數(shù)字示波器輸入連接、信號(hào)捕獲和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的使用探討

中國(guó)工程物理研究院流體物理所 陳 敏 任 丹 王 蘭

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數(shù)字示波器輸入連接、信號(hào)捕獲和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的使用探討

中國(guó)工程物理研究院流體物理所 陳 敏 任 丹 王 蘭

【摘要】根據(jù)數(shù)字示波器在物理測(cè)試與儀器調(diào)試中的實(shí)際應(yīng)用，分析總結(jié)在探頭選用、電纜連接匹配、信號(hào)捕獲關(guān)鍵、存儲(chǔ)速度幾個(gè)方面的問(wèn)題、重要性和準(zhǔn)確理解。幫助使用者全面掌握發(fā)揮示波器的在實(shí)際中的使用，并給出了測(cè)試?yán)印?/p>

【關(guān)鍵詞】數(shù)字示波器；輸入連接；觸發(fā)鍵；存儲(chǔ)深度

示波器在科研生產(chǎn)上不可缺少的基本工具，新型示波器不斷出現(xiàn)，功能不斷擴(kuò)大，盡管如此，提起示波器的使用，大多數(shù)使用者的回答是帶寬、采樣率，操作上也局限于垂直、水平刻度的設(shè)置和觸發(fā)模式的選擇。往往忽視示波器在輸入連接重要性，使觀測(cè)的信號(hào)不真實(shí)。輕視觸發(fā)鍵的調(diào)節(jié)，使信號(hào)不能快速獲取，忘記數(shù)字示波器是高速數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品［1］，沒(méi)有充分意識(shí)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)給信號(hào)的重現(xiàn)帶來(lái)的便利。本文是示波器日常使用的常見(jiàn)問(wèn)題總結(jié)，以期使用者能夠把示波器能在科研中發(fā)揮更好的作用。

1 輸入探頭選擇

精確的測(cè)量始于探頭，與所用示波器匹配適當(dāng)?shù)奶筋^，對(duì)于取得最高的信號(hào)保真度和測(cè)量精度尤其為重要［2］。從探頭的使用功能來(lái)說(shuō)電壓探頭和電流探頭是數(shù)字示波器的兩類基本探頭，電壓探頭比較常見(jiàn)，電流探頭，以泰克示波器為例，早期是TM520電流放電器配槍是的電流互感器，現(xiàn)在TCPA300配電流槍。從電路原理上講分為有源探頭和無(wú)源探頭?，F(xiàn)在進(jìn)口示波器常用的無(wú)源探頭多為高壓探頭，如泰克P6015A，其它的SMD無(wú)源探頭、無(wú)源分配器探頭等已不常見(jiàn)。有源探頭是進(jìn)口示波器基本探頭配置，分為三個(gè)類別，有源（ FET ）普通電壓探頭、有源電流探頭和差分探頭如泰克P5210等。

所以要首先，了解示波器探頭的分類，根據(jù)被測(cè)量信號(hào)的特點(diǎn)選擇探頭，再在使用中，看清探頭的衰減比、帶寬，才能使探頭和示波器主機(jī)構(gòu)成一個(gè)正確、準(zhǔn)確的系統(tǒng)。

2 電纜適配器配置

除了探頭外，在測(cè)試中，往往大量采用電纜與示波器的直接連接，使線纜匹配問(wèn)題比較突出，這是由于信號(hào)源幅度和阻抗，電纜的阻抗、電纜頭不盡相同。

在適配器上，特別是對(duì)高帶寬的數(shù)字示波器，隨意將BNC適配器連接在其輸入端口進(jìn)行測(cè)試，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不正確或無(wú)效。使用前必須要了解所用示波器輸入端口的結(jié)構(gòu)，確認(rèn)隨機(jī)標(biāo)配適配器的類型，針對(duì)通道的作用，才能正確選擇合適的適配器。

對(duì)于匹配，一是與示波器輸入的阻抗匹配，區(qū)分信號(hào)源的幅度，信號(hào)源的阻抗，連接電纜的阻抗，才不至于導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不正確。也就是說(shuō)示波器的兩種輸入阻抗，高阻（1MΩ）和低阻（50Ω），除了對(duì)應(yīng)不同信號(hào)源的阻抗，還要對(duì)應(yīng)測(cè)量連接電纜的阻抗。二是幅度匹配，電纜直連適配器的另一個(gè)問(wèn)題是，被測(cè)信號(hào)常常超出示波器的輸入幅度要求，衰減器正是為解決這一問(wèn)題設(shè)計(jì)。

需要注意的，適配器盡量采用原廠配置，因?yàn)檫€有帶寬問(wèn)題。

3 觸發(fā)鍵的使用

測(cè)量從觸發(fā)開(kāi)始，但常被示波器使用者忽視，我們常常希望快速可靠地對(duì)已知信號(hào)串中，感興趣事件進(jìn)行檢測(cè)和觸發(fā)。

現(xiàn)代數(shù)字示波器，除傳統(tǒng)的邊沿觸發(fā)外，還增加了自定義觸發(fā)，捕獲專門事件，無(wú)需把事件存儲(chǔ)后，再處理，大大節(jié)約觀測(cè)時(shí)間。增加了示波器靈活性和實(shí)時(shí)分析能力。因此有必要清楚各種觸發(fā)的意義，才能對(duì)示波器使用得心應(yīng)手［3］。

4 示波器存儲(chǔ)深度認(rèn)識(shí)

帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度是確定數(shù)字示波器性能的三大主要指標(biāo)。相對(duì)于帶寬、采樣率基本認(rèn)知，存儲(chǔ)深度往往在數(shù)字示波器的選型、評(píng)估和測(cè)試中常被忽視。

把波形信息存儲(chǔ)到示波器的CMOS存儲(chǔ)器中，雖然最大存儲(chǔ)深度是一定的，但存儲(chǔ)器的使用長(zhǎng)度卻是可變的。

存儲(chǔ)長(zhǎng)度 = 采樣率 × 采樣時(shí)間。

公式說(shuō)明：當(dāng)要測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)的信號(hào)時(shí)，由于存儲(chǔ)深度不變，只能降低采樣率。但這樣會(huì)降低波形質(zhì)量；如果增加存儲(chǔ)的長(zhǎng)度，則意味著升高了采樣率，從而獲得信號(hào)波形的不失真。

圖1是采樣率、存儲(chǔ)深度、采樣時(shí)間三者的關(guān)系，及存儲(chǔ)深度對(duì)數(shù)字示波器實(shí)際采樣率的影響［4］。圖中，當(dāng)水平時(shí)間選10μs/ div，則示波器顯示窗口時(shí)間是10μs/div ×10格=100us，如果存儲(chǔ)深度為1Mpts，則實(shí)際采樣率為：1M÷100μs=10Gs/s；如果只有250K的存儲(chǔ)深度，實(shí)際采樣率就降低到了2.5GS/s。

圖1 采樣率、存儲(chǔ)深度、采樣時(shí)間三者的關(guān)系

這說(shuō)明，存儲(chǔ)深度決定了數(shù)字示波器同時(shí)對(duì)高頻和低頻分析的能力，比如常遇到的低速波形上高頻噪聲，和低頻對(duì)高速波形的調(diào)制。明白了采樣率與存儲(chǔ)深度的關(guān)系后，就明白掌握了這兩個(gè)參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響和應(yīng)用。

舉例，當(dāng)使用數(shù)字示波器進(jìn)行延遲同步機(jī)或連續(xù)高壓脈沖發(fā)生器的輸出抖動(dòng)測(cè)試時(shí)，應(yīng)注意存儲(chǔ)深度，這決定了示波器在一次抖動(dòng)測(cè)試中樣本數(shù)的多少，抖動(dòng)頻率測(cè)試范圍。如用20GSa/s采樣率和1M存儲(chǔ)深度的數(shù)字示波器捕獲2.5Gb/s的信號(hào)，得到50μs長(zhǎng)度的波形，能使一個(gè) 20kHz的抖動(dòng)周期被捕獲。上述存儲(chǔ)長(zhǎng)度取

100M，則可以捕獲到200Hz的抖動(dòng)周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字示波器在科研的電子學(xué)測(cè)試中大量的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)數(shù)字示波器的基本功能在使用過(guò)程中進(jìn)一步發(fā)掘與討論，起到對(duì)使用者充分熟悉運(yùn)用數(shù)字示波器的作用。由于高速數(shù)據(jù)采集電路與計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)品，我們?cè)谑褂脭?shù)字示波器的時(shí)候，不但要熟悉被測(cè)量對(duì)象的物理知識(shí)，還要了解計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)及電子技術(shù)。還有必要了解示波器的原理、特性，才能夠很好的掌握使用示波器。

參考文獻(xiàn)

［1］周恩宜.數(shù)字示波器原理、基本特性和應(yīng)用［J］.電子制作，2015（18）﹕006.

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［4］李軍.示波器的采樣率和存儲(chǔ)深度［J］.今日電子，2009（08）﹕53-55.

［5］Tektronix，Inc.MSO70000CDSA70000CDPO70000C MSO5000系列示波器用戶手冊(cè)［S］.2014.

［6］Lecroy，Inc.Getting Started Manual/WaveRunner6Zi and 12-Bid HRO Oscilloscopes.1013.

作者簡(jiǎn)介：

陳敏（1960—），女，江蘇人，中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所技師，研究方向：測(cè)試電子儀器計(jì)量標(biāo)定。