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数字示波器特性及其应用要点
1
数字示波器
的主要特性
电信号及类似自然现象可大致归为两类,一类是呈周期性分布的重复信号,另一类是单次或随机出现的信号;前者可以利用模拟示波器很好的进行观测,后者由于变化很快,在示波器屏幕上一闪而过,难以记录,这时就需要使用数字存储示波器。数字示波器利用模/数(A/D)转换器把模拟信号变为数字信号,然后存入随机存储器(RAM)中,待需要是再将存储的内容从RAM中调出,再通过数/模(D/A)转换器将其恢复为模拟信号,进而显示在示波器屏幕上。整体上看,数字存储示波器能够实现将波形“冻结”以供后续使用的能力,其主要性能指标包括如下方面:
(1)*大取样速率fmax。*大取样速率即单位时间内DSO完成的完整A/D转换的*高次数,fmax愈高,仪器捕捉信号的能力愈强;DSO在某个测量时刻的实际取样速率可根据其设定的扫描时间因数(t/div)计算,公式为: ,其中N为每格的取样数;t/div为扫描时间因数,即扫描一格所占用的时间,亦称扫描速度。
(2)分辨率。分辨率即存储信号波形细节的特性,包括垂直分辨率和水平分辨率;垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应,通常是以屏幕每格的分级数(级/div)表示;水平分辨率由RAM的容量来决定,通常以屏幕每格有多少个取样点(点/div)表示。
(3)存储带宽。存储带宽与取样速率密切相关,根据Nyquist取样定理,如果取样速率大于或等于信号*高频率分量的2倍,就能重现原信号波形。
(4)读出速度。读出速度指将存储的数据从RAM中读出的速度,常用(时间)/div表示。其中:时间即屏幕中每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期;使用时,应根据显示器或相关外部设备对速度的不同要求,选择不同的读出速度。
(5)存储容量。存储容量即记录长度,用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示,常以字(word)为单位;存储容量与水平分辨率在数值上为倒数关系,存储容量愈大,水平分辨率就愈高;但是存储容量并非越大越好,受到DSO*高取样速率的限制,若存储容量选取不恰当,往往会因时间窗口缩短而失去信号的重要成分,或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
以下,本文将尝试从DSO带宽和取样速率等角度,对其在工程应用中应注意的问题进行讨论。
2 采样速率对DSO带宽的影响
针对特定测量要求选择DSO时,首先考虑的因素往往是带宽需求问题,即需要多大的带宽才能较为**地对信号进行测量。事实上,某台DSO上标称的额定带宽(如100MHz)只是给出了DSO输入电路所允许通过的*大带宽,而DSO的所能捕捉、存储和显示的信号则取决于带宽、取样速率和存取容量三者的关系。
在特定扫描时间因数(t/div)下,DSO的显示窗口大小都是固定的,不可能实现t和存储容量同时达到*大化;因此重要的是能够保持取样速率f,以使存储容量得到*大限度的利用。通过简单的计算可知,每波形点数=取样速率f×t/div×分区数目,所以如果存储容量足够大,就可以支持取样速率保持恒定;换言之,在特定的存储容量之下,必须降低取样速率才能获取测量的时间区间。
结合Nyquist定理不难得出,DSO带宽受限于其f,在较低的扫描时间因数(t/div)下f会降低,而增大存储容量可以推迟f开始下降时间。因此在选择和调试DSO时,对其带宽的选择就主要取决于我们需要观测的信号:对于单次瞬变信号,我们需要较快的取样速率,而对于调制信号或趋势信号,则需要较大存储容量的DSO。如果无法改变设备选型,则应考虑调整设备的t/div设置,利用较低的t/div分析趋势信号,利用较高的t/div设置分析瞬变信号。
3 DSO带宽对被测信号的影响
实践中,DSO的波形测量是由DSO/探头系统共同组成的,由于带宽的无线平坦只能在理论上实现,因此事实上带宽的增加并不会带来相应的输入脉冲增加,其陡峭程度的增加会逐渐趋缓;换言之,DSO自身的带宽会对被测信号产生影响:
其中DSO的时间常数在0.35-0.45之间,而显示信号的上升时间则比其实际上升时间要慢,因此在选用DSO及其探头时,必须考虑带宽和DSO的上升时间。一般而言,对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上,采样率是带宽的4到5倍,也即实际上是信号的12到15倍。
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