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經驗總結:示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”

發(fā)布時間:2014-12-28 責任編輯:echolady

【導讀】本文分享了電子工程師研究中所做的總結,他并不是完整的選型指南,但是細致入微的觀察往往比空口無憑更具實際。本文分享了示波器參數(shù)的相關細節(jié),希望對大家有所幫助。

本章主要討論一下示波器的核心參數(shù):模擬帶寬、采樣率、AD分辨率。

一、模擬帶寬


目前已經有太多的文章介紹模擬示波器的帶寬,所以這里我不再花太多時間來介紹。簡言之,帶寬就是功率的一半或者-3dB幅度時的頻率,如圖1所示,功率一半也就是電壓的1/ , 例如,用一個100MHz帶寬的示波器采集一個10MHz,1V的正弦波,此時示波器采集到一個標準的正弦波。隨著輸入信號頻率的增加到100MHz時,采集到的正弦波的振幅變?yōu)?.707V左右。

經驗總結:示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
圖1 帶寬是功率一半或者-3dB時的頻率。如果輸入一個固定振幅的波形,增加信號頻率,-3dB的位置即是示波器的電壓幅值為實際幅值的0.707倍。
 
不幸的是,實際應用中我們很可能需要測量的是方波(例如數(shù)字系統(tǒng))而不是正弦波。因為采集方波需要遠高于基本波形的頻率。最常用的原則是選擇一個帶寬是待測數(shù)字系統(tǒng)最高信號頻率5倍的示波器。例如,一個66MHz的時鐘信號需要一個330MHz帶寬的示波器。
我用Python 腳本編寫一個模擬濾波器,先對方波進行濾波,然后繪制出濾波結果。圖2 顯示了分別用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號濾波的結果。

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圖2 用一個50MHz, 100 MHz, 250 MHz,500 MHz 帶寬對50 MHz方波信號采樣的結果
 
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二、采樣率

除了示波器的模擬帶寬外,采樣率也是非常重要的參數(shù)。采樣率的單位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。一般情況下,各個示波器公布的采樣率參數(shù)都是指單通道最高采樣率。如果一臺兩通道的示波器,公布的采樣率參數(shù)為1GS/s,兩個通道同時使用時,每通道的最高采樣率為500MS/s。

所以,你需要多高的采樣率?對奈奎斯特定律熟悉的人,可能簡單的認為采樣率僅為待測信號帶寬的2倍即可。但是當根據(jù)這個原則采集信號時,信號往往是失真的。當然,更高的帶寬和采樣率下,這個定律是非常適用的,例如,5倍的采樣率。圖3顯示了用50MHz示波器采集25.3MHz的方波。此時,方波信號嚴重失真。然后,如果只將采樣率提到到100MS/s,一下子還真無法認出是方波。與100MS/s的采樣率相比,500MS/s采樣率采集出來的信號更像是方波信號(但是由于示波器帶寬的限制,方波還是被磨平了一些)

經驗總結:示波器核心參數(shù)的背后隱藏的“奧秘”
圖3 用100MS/s采樣率采集25.3MHz的方波信號,嚴重失真。用500MS/s采集出來的信號看起來有點像方波信號的。
 

三、等時間采樣(ETS)


一些示波器有一個等時間采樣模式,一個快速采樣模式。如PicoScope 6000系列采樣率為5G/s, 其在ETS模式下,單通道采樣率能夠達到200GS/s,四個通道同時使用時,ETS采樣率高達50GS/s。

值得一提的是ETS模式下高采樣率是通過AD采樣時鐘精確的相位偏移實現(xiàn)的。該模式適用于穩(wěn)定的周期信號。因為一段時間之后,波形將重建。簡言之,就是一個周期采集一個數(shù)據(jù)點,下一個周期在采集一個采樣點,兩個采樣點有固定的相位差。采集多個周期之后,會將這些點合成一個周期的波形。

四、ADC分辨率

還有一個常常需要考慮的核心參數(shù):AD分辨率。即模擬波形如何映射到數(shù)字波形的。一個8位的ADC表示可以將模擬波形分為28=256等份。例如示波器的測量范圍是±5 V ,峰峰值10V,表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV.

這也告訴我們數(shù)字示波器一個事實:選擇盡可能小的測量范圍,以便于獲得更準確的測量結果。測量范圍±1V,8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但是往往待測信號摻雜其他信號,例如一個帶負載的開關,剛打開的瞬間會有一個7V的尖峰,然后才回到正常的0.5V。如果你想要測量該尖峰,那么你就不能用最小的測量范圍。

一個12位的分辨率的示波器,當測量范圍為±5 V(峰峰值10V),將模擬信號分成212=4096等份,最小可分辨電壓為2.551mV。如果分辨率為16位,10V峰峰值電壓范圍被分為216=65536份,最小分辨電壓0.1526mV。一般情況下,我們需要在高分辨率慢速ADC和低分辨率快速ADC之前作出取舍。但是Pico Technology 的柔性分辨率5000系列示波器是一個例外,因為它允許你動態(tài)的在8位、10位、12位、14位、15位、16位分辨率進行切換。不過分辨率的選擇同時使用的通道數(shù)量和最高采樣率。

一般的示波器都是8位的ADC分辨率,當然也有一些高分辨的示波器。但是這些高分辨率是固定的,無法改變。所以在購買示波器時,我們必須選擇要買高分辨率的示波器還是高采樣率的示波器(分辨率高,采樣率相對就低一些)。有些聰明的示波器廠家說他們的示波器可以使用8-14位的分辨率,也可以選擇不同的采樣率。他們可以單賣采集板卡,讓用戶可以將原有的示波器升級到更高的分辨率。TiePie就是這樣做的。除了之前提到的柔性分辨率示波器,Pico Technology 也有最高14位的固定高分辨率示波器。一些其他大的示波器廠家也有高分辨率示波器。例如 力科HRO高分辨率示波器(12位分辨率)。

許多示波器表明可以有等效高分辨分辨率或軟件分辨率增強功能。這是通過濾波實現(xiàn)的一種軟件增強技術。該技術可能對測量信號的帶寬有一定的影響。千萬要注意,一個實際12位,100MHz帶寬的示波器跟通過8位分辨率,100MHz示波器軟件增強技術實現(xiàn)12位分辨率是不一樣的。

用示波器的FFT模式(通常稱為頻譜分析儀模式),我們可以看到高分辨ADC和增強的分辨率的不同。如果只需要在屏幕上觀看時域波形,那么我們可能不會注意14位分辨率的精確度或者其他。但是,如果需要測量諧波失真(THD),或者其需要精確測試頻率的應用,高分辨是直觀重要的。

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圖4 不同分辨率下的顯示效果

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