數(shù)字示波器的基本參數(shù)和選型

李秉睿 李小建 黃 龍

(1.云南電網(wǎng)電力研究院，云南 昆明 650217;2.云南電網(wǎng)公司麗江供電局，云南 麗江 674100)

1 前言

數(shù)字示波器集信號采集、波形顯示、存儲和處理功能于一體，成為信號測量和處理不可缺少的工具。根據(jù)被測信號的性能正確地選擇示波器非常重要。

2 數(shù)字示波器的類型

按性能劃分?jǐn)?shù)字示波器可大致分為三個類型:數(shù)字存儲示波器、數(shù)字螢光示波器和數(shù)字采樣示波器。

1)數(shù)字存儲示波器:是常規(guī)數(shù)字示波器，它的特點是顯示部分是光柵屏幕，而不是螢光。數(shù)字存儲示波器常用于捕獲和顯示只發(fā)生一次的事件。它的一些子系統(tǒng)與模擬示波器相似，但有更多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)。因此能夠收集和顯示整個波形數(shù)據(jù)。從捕獲信號到屏幕顯示，數(shù)字存儲示波器采用串行處理體系結(jié)構(gòu)。

2)數(shù)字螢光示波器:采用并行結(jié)構(gòu)，微處理器與集成的捕獲系統(tǒng)一起并行工作，完成從顯示管理、自動測量和設(shè)備調(diào)節(jié)控制的一系列工作，且不影響波形的捕獲。因此數(shù)字螢光示波器能提供高速的波形采樣率。數(shù)字螢光示波器有類似模擬示波器的顯示屬性，并能實時顯示時間、幅度及以時間為參變量的幅度變化的三維信號。數(shù)字螢光示波器采用完全的電子數(shù)字螢光(其實質(zhì)是不斷更新數(shù)字螢光數(shù)據(jù)庫)，信號的可視化程度很高。

3)數(shù)字采樣示波器:主要用于需要高采樣率的場合。當(dāng)測量高頻信號時，普通示波器不能在一次掃描中采集足夠的樣值，而采用比普通數(shù)字示波器采集能力高一個數(shù)量級的采樣示波器卻容易做到。在測量重復(fù)信號時，它能達(dá)到的帶寬和高速定時都十倍于其它示波器。這種示波器的高速采樣能力是置換了衰減器/放大器與采樣橋的位置而得到的。示波器采樣后，采樣橋的信號頻率已變低，可采用低帶寬放大器，因此，整個儀器的帶寬得到增加。但由于在采樣橋之前沒有衰減器/放大器，所以不能對信號進(jìn)行縮放。因此大多數(shù)采樣示波器的幅度測量動態(tài)范圍都限制在1V(峰—峰值)左右，而相應(yīng)的數(shù)字存儲示波器和數(shù)字螢光示波器則為50V到100V的輸入信號。

3 數(shù)字示波器的基本參數(shù)

3.1 帶寬

示波器的帶寬定義是:正弦輸入信號衰減到其實際幅值的70.7%時的頻率值，用對數(shù)坐標(biāo)表示是－3ab點。

數(shù)字示波器的帶寬是指數(shù)字示波器模擬信號電路的頻帶寬度，是對數(shù)字示波器的模擬前端而言的，而采樣率與數(shù)字示波器的采樣和模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換有關(guān)。

用通用數(shù)字示波器或數(shù)字化儀器測量信號時，被測信號必須先通過數(shù)字示波器的前置放大器等模擬部分，才能采樣和進(jìn)行模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換。如果數(shù)字示波器的模擬通道部分不能讓被測信號的全部諧波分量進(jìn)入示波器，則進(jìn)入示波器的信號將失真，而數(shù)字示波器采樣再多，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換再快，還原的波形再正確，也只得到了一個失真的波形。因此數(shù)字示波器的帶寬是一個非常重要的參數(shù)。

如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨被測信號的高頻變化，測量到的波形的幅值將失真、邊緣消失、細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將得不到，采集到的所有信號特性都毫無意義。

示波器的帶寬應(yīng)高于被測信號的最高頻率3～5倍。3倍時被測信號的測量誤差將達(dá)到5.5%左右，5倍時被測信號的測量誤差將小于2%。2%的測量誤差對目前的工程信號測量來說是可以接受的，因此提倡測量儀器的帶寬應(yīng)5倍于被測信號的最高頻率。如果用1:1的頻率進(jìn)行測量，誤差將高達(dá)30%－40%。

3.2 采樣率

采集系統(tǒng)由采樣/保持器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D組成。采樣率即是衡量數(shù)字示波器采樣和A/D轉(zhuǎn)換速率的，用每秒多少個采樣點來表示，即MS/s。其中M代表兆，S代表采樣點，s代表時間秒。數(shù)字示波器采樣和A/D轉(zhuǎn)換速率越高，所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件的丟失率就越小。

為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號并避免混淆，數(shù)字示波器的采樣率必須至少是被測信號最高頻率的兩倍，這就是奈奎斯特定理。

3.3 上升時間

選擇示波器測量上升時間的能力依據(jù)類似帶寬的選擇依據(jù)，一般用下面的公式來計算測量特定信號類型示波器的上升時間:

示波器測量的上升時間=被測信號的最快上升時間÷5

這表示示波器能測量的上升時間應(yīng)比被測信號最快上升時間快5倍，與帶寬的選擇從數(shù)量上是基本一致的。示波器對上升時間測量越快對信號快速變換的捕獲也就越準(zhǔn)確。

3.4 記錄長度

數(shù)字示波器的記錄長度定義為構(gòu)成一個完整波形所需的采樣點數(shù)，它決定了示波器每個通道所能捕獲的數(shù)據(jù)量。實際測量中我們關(guān)心的是示波器對一個波形的記錄時間長度，由于示波器僅能存儲有限數(shù)目的波形采樣點，波形記錄時間要加長，采樣率就要下降，波形記錄時間與采樣率成反比。

現(xiàn)代的示波器允許用戶選擇紀(jì)錄長度，以便對被測信號的細(xì)節(jié)作更深的了解。分析一個穩(wěn)定的正弦信號，只需要500點的記錄長度;而解析一個復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要示波器有一百萬個或更多點的記錄長度。

3.5 實時采樣

工程測量中，很多信號都是單次或瞬態(tài)的。對這些只出現(xiàn)一次的信號，數(shù)字示波器采用的是實時采樣方式。實時采樣方式是數(shù)字示波器僅通過一次掃描波形，就能獲得足夠多的將被測波形精確地重構(gòu)出來的點。

對只發(fā)生一次的信號，必須在信號發(fā)生的同一時間內(nèi)對其采樣，如果采樣速率不夠快，高頻成分可能會混疊為低頻信號，引起顯示混疊。另外實時采樣必須用高速存儲元件，這也增加了對大信號量時的實時采樣的難度。

3.6 等時采樣

等時采樣主要用于重復(fù)信號的信息采集。對一個重復(fù)被測信號，數(shù)字示波器在一個采樣周期內(nèi)僅采一個或幾個點。通過連續(xù)不斷地n次采集，被測波形的信息被逐漸積累而成。利用這樣的方式，即使被測信號的頻率成分遠(yuǎn)高于示波器的采樣速率，示波器也能形成精確地采樣。

等時采樣只能對重復(fù)性信號進(jìn)行工作，由于不斷重復(fù)采樣，采樣速率可以達(dá)到很高的值，有的數(shù)字示波器標(biāo)示的幾十、上百“G”的采樣率，所標(biāo)示的就是等時采樣率。

4 基本參數(shù)之間的關(guān)系

4.1 帶寬與采樣率

如前所述帶寬是衡量數(shù)字示波器模擬部分采集信號的能力參數(shù)，是數(shù)字示波器的最基本參數(shù)之一。采樣率則是衡量是數(shù)字示波器模/數(shù)轉(zhuǎn)換的能力，從某種意義上說采樣率可以認(rèn)為是示波器的數(shù)字帶寬。為真實再現(xiàn)被測信號，在兩個帶寬下被測信號都應(yīng)該不失真。因此，通常情況下對測量單次信號而言，帶寬與采樣率有基本相同的量級，采樣率的大小應(yīng)與帶寬相配合，保證通過模擬部分后A/D變換的信號不失真即可。

4.2 帶寬與上升時間的關(guān)系

示波器的帶寬與的上升時間之間的關(guān)聯(lián)是通過一個系數(shù)k來確定的，即

式中fb—示波器帶寬，單位GHz

tr—示波器測量信號的上升時間，單位ns

k值介于0.35～0.45之間。即:

k值取決于示波器的頻率響應(yīng)特性曲線和對脈沖上升時間的響應(yīng)。對帶寬小于1GHz的示波器，k取0.35;對帶寬大于1GHz的示波器，k值通常介于0.40～0.45之間。

這樣已知示波器能測量信號的最快上升時間，可用下式得到示波器的帶寬。

反過來已知示波器的帶寬，也可由上式得到示波器能測量信號的最快上升時間。

4.3 記錄長度與采樣率

數(shù)字示波器的記錄長度是表征示波器每個通道能捕獲數(shù)據(jù)量大小的參數(shù)。對老式的數(shù)字示波器而言，示波器每個通道的記錄長度的最大值是衡定(不變)的，而現(xiàn)代數(shù)字示波器允許用戶選擇不同的記錄長度。當(dāng)被測波形的持續(xù)時間改變時，如果對被測波形記錄長度不變，示波器的采樣率將下降，三個量之間的關(guān)系為:

式中 t—被測波形持續(xù)時間

l—示波器每通道記錄長度

s—采樣率

公式顯示，對被測波形持續(xù)記錄時間越長，采樣率越低，即單位時間內(nèi)采到的數(shù)據(jù)點越少。

4.4 實時采樣與等時采樣

實時采樣針對單次出現(xiàn)的瞬態(tài)過程，其特點是信號采集與信號發(fā)生同時進(jìn)行，并且示波器有足夠的采樣率。等時采樣用于對重復(fù)性信號的測量。在每一個信號重復(fù)周期示波器采集信息，n個周期后，采集到的數(shù)據(jù)點足夠精確顯示被測信號。

實時采樣的采樣率是單次的，它是表征數(shù)字示波器轉(zhuǎn)換數(shù)率的真實參數(shù)，是示波器的固有采樣率。固有采樣率與帶寬的值相差不大。

5 結(jié)論

1)數(shù)字示波器按功能劃分，大致可分為三個種類:存儲、螢光和采樣示波器。

2)帶寬是衡量數(shù)字示波器模擬回路信號通過能力的重要參數(shù)，帶寬不夠被測信號失真。帶寬應(yīng)是被測信號最高頻率的5倍。用1:1的帶寬頻率進(jìn)行測量，誤差將高達(dá)30%－40%。

3)按奈奎斯特定理數(shù)字示波器的采樣率必須至少是被測信號最高頻率的兩倍。信號的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于示波器的采樣率和信號還原的插值法。使用正弦插值法采樣率至少是被測信號最高頻率成分的2.5倍。使用線性插值法則至少是10倍。

4)示波器能測量的上升時間應(yīng)比被測信號最快上升時間快5倍，示波器對上升時間測量越快對信號快速變換的捕獲也就越準(zhǔn)確。

5)采樣率的大小應(yīng)與帶寬相配合，保證通過模擬部分后A/D變換的信號不再失真即可。

6)數(shù)字示波器的記錄長度與采樣率成反比，對被測波形持續(xù)記錄時間越長，采樣率越低。

7)實時采樣針對單次瞬態(tài)過程，其信號采集與信號產(chǎn)生同時進(jìn)行。等時采樣用于對重復(fù)性信號的測量。

8)數(shù)字示波器的選擇根據(jù)需要和基本參數(shù)進(jìn)行，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和真實性應(yīng)嚴(yán)格按照基本參數(shù)加倍原則選型。

［1］李明生.電子測量與儀器［M］.北京高等教育出版社，2004.1.

［2］丁玉美等.數(shù)字信號處理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，1994.6.

［3］吳正毅.測試技術(shù)與測試信號處理［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1991.4.

［4］S.Tumanski周衛(wèi)平等譯.電氣測量原理與應(yīng)用［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.10.