你了解示波器容易被忽视的参数吗?

2022-05-25 14:37:21·  来源:横河培训 陆雷  
 
示波器是电子电气工程师最常用的工具之一,了解示波器测量系统的质量是极为重要的。通过一些关键指标如带宽、采样率、存储深度等可以进行一些最基本的比较。经验

示波器是电子电气工程师最常用的工具之一,了解示波器测量系统的质量是极为重要的。通过一些关键指标如带宽、采样率、存储深度等可以进行一些最基本的比较。

经验丰富的示波器使用者还会比较示波器的波形捕获率、本底噪声、ADC分辨率等一些不太注意的指标,来评价示波器,以保证进行更好的测量。


波形捕获率

示波器的波形捕获率:示波器单位时间内捕获多少次波形,单位为“wfm/s”中文一般写作“次/秒”、“帧/秒”。又称为“波形刷新率”、“波形触发率。我们先了解一下另外一个概念,显示刷新率:显示刷新率就是屏幕每秒钟刷新的次数,一般情况下人的肉眼刷新率是60Hz 左右,我们平时肉眼看到示波器上的波形一直在变化,但肉眼能观察信号的变化的速率只有60Hz左右,60次/秒。肉眼看到示波器上的波形在“不停地”变化,但实际上波形这次变化到下次变化之间对应的信号有“极大量”的信号都已经“被漏失”了,并没有显示在示波器的屏幕上。

让我们回到波形捕获率这个概念上,了解一下数字示波器显示波形的过程:信号经探头后进入示波器输入通道,进入放大器,ADC,采集存储器,然后示波器会将采集存储器中的数据点传输到CPU单元进行显示处理,测量和运算。数字示波器采样、处理数据是需要时间的,这段时间称为死区时间。死区时间内示波器不采样,所以实际上不是所有波形我们都能在屏幕上看到,我们看到的波形其实是分隔成一段一段的。

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波形捕获率也不是一成不变的,它受到示波器水平刻度、记录长度、采样率以及所选后处理功能(数学函数、测量和分析)的影响。

做一个简单的计算,示波器屏幕的水平轴是1us,理想状态无死区时间捕获的话1s时间能够捕获1百万个屏幕,现在示波器的波形捕获率一般在几万到几十万之间,可见捕获的波形漏失了很多。

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但是如果示波器屏幕的水平轴是1ms,理想状态无死区时间捕获的话1s时间能够捕获1千个屏幕,那么示波器是不是能够无缝捕获波形了呢?

记录长度越大,数据处理的时间也就越长,波形捕获率也就越低。

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高波形捕获率在示波器采集很短时间时能够提高捕获异常信号的几率,但是仍然会有漏失的信号,那么示波器有没有不漏失信号的采集方法呢?

示波器采用滚动模式(ROLL)模式采集

•优点:示波器将每一个采样点都显示到了屏幕上,没有死区时间。

•缺点:只有记录长度大的示波器才能保证高采样率。

高波形捕获率在示波器采集很短时间时能够提高捕获异常信号的几率,但是仍然会有漏失的信号,那么示波器有没有不漏失信号的采集方法呢?

示波器采用滚动模式(ROLL)模式采集

•优点:示波器将每一个采样点都显示到了屏幕上,没有死区时间

•缺点:只有记录长度大的示波器才能保证高采样率


横河DLM3000/DLM5000系列示波器具有最大500Mpoint的记录长度

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图片深存储的利用

利用大容量存储记录下来的波形数据量很大,波形很密集,难以观察,需要有更好的工具来分析。

• 实时双窗口放大


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利用大容量存储记录下来的波形数据量很大,波形很密集,难以观察,需要有更好的工具来分析。

• 波形搜索

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波形捕获率

高波形捕获率在示波器采集很短时间时能够提高捕获异常信号的几率,但是仍然会有漏失的信号,那么示波器有没有不漏失信号的采集方法呢?

示波器采用滚动模式(ROLL)模式采集
•优点:示波器将每一个采样点都显示到了屏幕上,没有死区时间。
•缺点:只有记录长度大的示波器才能保证高采样率。

横河DLM3000/DLM5000系列示波器具有最大500Mpoint的记录长度。

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噪声指标

示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪声是评估示波器测量质量的一个很好依据,噪声的大小可以告诉用户示波器的前端和ADC电路设计得有多纯净,因为示波器的底噪声会增加额外的抖动并减小设计裕量。

一般情况下,示波器带宽越高,其内部噪声就越高。

目前高质量示波器的底噪声已经可以达到200uV甚至更低。

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ADC指标

在介绍示波器基础的时候已经介绍过示波器采样率,采样率是ADC的基本指标之一。

ADC的分辨率:也就是ADC的位数,示波器一般是8位ADC,其所能分辨的最小量化电平为参考电平(满量程)的256分之一。

ADC的精度:是幅度测量结果与信号实际幅度的接近程度。有些数字示波器采用高分辨率ADC,表面上看它们的精度要高于8 位产品,但事实不一定如此。对于高频示波器还引入了有效位数(ENOB)这一评价指标。

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使用采样技术提升垂直分辨率

数字示波器还可以通过数字信号处理来提升数字示波器的垂直分辨率,下面主要介绍以下两种方法
• 平均采集模式。
• 高分辨率采集模式。


平均采集模式

平均采集模式:平均模式是多次触发采集重复的信号,通过使用来自两次或两次以上采集的数据,这种模式逐点平均采集中对应的数据点,形成输出波形。
• 优点:平均模式改善了信噪比,降低了与触发无关的噪声,提高了垂直分辨率。
• 缺点:需要多次触发采集,只能观察重复信号。

算术平均:

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指数平均:

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平均采集模式增强分辨率:

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高分辨率采集模式

高分辨率采集模式:通过计算及显示多个顺序样点的波形串平均值来实现。单次采集也可以使用,最高采样率为最大采样率的一半。

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高分辨率采集模式增强分辨率:

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• 最高实现12位的分辨率。


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综合优化

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使用示波器测量时噪声无处不在,需要滤波和优化,应优化所有采集阶段,以实现最佳分辨率和噪声性能。

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