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示波器中不同参数代表的含义

2022-06-13 10:50:16

     提起示波器想必大家都已经非常熟了,电子工程师的日常操作中就离不开它。对于经常使用的工程师,了解波器测量系统的质量是极为重要的。辨别质量的好坏可以通过检查一些关键指标如带宽、采样率、存储深度等,面对经验更加丰富的工程师还会通过比较示波器的波形捕获率、本底噪声、ADC分辨率等一些不太注意的指标,来评价示波器,以此来确保进行更好的测量。


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      因此仪器中的一些参数也十分的重要,对于一些重要参数大家可能不会弄错。但有一些极为甚小的参数却往往被忽略,导致测量结果出现错误。今天的内容就一起来聊聊那些被忽略的参数吧!


1、波形捕获率

     示波器的波形捕获率:单位为“wfm/s”转换为中文通常被称作“次/秒”、“帧/秒”。又可称之为“波形刷新率”、“波形触发率。

    先可以先了解另外一个概念,显示刷新率:显示刷新率代表的则是屏幕每秒钟刷新的次数,正常情况下人的肉眼刷新率大概约是60Hz左右,大家平常眼睛看到的示波器上面的波形在不断的变化,可是肉眼能观察信号的变化的速率只有60Hz左右,60次/秒。眼睛看到示波器上的波形在“不停地”变化,可实际上波形此次变化直到下次变化之间所对应的信号中有“极大量”的信号都已经“被漏失”了,大多数的信号并没有显示在示波器的屏幕上。

     现在我们再回到波形捕获率这个问题上,在此可知道数字示波器显示波形的过程:信号通过探头后进入示波器输入通道,进入放大器,ADC,采集存储器,之后示波器会将采集存储器中的数据点传输到CPU单元进行显示处理,测量和运算。数字示波器采样、处理数据都需要一定的时间,因此这段时间称为死区时间。简单来说就是在这个时间段内的示波器不采样,所以实际上不是所有波形我们都可以在屏幕上看到,我们看到的波形实际上是被分隔成一段一段的。如下所示:


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     同样波形捕获率也不是一直没有变化的,它会受到示波器水平刻度、记录长度、采样率以及所选后处理功能(数学函数、测量和分析)等因素的影响。

     可以简单的计算一下:示波器屏幕的水平轴是1us,较好的状态下无死区时间捕获的话1s时间能够捕获1百万个屏幕,现在示波器的波形捕获率一般在几万到几十万之间,对比可知捕获的波形漏失了许多。


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      假设示波器屏幕的水平轴是1ms,理想状态无死区时间捕获的话1s时间可以捕获1千个屏幕,此时示波器是不是能够无缝捕获波形了呢?


      我们可以知道的是记录长度越大,数据处理的时间也就越长,波形捕获率也就越低。


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     高波形捕获率在示波器采集很短时间内能够提高捕获异常信号的几率,但这样也不能确保信号都被捕获,对此问题示波器有没有不漏失信号的采集方法呢?


2、示波器采用滚动模式(ROLL)模式采集

     优点:示波器把每一个采样点全部显示到了屏幕上,没有死区时间。

     缺点:只有记录长度大的示波器才能保证高采样率。


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3、深存储的利用

     采用大容量存储记录下来的波形数据量很大,波形很密集,不便进行观察,需要有更好的工具来分析。

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     采用大容量存储记录下来的波形数据量比较大,波形也十分密集,不便进行观察,需要有更好的工具来分析。

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3、噪声指标

     示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪声是判断示波器测量质量的一个很好指标,噪声的大小可以告诉用户示波器的前端和ADC电路设计得有多纯净,考虑到示波器的底噪声会增加额外的抖动且减小设计裕量。正常情况下,示波器带宽越高,其内部噪声也会越高。

     在现阶段高质量示波器的底噪声已经能够达到200uV甚至是更加低。


4、ADC指标

     之前介绍示波器基础的时候已经了解过示波器采样率,采样率是ADC的基本指标之一。ADC的分辨率:代表着ADC的位数,示波器通常是8位ADC,它可以分辨的小量化电平为参考电平(满量程)的256分之一。

     ADC的精度:是幅度测量结果与信号实际幅度的接近程度。某些数字示波器采用高分辨率ADC,数据上可能看到它们的精度要高于8位产品,但实际上不一定是这样的。对于高频示波器还引入了有效位数(ENOB)这一评价指标。


5、使用采样技术提升垂直分辨率

     数字示波器还能够采用数字信号处理来提升数字示波器的垂直分辨率,以下主要介绍以下两种方法:

    • 平均采集模式。

    • 高分辨率采集模式。


    1.平均采集模式

     平均采集模式:是多次触发采集重复的信号,然后经过使用来自两次或两次以上采集的数据,此类模式逐点平均采集中对应的数据点,形成输出波形。

    • 优点:平均模式改善了信噪比,降低了与触发无关的噪声,提高了垂直分辨率。

    • 缺点:要经过多次触发采集,在此只可以观察重复信号。

    算术平均:


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    指数平均:


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    平均采集模式增强分辨率:


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    2.高分辨率采集模式

    高分辨率采集模式:通过计算及显示多个顺序样点的波形串平均值来实现。单次采集也可以使用,高采样率为大采样率的一半。


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     高分辨率采集模式增强分辨率:


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    高实现12位的分辨率。


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