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第一问:示波器的波形代表什么意义?

第二问:示波器的波形区的网格代表什么?

第三问:如何进行示波器的探针补偿?

第四问: 从“自动”谈起,示波器是如何设置的?

第五问: 示波器设置——垂直幅度、水平时间

第六问: 示波器设置——稳定波形

第七问: 示波器三大关键指标——带宽

第八问: 示波器三大关键指标——采样率

第九问: 示波器三大关键指标——存储深度

第十问:如何理解示波器的“波形刷新率”

第一问:示波器的波形代表什么意义?

一句话概括:水平坐标代表时间,垂直坐标代表电压(一般是电压),电压随时间变化的曲线就是示波器显示的波形。

垂直坐标比较好理解,就是电压的大小。水平坐标代表时间,有很多人被绕了进去,但是只要注意以下一点就可以了:

注意:示波器是一个实时工具,示波器显示的,就是当前时刻正在发生的。

为什么要强调这个问题呢?因为曾经有人问我:我的示波器怎么这么慢,显示一条波形要等十几秒钟,作为电子设备,显示一条波形不是一瞬间的事么?我一看,可不要十几秒么,他设置的水平坐标长度就是十几秒。他认为这十几秒只是信号的特征,和真实时间没有关系。

 

第二问:示波器的波形区的网格代表什么?

示波器波形区水平方向网格代表时间,如图所示,当前水平方向每格是200us,方波周期为5格,即1ms,则该方波频率为1KHz;

示波器波形区垂直方向网格代表电压,如图所示,当前垂直方向每格是500mV,方波幅值为4格,即2V。

 

第三问:如何进行示波器的探针补偿?

测量一个1KHz的标准方波(示波器一般会自己输出这个信号),正常的显示如下:

如果出现以下这两种情况,需要进行探针补偿:

调节探针补偿的位置,如下图所示:

调试时注意事项:

1、必须用无感螺丝刀(非金属 非导电 非导磁),一般探针里有配该工具;

2、X1探针无需补偿,也不能补偿;

3、调节的元件是一个可调电容,部分探针不能进行360°旋转,因此不要太用力。

 

第四问: 从“自动”谈起,示波器是如何设置的?

当我们要测试一个信号时,最简单的测试办法,就是点一下示波器上的“Auto”,不同的示波器这个按键的名称有一些差异,例如“AutoSet”、“自动”、“自动设置”等等。

注意事项:一定要先把探针接到信号上再按“自动”按键。

按下“自动”按键以后,示波器会根据信号的参数进行自动调节,让信号波形以合适的幅度和 时基稳定显示在屏幕上。

由这里我们可以知道 示波器的 设置 包含了三个部分:

垂直幅度设置、水平时间设置、稳定波形

接下来我们将逐个介绍。

第五问: 示波器设置——垂直幅度、水平时间

垂直幅度:

信号必须以合适的幅度(即垂直方向的大小)显示在屏幕上。垂直档位过小,信号波形会超出屏幕,不能完整显示;垂直档位过大,不仅看不清楚信号的细节,看起来也不舒服;

水平时间:

信号必须以合适的时基(即水平方向上的时间长度)显示在屏幕上。如果时基档位过小,信号波形被拉伸的太开,也看不了完整的周期。时基档位过大的话,信号波形被压缩在一起看不了细节。

第六问: 示波器设置——稳定波形

稳定波形,专业上讲就是触发。

只有满足一个预设的条件,示波器才会 捕获一条波形,这个根据条件捕获波形的动作就是触发。

为什么要触发呢?

如下图,示波器没有触发的时候,会随机抓取信号(自动模式)并生成图像,由于信号是连续不断的,随机抓取的位置并无规律,这些静态的图像逐个显示,就像放电影一样,组合在一起就形成了动态的显示,最终在屏幕上的效果就是看到波形来回滚动,如下图所示:

我们设定一个条件,用一个直流电平作为参考,当信号的电压大于直流电平的一瞬间作为抓取信号的起始点,如下图所示,红色细线就是参考的直流电平,由于每次抓取图像的位置是有规律的,都是在信号的过直流电平的瞬间抓取的,所以每次抓取的信号相位一样,连续显示的时候完全重叠,看上去就是一条稳定的波形。

这就是触发最本质的意义:在设定的条件下抓取波形,而不是随机抓取。

第七问: 示波器三大关键指标——带宽

带宽是示波器的基本指标,和放大器的带宽一样,是所谓的-3dB点,即:

在示波器的输入端加正弦波,幅度衰减为实际幅度的70.7%时的频率点称为带宽。

也就是说用100MHz带宽的示波器测量 幅值为1V 频率为100MHz 的正弦波,实际得到的幅值会不小于0.707V。

理解了这样的含义,我们也可以得到 上升时间和带宽 的关系,即:

上升时间= 0.35/带宽。

下图是示波器带宽对方波测试的影响,对比比较直接

第八问: 示波器三大关键指标——采样率

示波器的“采样率”,顾名思义就是“采样的速率“,也就是单位时间内将模拟电平转换成离散的采样点的速率,我们常见的采样率1GSa/S就表示 每秒采样1G个点,其中Sa是Samples的缩写。采样的过程如下图所示:

理解了采样的过程和定义,那么采样率对示波器测量会有哪些影响呢?

我们比较常见的奈奎斯特采样定理:当对一个最高频率为f的有限信号进行采样,采样率SF必须大于f的2倍以上才能从采样值完全重构原来的信号,这里f称为奈奎斯特频率,2f成为奈奎斯特采样率,下面用正弦波为例来模拟这个采样过程:

很显然我们可以看到,两倍的采样率下得到波形还是严重失真,这对于示波器来说,还原波形是远远不够的,那对于我们来说,如何选择合适的采样率呢?这里有两个条件可以供大家参考:

1、 带宽为所测方波最大频率的五倍;

2、采样率为带宽的10倍。

讲到这里,我们需要还提一下这个概念:最高采样率VS实时采样率

一般来说,示波器的采样率指标都是指的这台示波器工作时能够达到的最高采样率。但是实际上示波器的“实时采样率”受到存储深度的限制,可能会随着示波器采样时间的增加,采样率会被迫下降,这里就需要讲到下一个指标:存储深度。

 

第九问: 示波器三大关键指标——存储深度

什么是示波器的存储深度?

是示波器中所采用存储器的最大容量吗?还是示波器能够记录数据的长度? 这是一个很多人都容易误解的概念。

其实示波器的存储深度是指示波器在屏幕上显示一条波形时,其波形的数据个数。我们看到的示波器屏幕上显示的波形,是由很多采样点组成的,所有采样点的个数,就是存储深度。假如一个示波器显示的存储深度是10Mpts,表示该示波器的一条波形是由10M(一千万)个采样点组成的,pts是points的缩写。

另外示波器有一个重要的关系式: 存储深度=采样率 × 采样时间

我们用一张图来表示他们的关系:

理解了这个关系式,那么存储深度对测量会有哪些影响呢,我们通过一个对比来体现:

首先,我们给示波器加上一个 频率为1KHz,幅值为2V的方波

用28M存储深度的示波器,截取一屏14S的信号

放大2000倍,依然还是方波

用28K存储深度的示波器,截取一屏14S的信号

同样放大2000倍,得到的波形已经失真。

总结:示波器的存储深度越大,保存的波形可以看到更多的细节。

 

第十问:如何理解示波器的“波形刷新率”

很多时候电路明明有小概率的故障,但是接到示波器上看波形却完全“正常”,你就可能纳闷了,我的采样率这么高,为什么抓不到故障波形呢。其实这里不是示波器的采样率不够,而是示波器的波形刷新率不够。

如何理解示波器的波形刷新率?

形象化:我们把示波器比作一个给波形拍照的录像机。波形是连续的,时时刻刻都在发生,而录像机拍摄的只是图片,是瞬间。哪怕机器一秒钟能拍一百万次,但是两次拍摄之间还是会漏掉一些波形,我们为了看到更接近真实的波形,就要求一秒钟内拍摄更多的照片,这样才会更有可能看到百万分之一概率的异常信号。

原理化:示波器从采集信号到屏幕上显示出信号波形的过程,是由若干个捕获周期组成的。一个捕获周期包括采样时间和死区时间,模拟信号通过ADC采样量化变转为数字信号同时存储,整个采样存储过程的时间称为采样时间。示波器必须对存储的数据进行测量运算显示等处理,才能开始下一次的采样,这段时间称为死区时间。死区时间内,示波器并没有进行波形采集。当一个捕获周期完成就会进入下一个捕获周期。捕获周期的倒数就是波形刷新率,示意图如下所示:

所以我们可以看出:刷新率比较低的示波器,死区时间一般都会很长,而有效捕获时间占不到一个捕获周期的1%,也就意味着99%的时间内示波器是不捕获的,二是在做运算。

总结:示波器刷新率越高,越有利于我们观察到信号中的异常成分。