示波器及分类：《电路与电子技术实验及测试》

2023-12-02 理论教育版权反馈

【摘要】：2－2示波器2－2－1示波器的分类示波器是用来显示信号的波形，并对诸如：峰峰值幅度、RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量的仪器。表2－2－1另外，信号上升时间的测量还与示波器的时基选择有关，虽然信号的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为时基选择的不同而相差甚远。2－2－3安全接地为保证电气上的安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。

2－2　示波器

2－2－1　示波器的分类

示波器是用来显示信号的波形，并对诸如：峰峰值幅度、RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量的仪器。示波器分为模拟示波器和数字示波器两大类。

从示波器的发展来看，模拟实时示波器（ART）属于第一代示波器，数字存储示波器（DSO——Digital Storage Oscilloscopes）属于第二代示波器，数字荧光示波器（DPO——Digital Phosphor Oscilloscopes）属于第三代示波器。

示波器可为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，微细变化都可感知。因此，示波器深受使用者的欢迎。

2－2－2　示波器性能与被测信号的关系

在进行测量时，了解示波器的能力是很重要的，如标在示波器面板上的带宽和采样率以及示波器的存储单元的长度、上升时间等参数，它们将决定你的示波器能测量什么样的波形。

我们知道，为了重建一个波形，至少需要一定数量的采样点，而且在任何情况下采样时钟的频率都必须比信号频率高五至十倍。

对于上升时间的测量来说，情况也是这样。如果使用一台上升时间比被测信号的上升时间快10倍的示波器来进行测量，那么示波器本身的上升时间对测量的影响将几乎可以忽略。然而如果示波器的被测信号的上升时间相同，那么引起的测量误差可高达41%。

下面，通过例子来说明示波器性能与被测信号之间的关系。

（1）上升沿与采样率的关系

假设被测信号为一个25MHz的方波，上升沿为5ns，要精确测量此信号，则示波器在信号的上升沿最少应能采样10个点，那么采样点间隔最少为500ps，示波器的采样率最少为2Gs／s。若要完整显示信号的一个周期，即在50ns时间轴上（时基调整到5ns／div）分布的500个点都是采样获得而非插值，则采样间隔最少为100ps，这就要求示波器采样率为10Gs／s。这样高的采样率只能通过等效采样获得，而且要求被测波形是稳定的周期信号。

（2）带宽与被测信号的关系

同样，要测量上述方波，对示波器带宽也有严格的要求。

从理论上说，方波是由其基波和基波的奇次谐波分量组成，示波器的带宽所能通过的奇次谐波分量越多，重现的方波越准确。因此，在测量中选择示波器的带宽越大越好，至少应大于方波基频分量的10倍。

在实际测量中，被测方波往往还包含偶次谐波分量，并叠加有频率更高的过冲及毛刺等，若要对这些特性进行测量，则要求示波器的带宽至少能通过这些信号，而且采样率足够高，带宽具体大到什么程度要根据对被测信号的要求而定，因为带宽越大，示波器成本越高。

（3）示波器的上升时间与被测信号的关系

在模拟示波器中，上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在有些数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。当示波器的上升时间比信号的上升时间快5倍时，被测信号的异常幅度衰减可达到2%，表2－2－1给出了示波器上升时间与被测信号上升时间的关系。从表中可以看出，示波器的上升时间越快，测得的信号越准确。

表2－2－1

另外，信号上升时间的测量还与示波器的时基选择有关，虽然信号的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为时基选择的不同而相差甚远。得到最大采样率的时基越小测得的上升时间最小；时基越大测得的信号上升时间越大。

而时基与采样率的关系为：

时基（t／div）＝50（每格点数）／采样率

时基越小，要求采样率越大。在实际测量中，采样率还受到存储深度的影响。(www.chuimin.cn)

（4）采样率和采样存储深度

实际上采样率是一个与时基及存储深度有关的变化量，并不总等于厂家所给的最高采样率。例如某示波器，存储深度为1ks／ch，当时基足够快（小）时，采样率为1Gs／s，到时基增大至100ns／div，一帧波形（10div）的采样时间为100ns／div×10div＝1μs，所采点数恰为lμS×1Gs／s＝1ks，已经把存储器存满。再增加时基，若按1Gs／s速度采样就存不下了，只能降低实际采样率。例如时基增加10倍，采样率就下降10倍。

存储和显示密度（SDD）的概念，定义为在某时基下，示波器t轴方向每格能用于存储和显示的点数。当SDD不大于显示分辨率时（一般为每格50个点），SDD即为显示密度；当SDD大于显示分辨率时，表示实际存储的点数高于直接显示的需要。可供把波形拉宽观测细节。引入SDD的概念还能直观地判断荧屏上真实的采样点数是否够用。

存储和显示密度（S／div）＝采样率（S／s）×时基（t／div）

在实际测量中，非常讲究在一次捕获数据后，既能看到信号的全景，又能观察其中非常细小的部分。例如，既要看清几十位数字信号的脉冲列是否正常，又想仔细观察其中某个脉冲的前沿是否够陡，该边沿部分是否叠加了毛刺或寄生振荡。

（5）探头对被测信号的影响

探头往往是测量时被忽略的一个因素，而它对测量结果的影响几乎同示波器一样重要。每台示波器都配有自己专用的探头，带宽和上升时间都与示波器相匹配。虽然多数探头或者型号相同，或者性能参数相同，但还是不提倡混用。

探头的带宽和上升时间的选择与示波器相同，在实际测量中，实测得到的t_rise不仅与信号的上升沿有关，还与示波器的上升时间及使用探头的上升时间有关：

式中：t_rise——实际测量得到的上升时间；

　　　t_osc——示波器的上升时间；

　　　t_sig——信号的实际上升时间；

　　　t_probe——探头的上升时间。

因此，在测量中，性能不同的探头所测得的波形会有差别，在补偿一致的情况下，带宽大，上升时间快的探头测量值更准确。

另外，探头的输入阻抗也影响测量的准确度。

2－2－3　安全接地

为保证电气上的安全，多数示波器都通过电源线与安全地线相连。被测信号有可能和地线具有相同的参考电位，但并非必然如此，因此在连接探头的地线时，一定要注意不要因此而把被测系统的某一部分短路。

另一方面，即使被测系统和示波器的地线具有相同的参考电位，这也并不意味着可以用安全地线来作为信号返回通路，这是由于安全地线连接走线很长，具有很大的引线电感，因此不适合作信号返回通路。这时一定要用探头的接地引线来作为信号的参考地线，一定要使探头的接地引线尽可能的短，特别是在测高频和快速上升沿的信号时尤应注意。

在电子测量中，接地是抑制干扰的主要方法之一，将设备的地线或接地面与大地实行低阻抗连接，接地的目的是：

（1）给出设备的零电位基准；

（2）防止在设备外壳或屏蔽层上由于电荷积聚、电压上升而造成人身不安全，或引起火花放电；

（3）将设备机壳或屏蔽层等接地，给高频干扰电压形成一个低阻抗通路，以防止它对电子设备的干扰。

另外，操作者也应佩带接地手镯，防止静电损坏被测电路中昂贵的IC。

示波器及分类：《电路与电子技术实验及测试》

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