深入分析示波器測(cè)試中的假波現(xiàn)象

在工程師使用示波器測(cè)量信號(hào)時(shí)，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的時(shí)基檔下所測(cè)到的波形頻率不同。如果這個(gè)信號(hào)并非是疊加信號(hào)，那么可能就是示波器出現(xiàn)假波現(xiàn)象了。本文重點(diǎn)分享示波器假波現(xiàn)象的形成原因以及處理方法。

一、數(shù)字示波器的假波現(xiàn)象

圖 1.數(shù)字示波器觀察到的假波現(xiàn)象

在使用數(shù)字示波器時(shí)，是否會(huì)遇到輸入信號(hào)頻率為10MHz，而示波器測(cè)量出來(lái)卻是遠(yuǎn)小于10MHz頻率的信號(hào)波形，你可能會(huì)認(rèn)為這是一個(gè)高頻率小信號(hào)疊加低頻率大信號(hào)，請(qǐng)不要急著做這樣的結(jié)論，可能此時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了假波現(xiàn)象了。

圖1給出信號(hào)實(shí)際波形和假波的圖形，從圖中可以直觀的看出假波和實(shí)際波形的區(qū)別。隨后會(huì)討論假波形成原因、特征以及如何判斷測(cè)量中是否出現(xiàn)假波現(xiàn)象。

二、假波現(xiàn)象形成的原因

了解假波現(xiàn)象如何形成，就得要知道數(shù)字示波器的工作原理。圖2是數(shù)字示波器工作原理框圖，與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止。對(duì)樣值存儲(chǔ)后，數(shù)字示波器再重構(gòu)波形。顯然示波器是否能重現(xiàn)真實(shí)的信號(hào)波形，其中關(guān)鍵的步驟就是采樣。根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，要保證信號(hào)在恢復(fù)時(shí)不發(fā)生混迭現(xiàn)象和失真，采樣率至少為信號(hào)最高頻率帶寬的2倍以上?？上攵?，如果示波器采樣速率不高，無(wú)法建立起精確的波形記錄時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)假波現(xiàn)象，如圖1所示顯示為低頻信號(hào)波形，或者觸發(fā)顯示為不穩(wěn)定的波形。

圖 2.數(shù)字示波器工作原理框圖

三、假波現(xiàn)象的判斷方法

在實(shí)際測(cè)量中可以通過(guò)以下4個(gè)方法判斷示波器測(cè)量的波形是否為假波。

注：測(cè)試輸入為10MHz，峰峰值800mV的正弦波信號(hào)。所用示波器是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司自主研發(fā)的ZDS1104，帶寬100MHz，最大采樣率1GSa/s，最大儲(chǔ)存深度28MKpts，支持4通道輸入。

1.旋轉(zhuǎn)“t/div”旋鈕改變水平時(shí)基檔，如果波形形狀劇烈變化，則可能出現(xiàn)假波現(xiàn)象。

圖 3.水平時(shí)基20us/div、采樣率50MSa/s

圖 4.水平時(shí)基100us/div、采樣率10MSa/s

從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)水平時(shí)基檔從“20us /div”增加到“100us /div”時(shí)，波形發(fā)生劇烈變化，頻率為10MHz的信號(hào)示波器測(cè)量為4.98KHz，可以判斷時(shí)基檔在“100us /div”出現(xiàn)波形為假波。

數(shù)字示波器采樣率fs和水平時(shí)基檔(t/div)有如下關(guān)系：

其中數(shù)字示波器最大采樣速率N是一個(gè)定值，可知水平時(shí)基檔越大，采樣率越小。水平時(shí)基檔增加到“100us /div”時(shí)，采樣率也從50MSa/s減小到10MSa/s，根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，此時(shí)的采樣率小于信號(hào)頻率的2倍，也就不能正確的重現(xiàn)波形了。

2.選擇“峰值”捕獲模式，如果波形形狀劇烈變化，則可能有假波現(xiàn)象。

圖 5.標(biāo)準(zhǔn)捕獲模式

圖 6.峰值捕獲模式

“峰值”捕獲模式，示波器將對(duì)最大值和最小值進(jìn)行取樣，因此可以檢測(cè)更快的信號(hào)。圖6中，捕獲模式由“標(biāo)準(zhǔn)”改為“峰值”，采樣率同樣是10MSa/s，示波器顯示的波形形狀劇烈變化?？膳袛喑鰣D5中示波器顯示波形為假波。

3.改變儲(chǔ)存深度大小，如果波形形狀劇烈變化，則可能有假波現(xiàn)象。

圖 7.儲(chǔ)存深度14Kpts

圖 8.儲(chǔ)存深度700Kpts

示波器的儲(chǔ)存就是把經(jīng)過(guò)A/D數(shù)字化后的二進(jìn)制波形信息存儲(chǔ)到示波器的高速CMOS內(nèi)存中，內(nèi)存的容量就是儲(chǔ)存深度。儲(chǔ)存深度M與采樣率fs有這樣的關(guān)系：

由以上關(guān)系可知，提高示波器的儲(chǔ)存深度可以間接提高示波器的采樣率。圖8中，儲(chǔ)存深度由14Kpts改為700Kpts，波形形狀發(fā)生劇烈變化，可判斷出圖7示波器顯示波形為假波現(xiàn)象。仔細(xì)觀察圖5、圖6和圖7，都是由于示波器設(shè)置儲(chǔ)存深度過(guò)小，導(dǎo)致采樣率不足造成假波的產(chǎn)生。

4.選擇“峰峰值測(cè)量”，在改變水平時(shí)基檔、儲(chǔ)存深度或者選擇“峰值捕獲”，當(dāng)波形出現(xiàn)劇烈變化時(shí)，若峰峰值不改變，則出現(xiàn)假波現(xiàn)象。

圖3至圖8中都標(biāo)出了峰峰值測(cè)量“PK-PK”，當(dāng)水平時(shí)基檔、儲(chǔ)存深度和捕獲模式改變，無(wú)論示波器顯示信號(hào)波形怎么變化，但是峰峰值800mV并沒(méi)有發(fā)生變化，可以說(shuō)明示波器顯示的波形為假波現(xiàn)象。

五、總結(jié)

l假波現(xiàn)象只會(huì)出現(xiàn)在數(shù)字示波器中，現(xiàn)在市場(chǎng)上基本都是數(shù)字示波器。

l假波現(xiàn)象是由于采樣率不足導(dǎo)致的。示波器最大的采樣率是固定的，實(shí)際采樣率是可變的，