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數(shù)字示波器原理及優(yōu)缺點

日期：2012-07-22瀏覽：4762次

數(shù)字示波器原理及優(yōu)缺點

數(shù)字示波器是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器一般支持多級菜單，能提供給用戶多種選擇，多種分析功能。還有一些示波器可以提供存儲，實現(xiàn)對波形的保存和處理。目前數(shù)字示波器主要依靠美國技術(shù)，對于300MHz帶寬之內(nèi)的示波器，目前國內(nèi)品牌的示波器在性能上已經(jīng)可以和國外品牌抗衡，且具有明顯的性價比優(yōu)勢。

　　數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等*優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務(wù)。

區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬

帶寬是示波器zui重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復(fù)信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達到的zui高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與zui高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實時帶寬=zui高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復(fù)信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而zui高數(shù)字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

有關(guān)采樣速率

　　采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標。　

1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象　　

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的采樣速率。

有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：　　

·調(diào)整掃速；　　

·采用自動設(shè)置（Autoset）；　　

·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測方式，因為包絡(luò)方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找zui大zui小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。　　

·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。　　

2.采樣速率與t/div的關(guān)系　　

每臺數(shù)字示波器的zui大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：　

　fs=N/（t/div）　 N為每格采樣點　　

當采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。

使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則置于主掃速較慢的位置。

數(shù)字示波器的上升時間

　在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數(shù)字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數(shù)字示波器測量方法的原因，以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關(guān)。雖然波形的上升時間是一個定值，而用數(shù)字示波器測量出來的結(jié)果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測出的時間來反推出信號的上升時間。

數(shù)字示波器優(yōu)缺點

優(yōu)點

1.體積小、重量輕，便于攜帶，液晶顯示器　　

2.可以長期貯存波形，并可以對存儲的波形進行放大等多種操作和分析　　

3.特別適合測量單次和低頻信號，測量低頻信號時沒有模擬示波器的閃爍現(xiàn)象　　

4.更多的觸發(fā)方式，除了模擬示波器不具備的預(yù)觸發(fā)，還有邏輯觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等　　

5.可以通過GPIB、RS232、USB接口同計算機、打印機、繪圖儀連接，可以打印、存檔、分析文件　　

6.有強大的波形處理能力，能自動測量頻率、上升時間、脈沖寬度等很多參數(shù)

缺點

　　1.失真比較大，由于數(shù)字示波器是通過對波形采樣來顯示，采樣點數(shù)越少失真越大，通常在水平方向有512個采樣點，受到zui大采樣速率的限制，在zui快掃描速度及其附近采樣點更少，因此高速時失真更大。　　

2.測量復(fù)雜信號能力差，由于數(shù)字示波器的采樣點數(shù)有限以及沒有亮度的變化，使得很多波形細節(jié)信息無法顯示出來，雖然有些可能具有兩個或多個亮度層次，但這只是相對意義上的區(qū)別，再加上示波器有限的顯示分辨率，使它仍然不能重現(xiàn)模擬顯示的效果。　　

3.可能出現(xiàn)假象和混淆波形，當采樣時鐘頻率低于信號頻率時，顯示出的波形可能不是實際的頻率和幅值。數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計算，容易出現(xiàn)混淆波形。