什么是示波器?
示波器是精確復(fù)現(xiàn)信號電壓隨時間變化的波形的儀器,廣泛應(yīng)用于電子電路測試與調(diào)試,計算機及通信高速信號測試,雷達測量等領(lǐng)域;是目前在各個行業(yè)電子/電氣工程師應(yīng)用最廣泛、最有用的工具。
注:舉例示波器為是德科技中端示波器500MHz~6GHz MXR-B 系列
示波器發(fā)展史
1939年
DuMont 推出第一臺 DuMont 164 通用模擬示波器。
1980年
惠普推出了第一臺全數(shù)字和基于微處理器的示波器,即具有兩個 100 MHz 通道的 HP 1980A/B。它也可以通過 HP-IP 總線進行編程。
1990年
惠普推出了帶寬為 500 MHz 的數(shù)字化示波器 (HP 54xxx)。HP 54500 系列也是第一款具有 FFT 分析功能來執(zhí)行頻域分析的示波器。
2018年
是德科技將數(shù)字示波器推到了一個前所未有的高度——高達110GHz 帶寬、256GSa/s 的UXR 系列示波器。
模擬示波器vs數(shù)字示波器
模擬示波器采用CRT(陰極射線管)顯示屏,其工作原理是,模擬示波器內(nèi)部產(chǎn)生周期性鋸齒波信號控制熒光屏電子槍的水平偏轉(zhuǎn),被測的電壓信號經(jīng)放大后控制電子槍的垂直偏移,這樣掃描后就可以在屏幕上看到被測信號電壓隨時間變化軌跡。數(shù)字示波器和模擬示波器最大的區(qū)別是,數(shù)字示波器通過高速的ADC芯片對輸入信號進行采樣和數(shù)字化,并把數(shù)字化樣點先保存到緩存中。然后再經(jīng)過處理、插值、分析后,顯示到液晶屏上。
雖然模擬示波器原理簡單,但它的一些明顯缺點限制了它的發(fā)展,例如:帶寬有限、沒有存儲和分析能力、觸發(fā)功能有限等等,所以現(xiàn)代示波器幾乎都是數(shù)字示波器。
現(xiàn)代數(shù)字示波器的典型架構(gòu)
我們先看一下現(xiàn)代數(shù)字實時示波器的典型參考架構(gòu)。
圖3:現(xiàn)代數(shù)字實時示波器的典型參考架構(gòu)
在上圖典型參考架構(gòu)圖中,可以看到從各關(guān)鍵部件出發(fā)涉及到的業(yè)界常常提及的關(guān)鍵指標(biāo),比如模擬前端電路涉及的帶寬,采樣電路涉及的采樣率及ADC位數(shù)等指標(biāo),以及觸發(fā)和內(nèi)存深度等數(shù)字實時示波器的四大最基本指標(biāo)。
示波器的關(guān)鍵指標(biāo)
1.示波器帶寬
示波器帶寬的定義為輸入一個正弦波信號,保持幅度不變,增加信號頻率,當(dāng)示波器上顯示的信號幅度是實際信號幅度的70.7%(即3dB衰減)的時候,該對應(yīng)的信號頻率就等于示波器帶寬。
2.采樣率
采樣率是示波器的另一個關(guān)鍵指標(biāo),它告訴客戶每秒測量信號電壓并繪制在顯示屏上的次數(shù)。如今,大多數(shù)示波器每秒至少采樣 10 億次,即每秒 1 千兆樣本。
采樣率與帶寬緊密相關(guān)。帶寬越高,信號變化越快,因此需要更快地采樣才能看到變化。在這里的圖片中,我們看到一臺 6 GHz 示波器,采樣率為 16 GSa/s,滿足奈奎斯特采樣定理。
3. ADC 位數(shù)及ENOB值
示波器具有指定位數(shù)的 ADC。位數(shù) (K) 等于 2K 量化級別。例如,8 位 ADC 可以將模擬輸入編碼為 256 個不同級別 (28 = 256),而 10 位 ADC 則有 1024 個 Q 級別 (210 = 1024)。
因此,理論上 10 位 ADC 的垂直分辨率是 8 位 ADC 的四倍。這是在沒有噪聲的理想情況下的情況。由于噪聲是任何電氣系統(tǒng)的固有組成部分,示波器的 ADC 最終會使用一些位來量化系統(tǒng)本身的噪聲。因此,示波器在運行時永遠不會達到 ADC 的垂直分辨率。
有經(jīng)驗的工程師會引入ENOB指標(biāo)進行考量。ENOB是指動態(tài)有效位數(shù),當(dāng)高速ADC 進行數(shù)據(jù)采集時,由于噪聲(前端模擬電路)和失真(ADC拼接)的影響,實際上ADC的信噪失真比達不到其標(biāo)稱的位數(shù)。示波器的有效位數(shù) (ENOB) 是了解示波器垂直分辨率的更好規(guī)格。它表示系統(tǒng)開啟時可用于數(shù)字化信號的實際位數(shù)。用戶可以在示波器的數(shù)據(jù)手冊中查詢到示波器的ENOB值。
總結(jié)
時域應(yīng)用最常見的測量設(shè)備是示波器,它以電壓與時間的關(guān)系顯示信號。它的水平系統(tǒng)和垂直系統(tǒng)設(shè)計引出了其幾大關(guān)鍵指標(biāo)。帶寬、采樣率、ADC位數(shù)及ENOB值,另外示波器的觸發(fā)能力和分析能力也是示波器很重要的性能。也是我們在考慮指標(biāo)滿足情況下,需要考慮的。
是德科技示波器除了在指標(biāo)上的優(yōu)越外,更支持高達上百種一致性分析軟件以及協(xié)議解碼,是高速數(shù)字測試的理想選擇!
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原文標(biāo)題:讀文章,集徽章|回歸基礎(chǔ)之現(xiàn)代示波器原理解析
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數(shù)字存儲示波器的工作原理和關(guān)鍵指標(biāo)

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