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示波器基礎知識100問(中)

日期:2019-10-22 00:21
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摘要: 33. 在帶寬一定的條件下,采樣頻率太大是否也沒有太大的意義? 答:帶寬是限製被測信號高頻分量被捕獲的基本條件。使用泰克的示波器每個被測信號周期隻需2.5個點就能夠*大限度的重構波形。其它一些示波器需要大於4個樣點/周期,即100MHZ帶寬示波器單次采集至少需要400MS/s的采樣率,有些示波器甚至需要10個點(線性內插技術)才能保證采集信號有意義。 34. 所謂高斯響應示波器和平坦響應示波器各有何優缺點和適合的領域? 答:在示波器的規範中並沒有平坦相應和高斯相應的指標。在示波器中會出現類似的比較或探討,可...

33. 在帶寬一定的條件下,采樣頻率太大是否也沒有太大的意義?

答:帶寬是限製被測信號高頻分量被捕獲的基本條件。使用泰克的示波器每個被測信號周期隻需2.5個點就能夠*大限度的重構波形。其它一些示波器需要大於4個樣點/周期,即100MHZ帶寬示波器單次采集至少需要400MS/s的采樣率,有些示波器甚至需要10個點(線性內插技術)才能保證采集信號有意義。

34. 所謂高斯響應示波器和平坦響應示波器各有何優缺點和適合的領域?

答:在示波器的規範中並沒有平坦相應和高斯相應的指標。在示波器中會出現類似的比較或探討,可能有如下原因:

眾所周知,示波器是時域的儀器,從泰克發明**台可觸發的模擬示波器以來,示波器的帶寬一直是*重要的指標,它是指示波器內部的前置放大器的模擬帶寬。但是,示波器帶寬的定義卻是頻域的定義,即正弦波幅度衰減到-3dB點時的頻率點。一個複雜高速信號含有豐富的頻譜分量,如果需要**測量信號,必須知道它們的每一個頻譜分量的幅度和相位,所以示波器的幅頻特性和相頻特性非常重要。

從*近幾年的發展來看,目前數字示波器的帶寬越做越高,從泰克2000年推出TDS7000 4GHZ帶寬示波器,2001年推出TDS6000 6GHZ帶寬示波器, 2003年推出TDS7704B 7GHZ帶寬示波器,到*近TDS6804B 8GHZ帶寬示波器,帶寬幾乎每年都在提升。當示波器帶寬到達幾個GHZ時,前置放大器作為模擬器件,保證良好的幅頻和相頻特性越來越難,泰克是掌握這一*關鍵技術的唯壹公司。有些廠商無法做到,就不得不采用其它的一些方法來修補模擬器件帶寬的不足,獲得更高的帶寬,頻響曲線自然發生變化。

隨著目前各種高速信號越來越多,信號速率越來越快,對實時示波器提出了新的要求,示波器廠商的數字示波器中也出現了一些新的技術,*顯著的是示波器通過數字信號處理技術(DSP)來得到更好的性能。DSP就在數字示波器主要應用包括:

增強帶寬

更快的上升時間

增益和波形校準與改善

幅度和相位的改善

光參考接收機歸一化

其中泰克的第三代示波器(DPO)就是DSP技術的*好體現。合理的利用DSP可以提升示波器測試的信號保真度。但是,DSP技術的使用會是每一個示波器的使用者產生迷惑,特別是在“帶寬是否可以通過DSP可以提升”,“示波器的帶寬是模擬帶寬,和DSP技術有何關係”,“當前的示波器帶寬到底是模擬帶寬還是DSP帶寬?”“DSP技術帶來的負麵效應是什麽?”

在泰克*新的TDS6804B 8GHZ帶寬的示波器中的模擬帶寬是7GHZ,通過DSP增強後的帶寬是8GHZ,為了保證每一個測試人員對這兩種方式的理解,在TDS6804B中可以打開和關閉DSP的帶寬增強功能。泰克將DSP增強帶寬帶來的優點和問題告訴每一個測試人員,幫助測試人員理解模擬帶寬和DSP增強帶寬的測試結果,更好的進行高速信號測試。

35. 除高斯響應示波器和平坦響應示波器之外,還有基於其它響應的示波器嗎?

答:示波器前置放大器的頻響特性是決定測試結果的*關鍵因素,它由模擬器件決定。關鍵在於用何種方法來獲得足夠的頻響。

36. 以前在用TDS744,TDS745等示波器時,使用的是無源探頭(如P6139A,帶寬500M)。在購買了有源探頭(P6237)之後, 從測試波形來看(特別是測高頻信號時),兩者的測試結果差異較大。 從探頭參數得知, 有源探頭的輸入電容《1pF,而無源探頭則為10pF左右。 這樣看來應該是有源探頭的測試結果更能反映信號真實的情況。 既然無源探頭對高頻信號衰減很大, 那麽500M的帶寬有什麽意義呢? 如何根據測試情況來選擇使用有源或無源探頭?

答:您的P6139A探頭加上泰克的500MHz示波器典型帶寬值還是可以達到500MHz,但是正如您所說,其輸入電容不同,這一電容將產生對於待測信號的負載效應,造成信號振鈴,形狀發生改變,因此這個時候使用有源探頭時能反映信號的真實情況。實際上,使用探頭不光要考慮帶寬,所有這些因素我們在測量高頻信號的時候都要考慮:

帶寬/上升時間

動態範圍

負載效應

接地效應

共振效應

尤其P6139A時您還要考慮地線的影響,探頭上的接地線也會帶來振鈴,測量高頻信號的時候應該盡量縮短地線的長度。

另外,您使用的P6247是有源差分探頭,共模的影響也可能是一個因素。

選擇無源探頭主要是因為其動態範圍大,比如P6139A可以測量從毫伏到幾百伏的信號,而P6247隻能測量+-8.5V的信號。另外有源探頭價格也是一個因素。

37. 實驗時,示波器接地線後,導致MOsfet炸掉,現在將示波器都剪掉了地線。這是什麽原因?

答:為保證測試中的人身安全以及獲得良好的測量效果,一般示波器的所有探頭的地線都與機殼連接在一起,並連接到示波器電源線的地線。因此,您在電源中測量MOSFET管波形的時候,如果其中任何一個點都不是地,就會產生問題,如下圖所示。

剪斷地線可以防止對MOSFET管測試中的短路問題,但是也會帶來一些其它的測試問題,比如示波器機殼帶電,示波器機殼分布參數對測量信號造成影響等。解決的辦法是使用差分探頭,比如泰克的P5205,可以測量所謂的2個測試點都不是地的差分信號。

38. 用示波器抓取數據時,發現存儲的文本裏隻有當前屏幕的數據,且是按照resolution為時間間隔的。如何利用軟件實時處理數據(matlab?),如何抓到更多數據?

答:泰克示波器采用壓縮屏幕的顯示風格,即屏幕顯示的波形為采集下來的所有數據,配合TDS5000B的multiViewZoom功能,可以方便顯示所有波形。

泰克TDS5000B,TDS6000,TDS7000B,TDS8000B係列示波器都采用完全開放的WINDOWS平台,支持當前所有的流行工具,象Matlab,LabView,VB,VC,.NET,MicroSoft Office VBA等等,可以靈活進行數據分析和處理。

這些分析工具還可以直接安裝在示波器裏麵,構成一台集數據采集,分析,顯示,處理的儀器。 單次采集更多的數據,需要示波器配備更深的存儲深度,象TDS5000B係列通用示波器可以支持到16M內存。

39. 影響示波器工作速度的因素有哪些?

答:實際上任何一台示波器的原理都差不多,前端是數據采集係統,後端是計算機處理。影響速度主要有兩方麵,一是從前端數采到後端處理的數據傳輸,一般都是用PCI總線,此乃傳輸瓶頸, 但已有新技術可以突破;另一個是後端的處理方式,提高處理速度可以通過數據分包共享來實現。

40. 我們的應用通常會捕獲2M甚至更多的數據進行分析, 且采樣率通常會高達10GS/S, 但在進行參數測試和FFT等分析時總是顯得很慢, 為什麽?

答:處理的數據量大,速度自然會慢。要想獲得大數據量的高速實時FFT分析,除非采用專用FFT處理器,但成本較高。

41. 使用泰克的TDS2014數字示波器抓一個並口的時序時,總能測到能量很強的50Hz交流,而測不到信號,但是示波器的地和所測並口的地是一致的,怎麽辦?

答:可以從以下幾方麵入手:

① 檢查示波器是否很好的接地或采用隔離變壓器隔離;

② 附近是否有較強50Hz信號感應;

③ 在較強幹擾環境下,應注意並口的驅動能力及工作頻率與測試操作選擇是否合適。若隻看到50Hz幹擾正

弦波,且波形較規則,則應考慮並口可能未工作;

④ 檢查一下探頭尖是否損壞了;

⑤ 建議把用不著的外設都撥掉,也有可能從顯示器上來的;

⑥ 如果示波器用了很久,就要考慮底線是否正常,就是那個小夾子。 把探頭取下,用萬用表量一量。

42. 要解決抗電源幹擾問題,想測量總電源的幹擾信號串入到弱信號放大器電源的情形。結果,即使示波器探頭和地連在一起,都有幹擾信號,不管測哪裏都一樣。幹擾信號是音頻。這是為什麽?

答:要注意的問題有:

① 示波器的接地問題,示波器的機殼和探頭的參考地線都是連接地線的,因此良好的接地是測量幹擾的首要條件;

② 示波器參考地線引入的幹擾問題,由於普通探頭通常都有一段接地線,會與待測點構成一個類似環形天線的幹擾路徑,引入比較大的幹擾,因此要盡量減少這一幹擾,可以采用的方法是將探頭帽拿掉,不使用探頭上引出的地線,而直接使用探頭尖端和探頭內的地點接觸待測點進行測量;

③ 使用差分測量的方法,消除共模噪聲。泰克提供一係列的差分探頭,比如專門針對小信號的ADA400A可以測量到幾百微伏,用於高速信號測量的P7350提供高達5GHz的帶寬;

④ 在泰克的很多示波器裏提供高分辨率采集(Hi-Res)的信號捕獲模式,可以過濾信號上疊加的隨機噪聲。

43. 在EMC試驗中有時候會出現指示表短暫的指示消失現象,使用示波器進行檢測,發現試驗過程中示波器有屏幕整個晃動的現象。試驗的項目是EFT(瞬變脈衝串抗擾度試驗),如何解釋和怎樣在試驗中消除這種現象?

答:EFT有時會對示波器造成幹擾,造成誤觸發,可嚐試使用示波器的高頻抑製觸發模式,限製示波器帶寬等辦法。


44. 為什麽示波器有時候抓不到經過放大後的電流信號?

答:如果信號的確存在,但示波器有時能抓到,有時抓不到,這可能和示波器的設置有關係。通常若您可將示波器觸發模式設置成Normal ,觸發條件設置成邊沿觸發,並將觸發電平調到適當值,然後將掃描方式設置成單次方式,如果這種方式還不行,通常儀器可能出了問題。

45. 新型數字示波器怎樣用於單片機開發呢?

答:單片機電路開發過程中,一般來講所用的元件和芯片本身都沒有問題,有問題的往往是他們之間相互通信和預想的不同,單片機中,常見的總線是SPI,I2C,USB,LIN,CAN, 54621A和54621D示波器本身支持串行信號的觸發功能,可直接調試串行總線上的通信情況,另外,若您使用DSP結合MCU開發電路板,可能牽涉到軟硬件聯調,這時您可以用54621D的數字邏輯通道連接到控製線或數據、地址線上,借以判斷在特定的操作條件或子程序運行下,電路是否能正常工作。而且其每通道2M點的存儲深度非常有助於分析問題的原因,觀察長時間的串行信號,觀察握手時序等。而且其放大功能,可將信號放大數萬倍以觀察細節。

54621A的價格應在US$2500左右,54621D的價格應該在低於US$4000。您可以訪問http://www.agilent.com/find/mso http://www.agilent.com/find/test 下載相關的許多應用文章。

46. 新型數字示波器54621A和54621D在檢測時是否對(Inter-IC)總線的不同信號和不同速率有影響呢?

答:I2C Bus信號一般工作速率不超過 400Kbit/s,*近也出現了幾Mbit/s的芯片,54621A和54621D在設置觸發條件時,無需顧及不同速率的影響,但對其它總線,如CAN總線,您先要在示波器上設置CAN總線當前的實際工作速率以便示波器能正確解協議,並正確觸發。

47. 除示波器54621A和54621D外,還有什麽其他儀器可以檢測和分析Inter-IC總線信號?

答:想對Inter-IC總線信號進行進一步的分析,如協議級的分析,可使用安捷倫的邏輯全球十大正规网赌,但相對來說,價格比54621A/D要高。

48. 數字示波器的各種觸發的應用,比如說邊沿觸發,毛刺觸發和脈寬觸發等,它們各自適合測試那種信號?

答:① edge trigger , 邊沿觸發,可設觸發電平,上升沿或下降沿。邊沿觸發也稱為基本觸發。

② advanced trigger,即上等觸發,裏麵含概各種不同的觸發功能,可以根據被測信號的特征,設置相應的觸發條件,定位感興趣的波形。

上等觸發是電路調試的關鍵。在電路調試過程中,如果事先不了解被測信號可能的問題,可以先使用泰克數字熒光示波器,利用400,000/秒波形捕獲速度,迅速發現電路中的各種問題,再配合不同的上等觸發功能來進行故障的細節定位,這樣可以縮短您的調試周期。

49. 關於毛刺測量,以前請教過相關的技術人員,得到的答複是,示波器所能捕捉的*小毛刺就是示波器的采樣速率。是否所有的示波器都遵循這一規律?此時示波器的前置濾波器不會對它有影響嗎?

答:不能斷言所有的示波器都是這樣。比如,有些示波器達到1GS/s,帶寬隻有60MHz,顯然,1ns的毛刺不可能捕捉到。其實捕捉毛刺的能力除了帶寬,采樣率,還取決於波形捕獲率,即每秒能夠捕捉的波形數量,詳情請參見泰克關於DPO的應用文章。

50. 在使用示波器時如何消除毛刺?

答:如果毛刺是信號本身固有的,而且想用邊沿觸發同步該信號(如正弦信號),可以用高頻抑製觸發方式,通常可同步該信號。如果信號本身有毛刺,但想讓示波器慮除該毛刺,不顯示毛刺,通常很難做到。

可以試著使用限製帶寬的方法,但不小心可能也會把信號本身慮掉一部分信息。若使用邏輯全球十大正规网赌器,一般來說,使用狀態采集的方法,有些在定時方式下采集到的毛刺,就看不到了。

51. 在實際工作中,當碰到突發的毛刺信號,如何捕捉和測試?

答:比如我們在進行時鍾測試時,經常會碰到偶發毛刺信號,該信號將會對我們的電路產生誤動作,因此捕獲該信號成為測試的關鍵,由於事先我們無法判斷該毛刺為正還是為負,因此我們須先利用TDS5000示波器的數字熒光功能即快速波形捕獲模式結合無限餘輝查看毛刺特征,然後利用示波器的上等觸發功能——脈寬觸發依照信號特征,如:小於正常時鍾脈衝寬度觸發。

52. 毛刺/脈寬觸發的應用場合有哪些?

答:毛刺/脈寬觸發一般有兩種典型應用場合,一是同步電路行為,如利用它來同步串行信號,或對於幹擾非常嚴重的應用,無法用邊沿觸發正確同步信號,脈寬觸發就是一個選擇;另一是用來發現信號中的異常現象,如因幹擾或競爭引起的窄毛刺,由於該異常是偶發顯現,必須用毛刺觸發來捕獲(另一種方法是峰值檢測方式,但峰值檢測的方法有可能受其*大采樣率的限製,同時,一般是能看,不能測)。若被測對象的脈衝寬度是50ns,而且該信號沒有任何問題,也就是說,沒有因幹擾,競爭等問題引起的信號畸變或更窄的,用邊沿觸發就可同步該信號,無需使用毛刺觸發。有不少用戶將脈寬觸發設置為10ns ~ 30ns,幸運的是,5462x和546?x是業界難得的能完成該操作的儀器。若想驗證該10MHz方波中有無異常脈衝,包括比50ns窄很多的脈衝,就會用到脈寬或毛刺觸發, 也就有可能會用到5ns的設置。

53. 安捷倫的數字示波器有沒有DPO功能?

答:DPO是一個專用名詞,隻有一個示波器公司使用該名詞,安捷倫對應的功能叫MegaVision,和DPO相同之處是:①可以直接信號中的異常現象。②波形捕獲率遠高於普通數字存儲示波器。不同之處:①發現異常信號後,MegaVision可對該異常直接放大並觀察信號細節。②MegaVision示波器的實時采樣率突破1.25GSa/s極限,可達2GSa/s(如546?xA/D示波器)甚至更高。③MegaVision示波器是為需要深存儲的應用場合優化的,當示波器存儲深度》10K,甚至100K, 2M時,其波形刷新率是業界及其優越的。

54. 如果依據信號上升時間確定了帶寬後,按照該帶寬確定采樣率的原則僅僅是為了實現無采樣混疊誤差嗎?

答:確定帶寬後再確定采樣率,業界的一些公式,的確確定采樣率的原則是為了實現無采樣混疊誤差,但它是泛泛的評估說法,具體還要看您被測對象的特征,因為*高的指標往往是在特定條件下給出的,未必滿足您的測試應用。

55. 示波器如何顯示兩個采樣點之間的波形?

答:示波器的顯示方式有多種:點顯示、正弦內插顯示、直線連接顯示;示波器的缺省顯示方式通常為矢量連接顯示方式,有的示波器僅支持直線連接方式;無論是直線連接還是正弦內插,在兩個實際采樣點之間提供的信息都不是實際采集的,由於直線連接方式可能會導致顯示出現突變,如在一正弦波的波峰采集一個點,兩邊的波穀各采集一點,會顯示出三角波,而用正弦內插顯示出來仍是正弦波,所以,有些應用文章中的說法是:采用直線連接,對采樣率的要求更高,如10倍的關係(以真實再現波形);采用正弦內插,對采樣率要求稍低以下,也有文章說,2.5倍就可以,工程上一般說4倍以上,也有5倍,6倍的說法。

56. PCB板上的高速信號特征:156.25MHZ差分時鍾信號,Rise/Fall Time(20%~80%)《100ps,jitter tolerance(p-p《30ps,RMS《2ps),skew(+ vs.-)《20ps,請問需要多高帶寬的示波器才能**測量?測量誤差可達多少?

答:對於156.25MHz 差分時鍾信號,Rise/Fall Time(20%~80%)《100ps ,若您想**測試該上升時間,如3%的測試精度,0.4/100ps *1.4 = 5.6GHz 帶寬示波器及其探頭係統,若10%精度可接受,0.4/100ps*1.2 = 4.8GHz 帶寬示波器及其探頭係統。注意若您使用差分探頭,您要確保,從被測點算起,整個示波器的帶寬是5.6GHz, 幸運的是目前安捷倫推出了7GHz帶寬的差分探頭。同時,54855A本身的上升時間指標實測是65ps , 說明書上給出72ps的指標。jitter tolerance(p-p《30ps,RMS《2ps) , 要**測量抖動指標,要求示波器本身的抖動指標要更高,54855A本身的觸發抖動指標是1ps RMS ,比業界同類產品好7倍,另一相關指標是Delta Time meas. Accuracy (peak) 是± [ (7.0 ps) + (1 x ppm * |reading|) ],好過同類產品2倍以上,這和它真正使用20GSa/s的A/D有關,它消除了使用多個(10GSa/s A/D 或 5GSa/s A/D) 拚湊成一個20GSa/s所帶來的誤差。

57. 在選擇示波器時,一般考慮的多的是帶寬。那麽,在什麽情況下要考慮采樣速率?

答:取決於被測對象,在帶寬滿足的前提下,希望*小采樣間隔(采樣率的倒數)能夠捕捉到您需要的信號細節。業界有些關於采樣速率經驗公式,但基本上都是針對示波器帶寬得出的,實際應用中,*好不用示波器測相同頻率的信號。若您在選型,對正弦波,選擇示波器帶寬是被測正弦信號頻率的3倍,以上,采樣率是帶寬的4到5倍,實際上是信號的12到15倍,若是其它波形,要保證采樣率足以捕獲信號細節。若您正在使用示波器,可透過以下方法驗證采樣率是否夠用將波形停下來,放**形,若發現波形有變化(如某些幅值),采樣率就不夠,否則無礙。也可用點顯示來分析,采樣率是否夠用。

58. 100MHz的模擬示波器可以較清楚看到寄生波形,而100MHz的數字示波器卻看不到(僅能看到波形加粗)?

答:此現象和示波器顯示有關,模擬示波器上看到的跡線一般較細,它通過垂直偏轉器直接將電壓打到屏幕上,而且掃描速率和波形刷新率都很快。數字示波器是通過A/D將波形電壓量化,存到內存中,處理之後再顯示,數字示波器屏幕的顯示分辨率是有限的,通常為6?0點或1000點,若您將示波器的存儲深度(記錄長度)設置成10K或2M, 這意味著,要讓內存中10K或2M點的信息量通過6?0個點或1000個點來反映,無論算法有多好,都會帶來一定的顯示誤差,波形加粗的程度和存儲深度是相關的,這些問題是數字示波器特有的問題,另外數字示波器缺省顯示方式為矢量顯示方式,即會在兩個采樣點之間以線性算法,或正弦內插算法插入一些點,模擬示波器沒有這些問題。您可試著將示波器記錄長度改為500點,並將矢量顯示改為點顯示,觀察數字示波器每次采樣實際得到的數據,調整時基,可以清楚得看到這些點,即使使用矢量顯示,線會變細些。僅從儀器角度出發,另外測量小信號,使用1:1得探頭得結果,可能會比10:1探頭更好些 。另外,模擬示波器沒有采樣率得概念,隻有掃描速率概念,使用數字示波器,采樣率很多時候需考慮。

59. 模擬和數字示波器在觀察波形的細部時,那個更有優勢(例如:在過零點和峰值時,觀察1%以下的寄生波形)?

答:觀察1%以下的寄生波形,無論是模擬示波器還是數字示波器,觀察其精度都不是很好,模擬示波器的垂直精度未必比數字示波器更高,如某500MHz帶寬的模擬示波器垂直精度是+/-3%, 並不比數字示波器(通常為1~2%精度)更具優勢,而且對細節,數字示波器的自動測量功能比模擬示波器的人工測量更**。
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