掌握一門新技術(shù)通常涉及到學(xué)習(xí)新的詞匯,學(xué)習(xí)使用示波器也是如此。本部分將描述一些常用的度量標準和示波器的性能術(shù)語。這些術(shù)語用來描述一些基本準則,而這些準則正是正確選擇操作所用的示波器的依據(jù)。理解和掌握這些術(shù)語將有助于評定和比較不同的示波器。
帶寬
帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加,示波器對信號的準確顯示能力將下降。本規(guī)范指出示波器所能準確測量的頻率范圍。
示波器帶寬指的是正弦輸入信號衰減到其實際幅度的70.7% 時的頻率值,即- 3dB 點,基于對數(shù)標度(見圖46)。
如果沒有足夠的帶寬,示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真,邊緣將會消失,細節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。如果沒有足夠的帶寬,得到的關(guān)于信號的所有特性,響鈴和振鳴等都毫無意義。
測定示波器帶寬的方法:在具體操作中準確表征信號幅度,并運用5倍準則。使用五倍準則選定的示波器的測量誤差將不會超過+/-2%,對今天的操作來說已經(jīng)足夠。然而, 隨著信號速率的增加,這個經(jīng)驗準則將不再適用。記住,帶寬越高,再現(xiàn)的信號就越準確(見圖47)。
上升時間
在數(shù)字世界中,時間的測定至關(guān)重要。在測定數(shù)字信號時,如脈沖和階躍波,可能更需要對上升時間作性能上的考慮。示波器必須要有足夠長的上升時間,才能準確地捕獲快速變換的信號細節(jié)。
上升時間描述示波器的有效頻率范圍。一般用下面的公式來計算特定信號類型示波器的上升時間:
請注意,選擇示波器上升時間的依據(jù)類似于帶寬的選擇依據(jù)。對于帶寬,考慮到信號速率的極端情況,這個經(jīng)驗準則也并不總是適用。記住,示波器的上升時間越快,對信號的快速變換的捕獲也就越準確。在一些應(yīng)用中,可能只有信號的上升時間是已知的。帶寬和上升時間通過一個常數(shù)相關(guān)聯(lián):
其中,k 是介于0.35 和0.45 之間的常數(shù),它的值取決于示波器的頻率響應(yīng)特性曲線和脈沖上升時間響應(yīng)。對帶寬小于1 GHz的示波器,其常數(shù)k 的典型值為0.35,而對帶寬大于1GHz 的示波器,其常數(shù)k 的值通常介于0.40 和0.45 之間。
如圖49 所示,一些邏輯系列本質(zhì)上具有更快的上升時間。
采樣速率
采樣速率:表示為樣點數(shù)每秒(S/s),指數(shù)字示波器對信號采樣的頻率,類似于電影攝影機中的幀的概念。示波器的采樣速率越快,所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息和事件丟失的概率就越小,如圖50 所示。如果需要觀測較長時間范圍內(nèi)的慢變信號,則最小采樣速率就變得較為重要。典型地,為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數(shù),需要調(diào)整水平控制按鈕,而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)按鈕的調(diào)節(jié)而變化。
如何計算采樣速率?計算方法取決于所測量的波形的類型,以及示波器所采用的信號重構(gòu)方式。為了準確地再現(xiàn)信號并避免混淆,奈奎斯特定理規(guī)定,信號的采樣速率必須不小于其最高頻率成分的兩倍。然而,這個定理的前提是基于無限長時間和連續(xù)的信號。由于沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度,而且,從定義上看,低頻干擾是不連續(xù)的,所以,采用兩倍于最高頻率
成分的采樣速率通常是不夠的。
實際上,信號的準確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號采樣點間隙所采用的插值法。一些示波器會為操作者提供以下選擇:測量正弦信號的正弦插值法,以及測量矩形波、脈沖和其他信號類型的線性插值法。
在使用正弦插值法時,為了準確再現(xiàn)信號,示波器的采樣速率至少需為信號最高頻率成分的2.5 倍。使用線性插值法時,示波器的采樣速率應(yīng)至少是信號最高頻率成分的10 倍。
一些采樣速率高達20GS/s,帶寬高達4GHA的測量系統(tǒng)用5倍于帶寬的速率來捕獲高速,單脈沖和瞬態(tài)事件。
波形捕獲速率
所有的示波器都會閃爍。也就是說,示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號,在這些測量點之間將不再進行測量。這就是波形捕獲速率,表示為波形數(shù)每秒(wfms/s)。采樣速率表示的是示波器在一個波形或周期內(nèi),采樣輸入信號的頻率,波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級別,且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會提供更多的重要信號特性,并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時的異常情況,如抖動、矮脈沖、低頻干擾和瞬時誤差的概率(參見圖51 和52)。
數(shù)字存儲示波器( DSO)使用串行處理機制,每秒鐘可以捕獲10到5000個波形。一些DSO提供一種特殊的模式,它能迅速把各種捕獲信息存儲到海量存儲器中,暫時提供較高的波形捕獲速率,而隨后是較長的一段處理時間,這段處理時間內(nèi)不重新活動,減少了捕獲稀少和間歇事件的可能性。
大多數(shù)數(shù)字熒光示波器( DPO)采用并行處理機制來提供更高的波形捕獲速率。一些DPO可以在一秒鐘之內(nèi)獲得數(shù)百萬個波形,大大提高了捕獲間歇的和難以捕捉事件的可能性,并能讓用戶更快地發(fā)現(xiàn)信號中存在的問題。而且,DPO的實時捕獲和顯示三維信號特性(如幅度、時間以及幅度的時間分布特性)的能力使其能夠得到更高等級的信號特性。
記錄長度
記錄長度表示為構(gòu)成一個完整波形記錄的點數(shù),決定了每個通道中所能捕獲的數(shù)據(jù)量。由于示波器僅能存儲有限數(shù)目的波形采樣,波形的持續(xù)時間和示波器的采樣速率成反比。
現(xiàn)代的示波器允許用戶選擇記錄長度,以便對一些操作中的細節(jié)進行優(yōu)化。分析一個十分穩(wěn)定的正弦信號,只需要500 點的記錄長度;但如果要解析一個復(fù)雜的數(shù)字數(shù)據(jù)流,則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。
觸發(fā)能力
示波器的觸發(fā)功能在正確的信號位置點同步水平掃描,決定著信號特性是否清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單脈沖波形。關(guān)于觸發(fā)性能的更多的信息請參考性能術(shù)語和應(yīng)用的觸發(fā)器部分。
有效比特
有效比特是示波器準確再現(xiàn)正弦信號波形的能力的度量。這個度量將示波器的實際錯誤同理論上理想的數(shù)字化儀進行比較。由于實際的誤差數(shù)包括噪聲和失真,所以,必須指定信號的頻率和幅度。
頻率響應(yīng)
僅僅采用帶寬是不足以保證示波器準確捕獲高頻信號的。示波器設(shè)計的目標是一個特定類型的頻率響應(yīng):最大平坦包絡(luò)時延(MFED)。此類型的頻率響應(yīng)用最小的過沖和阻尼振蕩,提供極好的脈沖逼真度。由于數(shù)字示波器是由實際的放大器、衰減器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、連接器和繼電器組成,MFED響應(yīng)只是對目標值的一個逼近。不同模型和不同制造商的產(chǎn)品的脈沖逼真度有著很大的不同(圖46 說明了這一概念)。
垂直靈敏度
垂直靈敏度指示垂直放大器對弱信號的放大程度,通常用每刻度多少毫伏(mv)來表示。多用途示波器能檢測出的最小伏特數(shù)的典型值約為1mv 每垂直顯示屏刻度。
掃描速度
掃描速度表征軌跡掃過示波器顯示屏的速度有多快,使您能夠發(fā)現(xiàn)更細微的細節(jié)。示波器的掃描速度用時間 (秒) / 格表示。
增益精度
增益精度是表征垂直系統(tǒng)對信號的衰減或放大的準確程度,通常用多少百分比誤差來表示。
水平準確度(時間基準)
水平或者時基準確度是指在水平系統(tǒng)中,顯示信號的定時的準確程度,通常用多少百分比誤差表示。
垂直分辨率(模數(shù)轉(zhuǎn)換器)
模數(shù)轉(zhuǎn)換器的垂直分辨率,也就是數(shù)字示波器的垂直分辨率,是指示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值的精確程度。垂直分辨率用比特數(shù)來度量。計算方法能提高有效的分辨率,例如高分辨率捕獲模式。請參考示波器系統(tǒng)和控制部分的水平系統(tǒng)和控制一節(jié)。