數(shù)字示波器的優(yōu)點(diǎn)和使用注意事項(xiàng)

李 杉，趙 輝

東北電力大學(xué)理學(xué)院，吉林吉林 132012

0 引言

示波器在工業(yè)、教育、科研中應(yīng)用十分廣泛，可以直接觀察電信號(hào)波形，也可以測(cè)量電信號(hào)的電壓和頻率，因此，對(duì)于能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的物理量都可用示波器來(lái)觀測(cè)。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，信號(hào)的帶寬和復(fù)雜度越來(lái)越高，對(duì)于示波器的性能要求也越來(lái)越高，于是數(shù)字示波器逐漸取代了模擬示波器[1]。筆者通過(guò)這幾年在實(shí)驗(yàn)中對(duì)示波器的使用比較，發(fā)現(xiàn)數(shù)字示波器有模擬示波器不可比擬的便利，但在使用過(guò)程中也需注意一些事項(xiàng)，從而正確使用數(shù)字示波器。

1 模擬示波器和數(shù)字示波器的原理

圖1 模擬示波器的核心部件——示波管的結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為模擬示波器的核心部件示波管的結(jié)構(gòu)圖[2]。模擬示波器利用電子槍發(fā)射的高速運(yùn)動(dòng)而狹窄電子束，轟擊在涂有熒光粉的屏幕上，就會(huì)產(chǎn)生細(xì)小光點(diǎn)。被測(cè)信號(hào)作用于偏轉(zhuǎn)極產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)，電子束在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)的作用下在熒屏上描繪出跟隨被測(cè)信號(hào)變化而變化的曲線?？偟膩?lái)說(shuō)，模擬示波器的測(cè)量原理就是把看不見(jiàn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為看得見(jiàn)的圖象，從而便于人們研究各種物理量。

圖2描述的是數(shù)字示波器的工作原理。模擬信號(hào)從輸入端輸入，經(jīng)模擬放大器放大后再由模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)并進(jìn)行采樣，而后將采樣信息輸入到采集存儲(chǔ)器。當(dāng)觸發(fā)器向采集存儲(chǔ)器發(fā)出觸發(fā)信號(hào)時(shí)，采集存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)的采樣信息一方面?zhèn)鬏數(shù)斤@示處理器，經(jīng)其處理后在屏幕上顯示被測(cè)信號(hào)的圖像，另一方面?zhèn)鬏斀o測(cè)量與分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用各類軟件對(duì)傳輸進(jìn)來(lái)的信息進(jìn)行測(cè)量、放大、數(shù)學(xué)運(yùn)算等處理，還可將處理之后的信號(hào)傳輸給顯示處理器而顯示到屏幕，或者存儲(chǔ)到硬盤、進(jìn)行打印機(jī)打印等[3]。

數(shù)字示波器的重要性能指標(biāo)之一是采樣率。所謂采樣也就是把輸入示波器的連續(xù)的模擬信號(hào)進(jìn)行離散和數(shù)字化，該過(guò)程是由A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的。采樣率就是A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，單位是sample/second，即每秒鐘的采樣數(shù)目。

可見(jiàn)，數(shù)字示波器和模擬示波器的關(guān)鍵區(qū)別為：模擬示波器是直接捕獲被測(cè)模擬信號(hào)并顯示在屏幕上；而數(shù)字示波器則是將被測(cè)模擬信號(hào)通過(guò)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，并進(jìn)行一定運(yùn)算處理后，再轉(zhuǎn)換回模擬信號(hào)從而顯示在屏幕上。

圖2 數(shù)字示波器工作原理框圖

2 數(shù)字示波器和模擬示波器操作舉例

圖3 模擬示波器測(cè)量正弦電壓有效值的屏幕顯示圖

2.1 測(cè)量正弦電壓有效值

圖4 采樣率100.0Ksa/s捕捉的fx : fy = 2:3李薩如圖

一般來(lái)說(shuō)，模擬示波器測(cè)量正弦電壓信號(hào)有效值的步驟為：

調(diào)節(jié)模擬示波器相關(guān)的旋鈕，得到一穩(wěn)定的正弦電壓波形；b. 讀出波峰和波谷之間在Y軸方向上對(duì)應(yīng)的格數(shù)n，以及對(duì)應(yīng)的Y軸電壓靈敏度m V/div；c. 由可以計(jì)算出該正弦電壓信號(hào)的有效值V。

而數(shù)字示波器直接按AUTO鍵就可以顯示出穩(wěn)定的電壓波形，按MEASURE鍵在顯示菜單中選擇電壓測(cè)量，在其子菜單中選擇均方根值，然后即可直接讀出該信號(hào)的有效值V = 8.10（v）, 如圖3所示。

2.2 觀察李薩如圖形

在模擬示波器中，由于參與合成李薩如圖形的正弦信號(hào)的相位差一直在變化，因而李薩如圖形不能形成靜止圖像，尤其如fx : fy = 2:3會(huì)給畫(huà)李薩如圖帶來(lái)很大困難；而數(shù)字示波器就凸顯其優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)電子技術(shù)讓圖像穩(wěn)定下來(lái)。圖4所示為采樣率為100.0Ksa/s時(shí)捕捉到的fx : fy = 2:3李薩如圖。[3]

由以上比較可見(jiàn)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器在使用上更簡(jiǎn)潔、方便，還有模擬示波器不具備的特殊優(yōu)點(diǎn)。

3 數(shù)字示波器使用中的注意事項(xiàng)

數(shù)字示波器比模擬示波器具備很多優(yōu)點(diǎn)，如體積小、重量輕，可以儲(chǔ)存波形進(jìn)行操作分析，還可以對(duì)波形進(jìn)行打印、存檔等，但由于數(shù)字示波器采用對(duì)被測(cè)信號(hào)取樣的方法，取樣不同會(huì)造成不同的結(jié)果。因此，在數(shù)字示波器使用過(guò)程中要注意一些事項(xiàng)。

3.1 注意區(qū)分帶寬

示波器最重要的性能指標(biāo)之一是帶寬。對(duì)數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，帶寬有兩種：模擬帶寬和實(shí)時(shí)帶寬。模擬帶寬和模擬示波器的帶寬類似，是一個(gè)固定值，由前端放大器的帶寬決定，只適用于重復(fù)信號(hào)，故又稱重復(fù)帶寬；實(shí)時(shí)帶寬是指實(shí)時(shí)采樣過(guò)程中所能達(dá)到的最大帶寬，與模擬帶寬和采樣率有關(guān)，既適用于重復(fù)信號(hào)、也可用于單次信號(hào)的測(cè)量，又稱單次帶寬，一般要小于模擬帶寬。示波器廠家標(biāo)稱的帶寬通常是指模擬帶寬。故進(jìn)行單次信號(hào)測(cè)量時(shí)，要注意考慮到實(shí)時(shí)帶寬是否合適，否則會(huì)引起意料不到的誤差。

3.2 注意采樣速率的選擇

3.2.1 采樣速率過(guò)小易出現(xiàn)混迭

混迭是指信號(hào)的屏顯頻率低于實(shí)際頻率，或是觸發(fā)指示燈雖亮但屏顯波形仍不穩(wěn)定。按照奈奎斯特定理描述，采樣速率應(yīng)該高于信號(hào)高頻成分至少2倍才能不發(fā)生混迭現(xiàn)象。如對(duì)于一個(gè)頻率為200MHz的信號(hào)，需要至少400Msa/s的采樣速率才不致發(fā)生混迭。而對(duì)于一個(gè)頻率未知的信號(hào)，可以把掃速t/ div從低到高慢慢改變，觀察信號(hào)的屏顯頻率是否發(fā)生劇烈變化，或者晃動(dòng)的波形是否在達(dá)到某個(gè)較快掃速時(shí)突然穩(wěn)定下來(lái)，如果是，則說(shuō)明之前已經(jīng)發(fā)生了波形混迭。

3.2.2 采樣速率與t/div的關(guān)系

最大采樣速率對(duì)一臺(tái)特定的數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)是一個(gè)固定值。通常，掃速t/div與采樣速率fs的關(guān)系為：fs = N/(t/div)，其中N為每格的采樣點(diǎn)數(shù)目。如果采樣點(diǎn)數(shù)目N固定，則采樣速率fs和掃速t/div為反比關(guān)系，即掃速越快則采樣速率越小。因此為了防止混迭現(xiàn)象的發(fā)生，數(shù)字示波器的掃速檔位應(yīng)該置于較大位置；而要捕獲轉(zhuǎn)瞬即逝的信號(hào)時(shí)，檔位則應(yīng)置于較小位置。

圖5 上升沿與采樣點(diǎn)的關(guān)系示意圖

3.3 注意上升時(shí)間

對(duì)模擬示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)間是極為重要的性能指標(biāo)之一。但對(duì)數(shù)字示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)間無(wú)關(guān)重要。由工作原理可看出，數(shù)字示波器AUTO測(cè)量給出的上升時(shí)間應(yīng)該與采樣點(diǎn)位置密切有關(guān)。圖5中的a圖表示兩個(gè)采樣點(diǎn)恰好包含了上升沿，此時(shí)上升時(shí)間為兩相鄰采樣點(diǎn)時(shí)間間隔的0.8倍；b圖的上升沿同樣被兩個(gè)采樣點(diǎn)包含，但中部還有一個(gè)采樣點(diǎn)，因此同樣的波形上升時(shí)間則變?yōu)閮上噜彶蓸狱c(diǎn)時(shí)間間隔的1.6倍。[4]可見(jiàn)，數(shù)字示波器不可以根據(jù)測(cè)量出的時(shí)間來(lái)倒推出信號(hào)的上升時(shí)間，而模擬示波器則可以。

4 結(jié)論

示波器應(yīng)用十分廣泛, 使用也相對(duì)復(fù)雜，只有掌握示波器的原理、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn), 才能進(jìn)行準(zhǔn)確地測(cè)量。數(shù)字示波器以其顯而易見(jiàn)的優(yōu)點(diǎn)正在逐步取代模擬示波器，但由于其工作原理原因，我們?cè)谑褂眠^(guò)程中也必須遵守上述的重要注意事項(xiàng)。

[1]孫志強(qiáng).示波器—了解電子設(shè)計(jì)世界的窗口[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2009，29(5)：1-4.

[2]朱英明.數(shù)字示波器原理與測(cè)試分析[J].電子測(cè)試, 2007(2)：38-40.

[3]周恒智.數(shù)字示波器在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用, 2011(5)：110-111.

[4]夏莉萍.數(shù)字示波器使用必須注意的問(wèn)題[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2001(1)：27-28.