示波器的幾個(gè)重要指標(biāo)介紹

“ 第二篇介紹示波器的幾個(gè)重要指標(biāo)：帶寬，采樣率，內(nèi)存深度，分辨率。如何選擇這幾個(gè)指標(biāo)？以及對(duì)測(cè)量的影響。”

01

示波器的帶寬

帶寬是示波器最重要的一個(gè)指標(biāo)，它決定了這臺(tái)示波器測(cè)量高頻信號(hào)的能力。示波器帶寬主要由前端的放大器等模擬器件的特性決定，示波器中的放大器的工作頻點(diǎn)是從直流開(kāi)始的，其增益隨著輸入信號(hào)的頻率增高會(huì)逐漸下降。一般把放大器增益下降-3dB對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)稱(chēng)為這個(gè)放大器的帶寬，示波器帶寬是同樣的定義。

圖1 示波器帶寬定義示意圖

示波器實(shí)際測(cè)量的是電壓信號(hào)，對(duì)于電壓 dB=20log（A/B)， -3dB相當(dāng)于示波器電壓的增益隨著頻率增加下降到原來(lái)的0.707倍。示波器對(duì)帶寬內(nèi)的所有頻率信號(hào)不是保持相同的測(cè)量精度，信號(hào)頻率越接近帶寬，測(cè)量結(jié)果的幅度誤差越大。具體某個(gè)頻點(diǎn)的衰減是多大，需要準(zhǔn)確知道示波器的頻響曲線。

如果沒(méi)有充足的帶寬，示波器將不能解析高頻變化。幅度將失真，邊沿將消失，細(xì)節(jié)也會(huì)丟失。為了確定準(zhǔn)確檢定特定應(yīng)用中信號(hào)幅度所需的示波器帶寬，應(yīng)采用“五倍法則'。

示波器帶寬>=信號(hào)的最高頻率成分x5

示波器的帶寬是示波器可以測(cè)量的幅度誤差不超過(guò)-3dB的正弦波的頻率值。對(duì)于數(shù)字信號(hào)，示波器的帶寬至少應(yīng)該比被測(cè)系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果滿(mǎn)足這一標(biāo)準(zhǔn)，該示波器就能議最小的信號(hào)衰減捕捉到被測(cè)信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。

帶寬越高，信號(hào)復(fù)現(xiàn)精度越高，如圖2，這是250MHz, 1GHz, 5GHz三種帶寬下捕獲的信號(hào)。

圖2. 250MHz, 1GHz, 5GHz三種帶寬下捕獲的信號(hào)

02

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示波器的采樣率

被測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)前端放大，衰減等信號(hào)調(diào)整電路后，接下來(lái)是進(jìn)行信號(hào)采樣和數(shù)字量化。信號(hào)采樣和數(shù)字化是通過(guò)高速的ADC轉(zhuǎn)換器完成，示波器的采樣率就是指對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)采樣時(shí)鐘的頻率。

真正輸入示波器的信號(hào)是連續(xù)的模擬信號(hào)，但是這樣的信號(hào)無(wú)法用數(shù)字的方法進(jìn)行描述和處理，數(shù)字化的過(guò)程就是用高速ADC對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣和量化的過(guò)程。經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，模擬波形變成一個(gè)個(gè)連續(xù)變化的數(shù)字樣點(diǎn)。

圖3.采樣示意圖

根據(jù)Nyquist采樣定理，當(dāng)對(duì)一個(gè)最高頻率為fmax的帶限信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，采樣頻率SF必須大于fmax的兩倍以上才能確保采樣值完全重構(gòu)原來(lái)的信號(hào)。對(duì)于正弦波，每個(gè)周期至少需要兩次以上的采樣才能保證數(shù)字化后的脈沖序列能較為完整的還原原始波形。如果采樣率低于Nyquist采樣率會(huì)導(dǎo)致混疊現(xiàn)象。

圖4.采樣率<2fmax,混疊失真

然而這一定理假設(shè)記錄長(zhǎng)度無(wú)窮大及連續(xù)信號(hào)。由于沒(méi)有一臺(tái)示波器能提供無(wú)窮大的記錄長(zhǎng)度，根據(jù)定義，毛刺也不是連續(xù)的，所以采樣率僅為最高頻率成分的兩倍是不夠的。

圖5.采樣率過(guò)低導(dǎo)致波形失真

在實(shí)踐中，準(zhǔn)確重建信號(hào)卻決于采樣率及填充樣點(diǎn)間間隔使用的內(nèi)插方法。某些示波器允許選擇在測(cè)量正弦信號(hào)時(shí)使用sin（x)/x內(nèi)插，在測(cè)量方波和其它信號(hào)時(shí)使用線性?xún)?nèi)插。

在使用正弦插值法時(shí)，為了準(zhǔn)確再顯信號(hào)，示波器的采樣率至少為信號(hào)最高頻率成分的2.5倍。使用線性插值法時(shí)，示波器的采樣率應(yīng)至少是信號(hào)最高頻率成分的10倍。

03

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示波器的內(nèi)存深度

對(duì)于高速的數(shù)字實(shí)時(shí)示波器，由于采樣率很高，這個(gè)高速的數(shù)據(jù)以現(xiàn)有的數(shù)字處理技術(shù)是不能實(shí)時(shí)處理的。所以數(shù)字示波器都是先把信號(hào)采集一段到高速緩存中，然后再把緩存中的數(shù)據(jù)讀出來(lái)顯示。這段緩存的深度，也稱(chēng)為示波器的內(nèi)存深度，決定了示波器在進(jìn)行一次連續(xù)采集時(shí)的最長(zhǎng)的時(shí)間長(zhǎng)度。時(shí)間長(zhǎng)度=內(nèi)存深度/采樣率。例如示波器采樣率是80G Sa/s，內(nèi)存深度是800k樣點(diǎn)，總共采集的波形時(shí)間長(zhǎng)度=800k/80G=10us。

很多示波器默認(rèn)會(huì)根據(jù)示波器的時(shí)基刻度的調(diào)整自動(dòng)調(diào)整內(nèi)存深度，而當(dāng)內(nèi)存深度增加到最大仍不足保證采集時(shí)間，示波器通常會(huì)自動(dòng)降低采樣率。因此，在增加示波器的時(shí)基刻度時(shí)，需要注意觀察示波器的采樣率的變化。

04

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示波器的分辨率

對(duì)于數(shù)字示波器，ADC是把連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成離散的采樣數(shù)據(jù)的關(guān)鍵器件，數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的水平時(shí)間分辨率取決于其采樣率，而數(shù)據(jù)樣點(diǎn)的垂直電壓分辨率取決于量化的位數(shù)。在示波器中，為了提供盡可能高的帶寬，使用的是Flash型ADC。

圖6. Flash型ADC

Flash型ADC又稱(chēng)為并行ADC，如圖6，假設(shè)ADC的位數(shù)為N位，則ADC輸入滿(mǎn)量程REF被2^N個(gè)完全相同的分壓電阻等分為2^N-1份，后面跟隨著2^N-1個(gè)比較器，輸入信號(hào)經(jīng)放大和采樣后同時(shí)與這2^N-1個(gè)比較器進(jìn)行比較，根據(jù)比較器的結(jié)果再進(jìn)行譯碼就可以得出被測(cè)信號(hào)當(dāng)前點(diǎn)的電壓值。目前市面上絕大部分?jǐn)?shù)字實(shí)時(shí)示波器使用的是8位的Flash 型ADC，其直流電壓幅度的測(cè)量精度并不是太高。

• 示波器的直流電壓測(cè)量精度：

示波器有直流測(cè)量精度能到多少？8位ADC，8bit的分辨率對(duì)于人眼觀察波形足夠，對(duì)于精度測(cè)量不太夠，因?yàn)槔碚撋瞎逃辛炕`差就有滿(mǎn)量程的1/256，再加上增益誤差和偏置誤差，實(shí)際直流測(cè)試精度在滿(mǎn)量程的2%左右.

如果示波器當(dāng)前的垂直刻度設(shè)置成1V/div的擋位，那么意味著測(cè)量值有8/256=31.25mV以?xún)?nèi)的誤差。如果只用了4位，誤差更大，所以建議在測(cè)量波形時(shí)，盡可能調(diào)整波形讓其充滿(mǎn)整個(gè)屏幕，充分利用8位的分辨率。

如果希望進(jìn)行更精確的直流測(cè)量，就需要其它測(cè)試儀器---萬(wàn)用表。數(shù)字萬(wàn)用表分手持和臺(tái)式的，手持的表通常由3位半（十進(jìn)制）的分辨率，臺(tái)式表通常由5位半或6位半（十進(jìn)制）的分辨率。6位十進(jìn)制就代表百萬(wàn)分之一的分辨率。6位半的34401A臺(tái)式萬(wàn)用表，其電壓精度可以小于50ppm。萬(wàn)用表的直流精度遠(yuǎn)優(yōu)于示波器，示波器的強(qiáng)項(xiàng)還是在于信號(hào)波形的測(cè)量上。