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示波器,总会不由地想起三星测试的时光。产品机种的第一版回板,接下来的时间都是在实验室,赶产品的周期,那段时间不间断地验证和测试。现在好久不测了,手都生了,突然有点怀念那些家伙了……打住!言归正传,直接上思维导图:

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1、作用

讲示波器,第一时间的想问的是:示波器有什么用?有人肯定不假思索地回答:测波形。这个回答没问题,只是太笼统。信号分低速高速,示波器测试不同的信号,标准也不同,三个方向来说:

普通信号,这个时候对示波器的要求不高,只是用于测试与调试,很多认识的网友手头都有。但也不是一点要求也没有,这时候需要关注波形捕获。

高速信号,示波器的要求就高了,那就不是个人玩得起的。这个时候需要对信号进行标准一致性测试,示波器就得关注带宽、底噪等相关性能指标了。

光通信,这里面包含雷达、光模块等,更关注示波器精度与触发带宽等指标。这块笔者没有从事过,希望有机会深入了解。

2、性能

性能部分选择四个指标来说明:带宽、采样率、存储深度、死区时间、底噪。

带宽

常规定义:按3 dB衰减输入信号的最低频率被视为示波器的带宽。它决定了这台示波器测量高频信号的能力。举个例子,一个1GHz带宽的示波器,如何验证它是否标准?输入一个标准的50MHz、1V峰峰值的正弦波信号,在示波器上测得信号幅度为 A,保持输入信号幅度不变,提高输入信号的频率,逐渐增加到1GHz,这时测得示波器信号幅度为 B。20lg(B/A)所得出的结果与-3 dB的标准相比。

再强调一下,这里的-3dB是按信号功率计算,相当于信号的功率降到一半。示波器测量的是电压信号,功率降到原来的一半,根据相互关系,相当于示波器测得的电压值下降到原来的 0. 707 倍。

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讲到带宽,笔者第一时间想到的就是上升时间,还记得那个公式吗?就是0.35的那个。既然示波器也是高斯频率响应,那就是符合这种关系的,只不过该怎么测试的问题。

这里不说平坦响应,也就不谈精度了。当然,我们也会在很多网络上看到各种公式。

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带宽与时钟频率的关系。这里的5倍需要注意的前提是上升边假设为周期的7%。拐点频率的公式里,这里RT是周期的1/10。

不纠结这些,正常来说,选个5倍就行了,即待测信号为100M,示波器带宽500M。如果有小伙伴想知道,如果选的示波器带宽不够会怎样?那就给你看一看:同一带宽示波器测不同上升时间信号的差别吧。

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采样率

说完带宽,说说采样率。这两大指标是刻在示波器的门面上的。

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通常采样率是带宽4倍或者更高的关系,需要注意示波器是高频响应的方式。

示波器采样率是示波器每秒所能够获取的采样点数。讲到信号的采样,大家都会想到Nyquist 采样定理,即采样率频率大于信号带宽的2倍,这样示波器才能重建,不会发生混叠。

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存储深度

我们测试信号,当然希望有更多的信息持续地显示在屏幕上。示波器通过ADC将输入端的信号数字化,这些采集点的数据被储存在示波器的存储器中。而存储器深度和采样率及屏幕所持续的时间有关。相关的公式:采样率 = 存储器深度 / 屏幕显示时间。

这说明,提高显示时间长度的同时,采样率就会降低。只有示波器所具有的存储器深度够深,才可以在高采样率下采集更长时间的波形。

死区时间

数字示波器不同于模拟示波器,是不能实时处理相关数据,数字示波器进行信号采集,是不住重复的过程,重复采集之间的时间,需要对一些采集的波形进行处理和显示,这段时间就是死区时间。也就是说这段时间是不能抓捕信号和显示新的波形,如果这段时间,正好有异常信号的出现,造成信息的遗漏,不利于信号的调试。

需要注意的是,死区时间还不是固定的,取决于示波器处理数据的时间长短。

底噪

示波器的底噪是由示波器的衰减器,前端放大器及A/D产生,会叠加在信号上,和信号融为一体。也就是说,示波器采样后会对信号重新放大,同时底噪也会被同时放大。

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3、探头

测试信号,除了关注示波器的带宽,还要关注探头带宽。假如说示波器带宽是1GHz,有一个500MHz带宽的探头,那么组合的系统带宽为500MHz。购买示波器,一般会配上相关匹配探头。

探头分为无源探头和有源探头。

无源探头一般用于低带宽的示波器,这里低带宽经验值为500 MHz,具有10:1衰减比的高阻输入,同时带来严重的容性负载。常用的电源纹波测试探头就是无源的。

有源探头,顾名思义,内部有电源设备,有一个电源放大器,嵌入到探头主体内靠近探头的地方,这样可以提供较低的容性负载。

除了无源与有源的分类,还可以分为:单端探头和差分探头。

单端探头分为有源和无源,差分探头一般是有源探头。

差分探头有两个输入端,一个正极,一个负极还有一个单独的地线。输出信号与出现在两个输入端电压之间的差值成比例。差分探头互为参考,而不是对地电压, 这个要和单端探头相区别。

差分探头中信号连接之间的有效接地要比单端探头中大部分的接地层更为理想。此接地有效地将探头地线以非常低的阻抗连接到被测设备(简称DUT)。

两者之间的区别还有电压测量范围,有源的测量电压范围只能是几V,无源有高阻的输入方式,测量的电压范围达到几百V。

还有什么电流探头之类的,没用过,就不做展开了。

4、总结

示波器分模拟示波器与数字示波器,我们这里讲的主要是数字示波器。信号进来,经过ADC(模数转换),对信号进行采样,将采样到的数字样点缓存起来,内部信号处理结束后,再通过DAC(数模转化),最终显示到屏幕上。很多产品都是这种原理,比如之前做过的超声设备。

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