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數字示波器原理及優缺點

日期：2012-07-22瀏覽：3577次

數字示波器原理及優缺點

 

 
數字示波器是數據采集，A/D轉換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。數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，實現對波形的保存和處理。目前數字示波器主要依靠美國技術，對于300MHz帶寬之內的示波器，目前國內品牌的示波器在性能上已經可以和國外品牌抗衡，且具有明顯的性價比優勢。
 
　　數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等*優點，其使用日益普及。由于數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，會產生較大的測量誤差，從而影響測試任務。
 
區分模擬帶寬和數字實時帶寬
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，而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的zui高帶寬為示波器的數字實時帶寬，數字實時帶寬與zui高數字化頻率和波形重建技術因子K相關（數字實時帶寬=zui高數字化速率/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周期信號的測量，而數字實時帶寬則同時適合重復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，一定要參考數字示波器的數字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。
 
有關采樣速率
　　采樣速率也稱為數字化速率，是指單位時間內，對模擬輸入信號的采樣次數，常以MS/s表示。采樣速率是數字示波器的一項重要指標。　
　
1.如果采樣速率不夠，容易出現混迭現象　　
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，產生了混迭現象。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指示燈已經亮了，而顯示的波形仍不穩定。混迭的產生如圖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產生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經發生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來，也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理，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生： 　　
·調整掃速； 　　
·采用自動設置（Autoset）； 　　
·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式，因為包絡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的關系 　　
每臺數字示波器的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。而在數字示波器中，上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數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。雖然波形的上升時間是一個定值，而用數字示波器測量出來的結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，而數字示波器的上升時間不僅與掃速有關，還與采樣點的位置有關，使用數字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據測出的時間來反推出信號的上升時間。
 
數字示波器優缺點
優點
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象　　
4.更多的觸發方式，除了模擬示波器不具備的預觸發，還有邏輯觸發、脈沖寬度觸發等　　
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
 
缺點
　　1.失真比較大，由于數字示波器是通過對波形采樣來顯示，采樣點數越少失真越大，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.測量復雜信號能力差，由于數字示波器的采樣點數有限以及沒有亮度的變化，使得很多波形細節信息無法顯示出來，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別，再加上示波器有限的顯示分辨率，使它仍然不能重現模擬顯示的效果。　　
3.可能出現假象和混淆波形，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。數字示波器的帶寬與取樣率密切相關，取樣率不高時需借助內插計算，容易出現混淆波形。

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