了解示波器波形粗細(xì)屬性

示波器波形展示了真實(shí)的電子信號(hào)。在評(píng)估示波器性能時(shí)，可以考察它顯示與目標(biāo)信號(hào)形狀相同的波形的能力。假設(shè)示波器具備足夠的基本技術(shù)指標(biāo)——例如帶寬、采樣率和等頻率響應(yīng)，示波器應(yīng)當(dāng)顯示粗波形還是細(xì)波形更好一些？這個(gè)問(wèn)題的答案與大部分工程學(xué)問(wèn)題一樣：“視具體情況而定”。

現(xiàn)在我們研究一下示波器和信號(hào)的屬性，這些屬性有助于用戶確定是粗波形還是細(xì)波形。兩個(gè)關(guān)鍵屬性可使用戶了解他們的示波器顯示目標(biāo)信號(hào)的能力，分別是更新速率和噪聲。

更新速率對(duì)波形粗細(xì)的影響

更新速率表示示波器在 1 秒鐘內(nèi)采集、處理與顯示的波形數(shù)目。更新速率越高，示波器就能更迅速地顯示被測(cè)信號(hào)。更新速率越低，示波器就會(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)時(shí)間顯示與特定波形相關(guān)的細(xì)節(jié)。目前，示波器的更新速率范圍是在每秒鐘 100 萬(wàn)個(gè)波形到幾秒鐘 1 個(gè)波形。只需更改示波器的設(shè)置，同一款示波器就能顯示不一樣的速率范圍。更新速率會(huì)受到多個(gè)示波器設(shè)置的影響，包括更改采集存儲(chǔ)器的深度，這會(huì)對(duì)存儲(chǔ)器深度帶來(lái)極大影響。

讓我們看一個(gè)簡(jiǎn)單示例。圖 1 的上半部分顯示了兩款知名廠商生產(chǎn)的帶寬相等的示波器，示波器持續(xù)運(yùn)行并與完全相同的 10 MHz 正弦波連接。其中一款示波器顯示了較粗的波形，另一款顯示了較細(xì)的波形。這會(huì)導(dǎo)致測(cè)量值的不同。哪一種更加精確？?jī)煽钍静ㄆ鞯淖畲髤^(qū)別之一就是更新速率。使用相同的設(shè)置，其中一款示波器的更新速率為每秒鐘 100 萬(wàn)個(gè)波形，比另一款示波器的更新速率快 16,000 倍。

這一點(diǎn)對(duì)波形有何影響？圖 1 的下半部分顯示了當(dāng)開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，連接同一個(gè)信號(hào)的兩款示波器會(huì)如何顯示。兩款示波器都會(huì)構(gòu)建更長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的圖像。10 秒鐘后，示波器顯示了相同的波形形狀與波形粗細(xì)。在這種情況下，數(shù)據(jù)速率更高的初始示波器能夠顯示更粗的波形，更清晰地表現(xiàn)每個(gè)示波器的顯示內(nèi)容。通過(guò)開(kāi)啟無(wú)限余輝，我們能夠快速進(jìn)行評(píng)估。

圖 1. 兩款具有同等帶寬和近似噪聲的示波器連接到同一個(gè)信號(hào)。兩款示波器的噪聲類(lèi)似。上面截圖顯示了 Tek DPO5104A，它具有極窄的波形，提供更多細(xì)節(jié)。Agilent DSOX4104A 顯示的波形較寬。為什么有這種區(qū)別？原因在于更新速率。

開(kāi)啟無(wú)限余輝并等待 10 秒。兩款示波器顯示同樣粗細(xì)的波形。安捷倫示波器的更新速率為 100 萬(wàn)個(gè)波形/秒，而 Tek 示波器在常規(guī)模式下的更新速率僅為 60 個(gè)波形/秒。波形粗細(xì)與示波器向初始信號(hào)中添加的噪聲數(shù)量有關(guān)。

圖中文字中英對(duì)照

Both scopes are connected to the same signal, with the same settings Now with infinite persistence turned on.

兩款示波器連接到同一個(gè)信號(hào)，采用相同的設(shè)置現(xiàn)在開(kāi)啟無(wú)限余輝。

示波器噪聲對(duì)波形粗細(xì)的影響

示波器測(cè)量的精度如何？通常從水平時(shí)基的角度看，示波器的測(cè)量精度極高，但從垂直時(shí)基的角度上看，精度就會(huì)顯著降低。原因是什么？一個(gè)主要原因是噪聲對(duì)測(cè)量帶來(lái)的干擾。示波器生成的內(nèi)部噪聲與被測(cè)信號(hào)耦合，由此造成信號(hào)卷積，噪聲在連續(xù)樣本中進(jìn)行數(shù)字化、存儲(chǔ)、處理和顯示。示波器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器無(wú)法區(qū)分由示波器產(chǎn)生的噪聲和由實(shí)際目標(biāo)信號(hào)產(chǎn)生的噪聲。但是，您可以運(yùn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試，以確定您的示波器對(duì)信號(hào)添加了多少噪聲。采取特定的設(shè)置組合，快速確定您的示波器將會(huì)產(chǎn)生多少噪聲，并對(duì)兩款示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比。

圖 2. 更新速率相同的兩款示波器連接到同一個(gè)信號(hào)。兩者所顯示的波形粗細(xì)大為不同。原因何在？4 GHz 示波器的噪聲高于 500 MHz 示波器。粗細(xì)不同的原因在于噪聲。

圖中文字中英對(duì)照

Both scopes are connected to the same signal, with the same settings
4 GHz bandwidth 500 MHz bandwidth

兩款示波器連接到同一個(gè)信號(hào)，采用相同的設(shè)置4 GHz 帶寬,500 MHz 帶寬

圖 2 顯示了兩款示波器正在查看同一個(gè) 10 MHz 正弦波。其中一個(gè)示波器顯示了更粗的波形。根據(jù)前文的示例，示波器是否因?yàn)榫邆涓斓母滤俾什拍茱@示更粗的波形？答案是否定的。兩款示波器在開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)具備相同的更新速率，其中一款示波器仍將顯示更粗的波形，而另一款則是顯示較細(xì)波形。區(qū)別在于，其中一款示波器的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于另一款示波器，噪聲差值會(huì)生成更寬的信號(hào)。其它的噪聲源包括位于測(cè)試設(shè)置中的有源和無(wú)源探頭。有源探頭一般使用示波器通道中的 50 ? 信號(hào)路徑，這些路徑的噪聲低于 1 M? 信號(hào)路徑。

如何快速了解某個(gè)示波器會(huì)產(chǎn)生多少噪聲？大部分示波器廠商會(huì)對(duì)特定型號(hào)進(jìn)行噪聲表征，并在產(chǎn)品技術(shù)資料中包含這些數(shù)值。如果廠商未提供，您可以主動(dòng)申請(qǐng)或自行查找。幾秒鐘即可完成測(cè)量。

斷開(kāi)所有輸入端與示波器前端的連接，將示波器設(shè)在 50 ? 輸入路徑。您還可以在 1M? 路徑上測(cè)試。啟用適量的采集存儲(chǔ)器，100Kpts 至 1Mpts 就足夠了。示波器啟用無(wú)限余輝，測(cè)量波形的高度。波形越粗，示波器產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲就越多。示波器在每個(gè)垂直設(shè)置中具有獨(dú)特的噪聲質(zhì)量。您能夠通過(guò)觀察波形粗細(xì)查看噪聲，還能借助電壓 AC 真有效值測(cè)量來(lái)量化噪聲，以進(jìn)行更多的分析。把垂直設(shè)置更改為更容易敏感的數(shù)值——100 mV 至 10 mv/格——您就能夠看到噪聲按照全量程垂直數(shù)值的百分比增長(zhǎng)，如圖 3 所示。

圖 3. 快速表征示波器的噪聲。斷開(kāi)所有輸入端。針對(duì)每個(gè)垂直設(shè)置中的通道進(jìn)行 Vrms AC 測(cè)量。

如果初始信號(hào)過(guò)窄，那么示波器就會(huì)降低噪聲并顯示較窄波形，可生成更好的視圖和測(cè)量結(jié)果。更改您的示波器設(shè)置以降低帶寬，由此消除了可導(dǎo)致信號(hào)過(guò)窄的寬帶噪聲。示波器廠商采取各種方法降低示波器固有噪聲，例如求平均值、高分辨率模式、帶寬限制。噪聲緩解設(shè)置非常適合那些具有低噪聲的示波器。

目標(biāo)信號(hào)

目標(biāo)信號(hào)既可以具備低噪聲也可以具有很高的噪聲。有時(shí)很難確定示波器上顯示的信號(hào)噪聲來(lái)自于目標(biāo)信號(hào)還是示波器的內(nèi)部噪聲。當(dāng)示波器的 ADC 進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化時(shí)，ADC 無(wú)法區(qū)分信號(hào)噪聲與示波器內(nèi)部噪聲。它保存 ADC 輸出信號(hào)并顯示相關(guān)數(shù)值。較粗波形能否表示您的測(cè)試信號(hào)或示波器？有幾種方法可以獲得解答。首先，使用前文提到的方法對(duì)示波器的內(nèi)部噪聲進(jìn)行快速評(píng)估。預(yù)計(jì)在每個(gè)采樣點(diǎn)上添加這種偏差。開(kāi)啟無(wú)限余輝，查看波形形狀是否變粗或者不變。

有趣的是，無(wú)限余輝還能展示示波器噪聲對(duì)目標(biāo)信號(hào)有何影響。對(duì)已知波形進(jìn)行快速測(cè)試，觀察示波器的波形在正常顯示模式和無(wú)限余輝模式下有何不同，由此簡(jiǎn)單了解一下示波器的噪聲和更新速率。如圖 4 所示，具有高噪聲、低更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì)顯示細(xì)波形，當(dāng)開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，它會(huì)生成粗波形。具有高噪聲、高更新速率的示波器將會(huì)立即顯示一個(gè)粗波形——無(wú)論被測(cè)信號(hào)是窄還是寬。具有低噪聲、低更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì)顯示細(xì)信號(hào)，當(dāng)開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，信號(hào)保持不變或者變粗（如果目標(biāo)信號(hào)也產(chǎn)生噪聲）。具有低噪聲、高更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì)正確顯示目標(biāo)信號(hào)，當(dāng)開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，已顯示波形的粗細(xì)保持不變。

圖 4. 啟用放大數(shù)學(xué)函數(shù)在波形上方垂直縮放，用戶通過(guò)查看垂直范圍包絡(luò)即可確定信號(hào)的噪聲大小。

圖中文字中英對(duì)照

Vertical zoom shows total noise height垂直縮放能夠顯示整個(gè)噪聲高度

平均值模式一般通過(guò)降低噪聲使波形變細(xì)。平均值模式可使示波器進(jìn)行連續(xù)采集，對(duì)每個(gè)已捕獲的點(diǎn)求平均值，如圖 5 所示。這種方法通過(guò)多次采集求取噪聲平均值，能夠降低示波器整體噪聲。平均值權(quán)衡包括：平均值法還會(huì)求取目標(biāo)信號(hào)值的平均值，并且僅針對(duì)重復(fù)信號(hào)。

高分辨率模式能夠降低噪聲，使波形更清晰地顯示被測(cè)信號(hào)，如圖 5 所示。該模式既支持重復(fù)信號(hào)，也支持單次捕獲信號(hào)。在高分辨率模式中，示波器對(duì)鄰近樣本求平均值，因而能夠降低整體噪聲。高分辨率模式需要權(quán)衡的一點(diǎn)是：示波器必須對(duì)樣本求平均值，由此得到的平均采樣點(diǎn)的出現(xiàn)頻率會(huì)低于比初始采樣點(diǎn)。這會(huì)降低有效采樣率和整體帶寬。

圖 5. 平均值模式適用于重復(fù)信號(hào)，顯著降低噪聲，可獲得精確的窄波形。

圖中文字中英對(duì)照
Averaging (n=4)平均值（n=4）

您是否還在思考細(xì)波形和粗波形的優(yōu)劣？您現(xiàn)在擁有一定的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和技術(shù)，能夠選擇一款更忠實(shí)再現(xiàn)您的目標(biāo)信號(hào)波形的示波器?；蛘?，您已經(jīng)選定某款示波器，您可以利用這些方法確定示波器如何顯示被測(cè)信號(hào)的細(xì)波形或粗波形。