測(cè)試中如何選擇數(shù)字示波器

數(shù)字示波器是一種通用測(cè)試儀表，本質(zhì)上是一種圖形顯示設(shè)備，相當(dāng)于具有圖形顯示的電壓表或萬用表，能在屏幕上直觀的顯示信號(hào)隨時(shí)間變化的波形，并對(duì)波形的周期、電壓、頻率等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析，廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，是工程師設(shè)計(jì)，調(diào)試，維修產(chǎn)品時(shí)的主要測(cè)試儀表，對(duì)測(cè)試工作起著舉足輕重的作用。

　　很多工程師在使用數(shù)字示波器時(shí)，都會(huì)遇到這樣一些問題：用計(jì)量合格的數(shù)字示波器測(cè)得的信號(hào)幅度和頻率等數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)與信號(hào)本身設(shè)計(jì)值相差很遠(yuǎn)，于是就去找電路的問題，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力后，卻一無所獲，不知問題出在哪里。此外，對(duì)于同一信號(hào)，使用不同數(shù)字示波器測(cè)得的結(jié)果卻不相同。

　　產(chǎn)生這些問題的原因與數(shù)字示波器的選擇有直接的關(guān)系。

　　1 數(shù)字示波器的主要性能指標(biāo)

　　在選擇數(shù)字示波器時(shí)，我們主要考慮其是否能夠真實(shí)地顯示被測(cè)信號(hào)，即顯示信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的一致性。

　　數(shù)字示波器的性能很大程度上影響到其實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的能力，下面根據(jù)其主要性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分析。

　　（1）帶寬

　　如圖1 所示，數(shù)字示波器帶寬指輸入不同頻率的等幅正弦波信號(hào)，當(dāng)輸出波形的幅度隨頻率變化下降到實(shí)際幅度的70.7％時(shí)的頻率值（即f- 3dB）。帶寬決定了數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。隨著信號(hào)頻率的增加，數(shù)字示波器對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確顯示能力下降。實(shí)際測(cè)試中我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)的頻率與數(shù)字示波器帶寬相近時(shí)，數(shù)字示波器將無法分辨信號(hào)的高頻變化，顯示信號(hào)出現(xiàn)失真。例如：頻率為100 MHz、電壓幅度為1 V 的信號(hào)用帶寬為100 MHz 的數(shù)字示波器測(cè)試，其顯示的電壓只有0.7 V 左右。圖2 為同一階躍信號(hào)用帶寬分別為4 GHz、1.5 GHz 和300 MHz 的數(shù)字示波器測(cè)量所得的結(jié)果。從圖中可以看出，數(shù)字示波器的帶寬越高，信號(hào)的上升沿越陡，顯示的高頻分量成分越多，再現(xiàn)的信號(hào)越準(zhǔn)確。實(shí)際應(yīng)用中考慮到價(jià)格因素（數(shù)字示波器帶寬越高價(jià)格越貴），經(jīng)過實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，我們發(fā)現(xiàn)只要數(shù)字示波器帶寬為被測(cè)信號(hào)最高頻率的3- 5 倍，即可獲得±3%到±2%的精度，滿足一般的測(cè)試需求。

圖1 頻率響應(yīng)曲線

圖2 同一階躍信號(hào)基于不同帶寬數(shù)字示波器的測(cè)量結(jié)果

　?。?）上升時(shí)間。

　　上升時(shí)間的定義為脈沖幅度從10％上升到90％的這段時(shí)間（如圖3 所示），它反映了數(shù)字示波器垂直系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。數(shù)字示波器必須要有足夠快的上升時(shí)間，才能準(zhǔn)確地捕獲快速變換的信號(hào)細(xì)節(jié)。數(shù)字示波器的上升時(shí)間越快，對(duì)信號(hào)的快速變換的捕獲也就越準(zhǔn)確。

　　一般數(shù)字示波器的上升時(shí)間和帶寬滿足以下公式：

　　其中，tr 為上升時(shí)間，f- 3dB 為頻帶寬度，k 為介于0.35- 0.45 之間的常數(shù)（不同型號(hào)的數(shù)字示波器取值不同，可以查閱相應(yīng)的說明書）。通過計(jì)算，并參考帶寬的選取原則，可以得出：只要數(shù)字示波器的上升時(shí)間小于被測(cè)信號(hào)的三分之一到五分之一，就能滿足一般的測(cè)試需求。

　　（3）頻率響應(yīng)。

　　頻率響應(yīng)為當(dāng)輸入不同頻率的等幅正弦波信號(hào)時(shí)的響應(yīng)性能，它包含從直流或交流低頻幾赫茲的正弦信號(hào)一直到無法顯示幅度的頻率為止的全部頻率范圍內(nèi)的幅度響應(yīng)。實(shí)際測(cè)量中只考慮帶寬性能還不足以保證數(shù)字示波器能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)原始信號(hào)，在對(duì)數(shù)字示波器計(jì)量工作中，我們發(fā)現(xiàn)有的數(shù)字示波器頻率響應(yīng)曲線在低頻段并不平坦，會(huì)出現(xiàn)較大的起伏，如果測(cè)試相應(yīng)頻率的信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。此時(shí)，即使數(shù)字示波器的帶寬比被測(cè)信號(hào)頻率高出很多，也不能真實(shí)重現(xiàn)信號(hào)。因此，在選擇數(shù)字示波器時(shí)，針對(duì)不同的被測(cè)信號(hào)，其頻率響應(yīng)也是重點(diǎn)考慮的性能指標(biāo)之一。

　?。?）采樣速率。

　　數(shù)字示波器的采樣速率表示為樣點(diǎn)數(shù)每秒（S/s）。采樣速率越快越能真實(shí)重現(xiàn)原始信號(hào)。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率要大于等于2 倍的被測(cè)信號(hào)頻率，才能不失真地還原原始信號(hào)。但這個(gè)定理的前提是基于無限長(zhǎng)的時(shí)間和連續(xù)的信號(hào)，在實(shí)際測(cè)試中，數(shù)字示波器的技術(shù)無法滿足此條件。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，數(shù)字示波器為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)原始信號(hào)，采樣速率一般為原始信號(hào)最高頻率的2.5- 10 倍。

　　2 探頭對(duì)測(cè)試的影響

　　在實(shí)際工作中，還必須使用探頭系統(tǒng)（包括探頭和探頭連接附件） 把被測(cè)電路的信號(hào)引入到數(shù)字示波器內(nèi)部，因此探頭系統(tǒng)的性能直接決定了引入到數(shù)字示波器的信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的一致性程度。

　　為獲得有效的測(cè)量結(jié)果，為了真實(shí)地重現(xiàn)被測(cè)信號(hào)，選擇探頭系統(tǒng)時(shí)主要考慮的以下三個(gè)因素為：

　　物理連接、對(duì)電路操作的影響最小以及與原始信號(hào)的一致性程度。對(duì)于前兩個(gè)因素需正確選擇探頭連接附件，最后一個(gè)因素則需要正確選擇探頭系統(tǒng)的帶寬。在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，帶寬是由系統(tǒng)內(nèi)帶寬最低的部分決定的，因此測(cè)試信號(hào)時(shí)探頭系統(tǒng)的帶寬也是必須考慮的因素之一。而同時(shí)，探頭系統(tǒng)也成為了被測(cè)電路的一部分，有一定的負(fù)載效應(yīng)。探頭系統(tǒng)的負(fù)載特性表現(xiàn)在三個(gè)方面：探頭系統(tǒng)的輸入電阻、電容和電感。與數(shù)字示波器配對(duì)的理想的探頭系統(tǒng)將最小化這種負(fù)載特性，充分發(fā)揮數(shù)字示波器真實(shí)再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的能力、特性和容限。因此選擇探頭系統(tǒng)時(shí)，最好選用廠家所推薦的探頭型號(hào)，并按功能選擇相應(yīng)的連接附件。

　　3 結(jié)語

　　綜上所述，實(shí)現(xiàn)信號(hào)完整性的能力是測(cè)試中選擇數(shù)字示波器的核心衡量標(biāo)準(zhǔn)，影響數(shù)字示波器信號(hào)完整性的實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)因素是：數(shù)字示波器的帶寬、上升時(shí)間、頻率響應(yīng)、采樣速率和探頭系統(tǒng)的帶寬和負(fù)載效應(yīng)。在實(shí)際購買時(shí)，為了取得最優(yōu)性價(jià)比，可以遵循以下原則：數(shù)字示波器帶寬為被測(cè)信號(hào)最高頻率的3- 5 倍，上升時(shí)間小于被測(cè)信號(hào)的三分之一到五分之一，頻率響應(yīng)曲線平坦，采樣速率為被測(cè)信號(hào)最高頻率的2.5- 10 倍，同時(shí)選擇廠家推薦的探頭系統(tǒng)，即可滿足一般的測(cè)試需求。