测对象的脉冲宽度是50ns,而且该信号没有任何问题,也就是说没有因干扰、竞争等问题引起的信号畸变或变窄,那么用边沿触发就可同步该信号,无需使用毛刺触发。根据不同的应用,未必会使用到5ns这个指标,一般用户将脉宽触发设置为10ns~30ns。

    问题9:在选择示波器时,一般考虑*多的是带宽,那么在什么情况下要对采样速率有所考虑呢?

    答:取决于被测对象。

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