示波器基础与原理

1、数字示波器基础世强电讯 1目录数字示波器用途数字示波器的工作原理数字示波器的主要指标及功能数字示波器的探头2波的常规类型：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波噪声波 调制波形从频域看，任何波形都可以分解成多个正弦波的叠加周期信号和非周期信号数字示波器用途数字示波器 - 在时域上捕获、观察、测量和分析波形的工具3数字示波器工作原理简图显示显示显示处理器采集输入信号放大器ADC采集存储器数学处理器&协处理器应用软件RAM测量与分析存档可存储到软盘,USB盘,硬盘连接到计算机打印机的数据总线触发器2134操作系统4数字示波器基本工作原理采集捕获放大器放大和调整输入的模拟信号达到模/数变换器

2、所需电平，模/数变换器将模拟信号转换为数字信号，存储器将转换后的数字信号进行存储，触发电路触发和同步满足触发条件的信号，显示存储后的信号经过运算和处理形成显示的波形测量和分析对显示的波形进行参数测量和波形运算分析存档对波形及测量结果进行存储和打印数字示波器 - 在时域上捕获、观察、测量和分析波形的工具5示波器的典型结构放大器DC耦和AC耦和高频抑制低频抑制噪声抑制采集信号存储器uP显示存储器A/D时基电路晶体振荡器AC取样时钟来源通道2通道1DC地来源通道3EXT外触发触发单元采集&存储单元显示单元放大器单元输入单元数据处理输入阻抗：50欧，1M欧6数字示波器主要指标和性能捕获（示波器5个重要

3、指标）带宽采样率存储长度波形更新率触发功能观察显示分辨率辉度等级测量和分析 参数测量波形运算存档 可扩展性77000系列示波器型号和主要指标型 号带 宽采 样 率存 储 器通 道 数DSO7012B 100 MHz 2Gsa/s MegaZoom 深存储器 8 Mpts存储器 2ch7014B4ch7032B350 MHz 2ch7034B4ch7052B500 MHz 4Gsa/s 2ch7054B4ch7102B1GHz 2ch7104B4chMSO7012B100 MHz 2Gsa/s 2+16ch7014B4+16ch7032B350 MHz 2+16ch7034B4+16ch7052

4、B500 MHz 4Gsa/s 2+16ch7054B4+16ch7104B1GHz 4+16ch波形捕获率: 10万次/ 每秒85000系列示波器型号和主要指标型号带宽采样率存储深度DSO5012A100MHz2GSa/s 1M，选件8MDSO5014A100MHz2GSa/s1M，选件8MDSO5032A300MHz2GSa/s 1M，选件8MDSO5034A300MHz2GSa/s 1M，选件8MDSO5052A500MHz4GSa/s 1M，选件8MDSO5054A500MHz4GSa/s1M，选件8M波形捕获率: 10万次/ 每秒9100%（0dB）71%（-3dB）频率幅度示波器带

5、宽定义：测量等幅扫频信号时幅频特性下降-3dB时的频率范围。前端放大器带宽不够将丢失高频成分及幅度衰减示波器模拟带宽是指放大器所能通过信号的频率范围带宽10上升时间测量上升时间上升时间通常定义从幅度的10跃升至90处所对应的时间，11 仪器上升时间：t仪器上升时间 = 0.35/带宽 测量上升时间：t测量上升时间 t信号上升时间2 t仪器上升时间2带宽与上升时间的关系示波器输入信号示波器显示信号（实际测量）示波器带宽将影响测量信号的上升时间精确度 12测量信号的上升时间，示波器带宽将影响测量结果示波器带宽 vs上升时间测量精确度待测信号 tr / 示波器 tr上升时间测量误差1:141.4%3

6、:15.4%5:12.0%10:10.5%如需精确测量: 示波器带宽 最高信号频率的3-5倍 ! 13不同带宽示波器观察50MHz方波的结果60MHz示波器100MHz示波器350MHz示波器500MHz示波器14频谱频率频谱频率示波器的带宽对信号测试的影响tr使上升时间变缓、使幅度衰减 tr足够的带宽精确的复现波形被测信号带宽不足够观察到失真的波形足够的带宽才能覆盖更高频率的谐波成分 ！1513GHz bandwidth = 406uV/p-p = 4.3mV10GHz bandwidth= 365uV/p-p = 3.6mV6GHz bandwidth= 278uV/p-p = 2.8mV

7、带宽越大越好吗？示波器底噪与带宽相关，带宽越大，噪声电平越高！80000B示波器的降噪选件16示波器的放大器衰减器在不同垂直刻度下带宽未必一样= 5mV/div (用10:1探头则是=50mV/div)，全带宽2mV/div (用10:1探头则是=20mV/div)，带宽下降1mV/div (用10:1探头则是=10mV/div)，带宽最低带宽 v.s. 底噪声 带宽越高，底噪声越大示波器大都有20MHz/25MHz带宽限制设置探头增加底噪声1：1 探头10：1 探头100：1，1000：1高压探头带宽v.s.垂直刻度vs.底噪声17实际产品举例 : TDS5000 & TDS700018采样

8、及采样率采样率不够将影响信号重组精度采样：将信号以一定的时间间隔采集，并进 行数字化的过程。采样率：采样点之间的时间间隔的倒数。奈奎斯特定律：采样率至少为信号最高频率带宽的2倍19采样技术1.单次采样（实时采样）2.等效时间采样（重复采样）20单次采样 仅触发一次即完成信号采集触发时间单次采样率1GSamples/sec对应两个取样点之间的间隔为 1ns仅触发一次捕获波形直至存储器满幅度 单次采样率需超过模拟带宽：波形重建用正弦内插Sin(x)/x时需大于4倍，线性内插时需大于10倍 适用捕获单次信号、重复信号，以及隐藏在信号中的毛刺和异常波形可将测试信号作为触发21线性对比正弦内插 3GHz

9、 正弦波以 20GSa/s 采样率捕获22仅可使用于重复信号采样点來自之前持续的触发经多次触发事件建立波形可形成高采样率1st 触发2nd 触发3rd 触发等效时间采样 需多次触发完成信号采集23输入信号高频谐波成份频率 耐奎斯特頻率(FN) 500MHz 带宽示波器 被测信号： 50MHz 时钟，具有 500ps上升时间1GSa/s(BW x 2)Equivalent-TimeSampling4GSa/s(BW x 8)2GSa/s(BW x 4)采样率不够，将出现波形混叠24采样时发生了什么？采样过程存储采样保持转换成为数据顺序存储显示选定部分的内存屏幕显示数字化8bit.1 1 0 1

10、1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 信号采样对应电压值：如1.5V25 存储长度 = 采样率 采集时间存储长度深存储的优点长存储可保证在同等时间下，以更高采样率采集波形长存储可保证在同等采样率下，采集更长时间的波形示波器对数字化波形的最大存储能力 26采样率与存储深度和时基的关系存储深度 =采样率 x采集时间 (采集时间 = 扫描时间/div x 10)举例 ：测试6MHz的电视视频信号、全帧20ms的时间， 需要采样率50 MSa/s 需要存储深度 = 50 MSa/s x 20ms = 1M Points （此时扫描时基为2ms /div，扫描时间为20ms ）27当时间挡位超

11、过某范围采样率会开始下降28雷达 无线通信因果调试发现随机或罕见的错误数据采集高频与低频混合系统视频信号需要长存储的测试Agilent 7000系列：8M = 4GSa/s X 2msAgilent 5000系列：1M = 4GSa/s X 250us29深存储确保长时间、高采样率捕捉窄毛刺采集的波形放大的波形 存储长度 = 采样率 采集时间 （修改）窄毛刺30波形的连续存储示波器的存储由两个方面来完成：触发信号和延时设定确定了示波器存储的起点；示波器的存储深度决定了数据存储的终点。触发点延时时间存储长度起点终点31分段存储 能更有效使用示波器的内存: 可以捕捉多个连续的波形段 可以选择在没有

12、信号时不采集 每个波形段都有精确的时间标签 可以对捕捉到的段进行后分析 将内存使用率最优化捕获窄的、重复周期长的信号 （如激光脉冲，雷达，串行脉冲组）32单位时间内示波器波形捕获和更新的速率快速波形更新率意味着两次采集期间的死区时间更短。快速波形更新率更容易发现罕见的问题。波形更新率死区时间采集时间采集时间死区时间死区时间：示波器不能捕获信号的时间，如：数字化过程、数据处理过程。33波形更新率是发现问题的关键慢的更新率快的更新率采集时间死区时间采集时间死区时间死区时间采集时间死区时间死区时间死区时间采集时间采集时间采集时间采集时间示波器每秒波形更新率 vs 数码像机自动连拍功能的连拍速度捕获的

13、概率取决于偶发信号的频率和示波器的波形更新率34深存储可能会带来的负面影响降低波形更新率用户操作控制仪器时反应速度降低捕获间的死区时间加长降低捕获毛刺与异常期信号的能力通常而言：存储深度与波形更新率是相互矛盾的35A/D第一代深存储示波器的结构MegaZoom 新一代深存储示波器的结构1 Gbit/s PCI busMegaZoom Custom ASICScopeCPUDeepAcquisitionMemoryScope DisplayA/DOptimized DataMegaZoom深存储技术工作原理在深存储时，依然满足快速的波形更新率DeepAcquisitionMemoryScopeD

14、isplayScopeCPU瓶颈在深存储时，较慢的波形更新率在采集与显示的捕获系统中间加入处理硬件安捷伦特有的 MegaZoom 芯片MegaZoom 存储管理工具乒乓捕获存储数据在硬件中做预处理A/D36MegaZoom III 技术MegaZoom技术令Agilent示波器成为业界 独一无二的深存储快响应示波器！10万次波形/秒的更新率！示波器的正常操作模式不受采样率的限制不受存储深度的限制能保证在各种状态下波形的采集及波形刷新速率达到最大值扩展放大（Zoom）功能能适用37MegaZoom技术示波器捕获、观察波形抖动噪声毛刺毛刺在常规模式下，也能看到所有的抖动、噪声和罕见的毛刺10万次波

15、形/秒的更新率！256个彩色灰度等级显示分辨率1024 x 76838泰克TDS3000B与安捷伦 DSO5000A波形更新率比较 安捷伦 DSO5000A （1M存储长度） 常规工作模式下，波形更新率100000次波形/秒泰克TDS3000B（10K存储长度） Normal常规工作模式下，波形更新率仅700次波形/秒 快刷新Fast trigger工作模式下，波形更新率仅3600次波形/秒39快刷新的实时比较：MSO7054A 与 MSO4054A精确的信号重现丢失信号显示毛刺丢失 90%毛刺丢失 100%毛刺MSO7054AAgilentTekMSO4054A40测量波形更新率Agilen

16、t ConfidentialApril 9, 2007BNC连线 计数器计算触发脉冲数，可知波形更新率被测示波器每次示波器触发和捕获数据，示波器触发输出 BNC端口就发出一个脉冲41波形更新率比较 - 改变：扫描时基，存储长度，通道数，串行解码TimebaseSettingOptimized Memory2Analog+Digital+SerialOptimized Memory2Analog+Digital+Serial20 ns/div1k2,50013025/5Auto95,00095,00095,000/60200 ns/div10k32,00012530/5Auto73,00073,

17、00073,000/602 s/div100k3,70012545/2Auto19,00019,00019,000/6020 s/div1M16511190/1Auto2,0002,0002,000/60200 s/div10M121210/0.2Auto460460460/60 Agilent MSO7000 Tek MSO400042为什么会有如此不同?相对于恒定的存储深度和采样速率，采集时间是固定的。随着更新速率的降低，死区时间会加大。Agilent 7000的结构集显示存储器， 波形复现器, 存储控制器和采集存储器于一身单个芯片的设计优化了模拟，数字和串行信号的更新速率。信号采集时间信

18、号的处理时间（死时间）如此反复地重复着其它供应商的示波器是采用多个芯片的结构来完成这个任务。芯片间的通讯时间再加上通过软件实现串行解码大大地降低了波形更新速率并使得整体性能大打折扣。43Agilent MSO7000/7000 框图MSO输入模/数转换器衰减器存储控制器采集存储器波形绘图器波形显示存储器显示控制器触发器放大器信号输入Agilent 7000系列 ，用相同的SOC ASIC处理模拟和数字输入信号，实现MSO混合测试的最大刷新率44MegaZoom 技术示波器的架构图45采样率存储长度波形更新率多盲点 近视现象，视野狭窄混叠假象信心范围测量信心的铁三角46数字示波器时基和触发电路时

19、基指示波器的水平扫描时间，它由示波器水平系统来决定。时基电路是一个晶体振荡器，通过测量触发信号和取样时钟之间的时间差，微 处理器便可确定将波形取样放在显示器的位置。波形的最重要参数上升时间测量是由示波器的带宽及时基的精度共同决定的。放大器DC耦和AC耦和高频抑制低频抑制噪声抑制采集信号存储器uP显示存储器A/D时基电路晶体振荡器AC取样时钟来源通道通道1DC地来源通道EXT外触发触发比较器电路输入阻抗：50欧，1M欧47示波器的触发触发电路的作用保证每次时基扫描时，都从触发点开始，使每次扫描的波形同步，从而显示稳定的波形。321不正常触发正常触发示波器提供了许多触发方式，根据测量波形加以应用。

20、作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。触发种类 硬件触发，软件触发48 数字示波器的一个最显著特点是可观看触发前的事件，这是因为数据被连续地存储和刷新到Pre-Trigger内存中。预触发/后触发 采样点数字化 时间等间隔 可选的预/后触发49触发模式Auto（自动）无论是否满足触发条件，显示都自动刷新。Normal（常态）满足触发条件即触发，不满足触发条件即显示最后一次触发时的波形。Single（单次）满足触发条件，即停止采集波形，并显示第一个满足触发条件时的波形。50触发耦合DC耦合触发源直接连到触发电路触发。AC耦合触发源通过10Hz高通滤波器，从触发波形中移除DC偏移

21、电压。HF抑制触发源通过50kHz低通滤波器以抑制高频分量，使其按低频信号触发。LF抑制触发源通过一个高通滤波器以抑制其低频成分，对包含很多电源交流成分的信号触发很有用。噪声抑制触发源通过50kHz的高通滤波器滤出噪声，再连到触发电路。触发电路的耦合方式51触发功能触发方式沿触发上升沿、下降沿、交替沿脉宽触发大于、小于、范围内、范围外保持触发保持时间码型触发- H、L、XTV触发PAL、NTSC、SECAM , HDTV/EDTV串行总线触发I2C, SPI, USB, CAN , LIN逻辑触发 外触发触发带宽能够触发信号的最高频率触发抖动是数字示波器最大的时间误差来源示波器对信号的触发和同

22、步能力52毛刺触发（宽度触发）根据信号的波形宽度，设定触发电平和时间宽度( =， ，)，通过脉冲宽度触发比较器使示波器触发，捕获特定宽度的波形。t设定触发电平触发点关心的信号53保持触发(Hold off)信号在小周期内不重复，但在长时间内有周期性。触发要避免使每一次扫描起始都从信号不相同位置开始。保持触发在各次扫描之间加入延迟时间，使得扫描的每次触发总是从相同的信号沿开始，从而得到稳定的波形显示。延迟时间触发54码型触发如果输入通道的逻辑组合满足触发条件（高、低、任意）时，产生触发。特别适用验证数字逻辑的操作。根据各通道输入信号之间的数字逻辑关系触发触发电平CH1CH2关心的数字逻辑关系触发

23、点55TV信号触发支持HDTV/EDTV支持NTSC, PAL,SECAM或用户自定义视频格式可选择场信号、行信号触发触发电平自动设置为同步脉冲，无须调节触发电平视频触发56串行总线触发根据串行信号协议和所选码型触发 I2C, SPI, USB, CAN , LIN 双向, 两线总线 串行数据 (SDA) 和时钟 (SCL) 用在嵌入式设计中I2C触发串行数据串行时钟57I2C串行触发用于DAC的调试经过滤波的DAC输出未经滤波的DAC输出串行数据串行时钟8bit DAC 输入控制总线（ I2C ）发出命令“041 （十六进制）”，要求受控器件做出3周期的DAC反应在I2C总线传输的串行数据上

24、触发同时显示相关的模拟和数字信号58I2C串行触发用于DAC的调试SDA串行数据SCL串行时钟I2C触发可容易地同步这一指令，并同时观察受控器件做出的反应是否正确在I2C总线传输的串行数据0 x41 上触发0 1 0 0 0 0 0 1在串行数据上设置触发要求0 x41(十六进制) 选择触发条件59串行总线的触发及解码：CAN总线分析 提供串行解码列表输出显示 CAN触发信号类型可选： CAN_H, CAN_L, CAN_diff, Tx or Rx硬件加速解码功能比软件解码能容易地发现总线错误60混合示波器逻辑触发根据设定的最大16个数字通道的高低电平逻辑关系来触发时间相关地验证DAC输入输

25、出关系 设置D15 - D0 数 字通道逻辑电平61安捷伦DSO7104A 触发抖动泰克DSO4104触发抖动触发抖动触发抖动是数字示波器最大的时间误差来源62数字示波器滚动模式滚动模式是一种可以应用于全连续显示的方式滚动模式下，示波器采集采样点并立即将采集的数据复制到显示存储器。新的采样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动，移到屏幕左面即行消失。屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。用滚动模式，可以用示波器来代替图表记录仪显示慢变化的现象。63Page 6412.1寸的大显示屏，256个辉度级，1024 x 768 分辨率，10万次/秒的波形更新率 波形显示Agile

26、nt 7000系列提供最佳的信号观察能力64Agilent 7000最佳显示和观察信号7000系列示波器提供了最好的信号观测能力当需要放大而观测信号细节当需要大的存储深度观测信号当需要测试混合信号（模拟逻辑）当需要串行解码显示7000具有更大的显示屏12.1寸256个辉度级，1024 x 768 分辨率观测信号更容易波形更新率7000有10万次/秒的更快波形更新率更易观测到偶发信号Page 65显示屏12.1寸显示屏10.4寸65测量和运算功能游标快速定位测量可选22个参数自动快速测量内置5位计数器，精确测量频率、周期，用10MHz参考时钟可扩展至8位运算：相加，相乘、相减、微分、积分、FFT

27、分析游标测量参数测量Agilent 5000、6000、7000示波器66主要波形参数时间测量 计数器 占空比 频率 周期 上升时间 下降时间 + 宽度 宽度 最大Y时的X 最小Y时的X相位和延迟 相位 延迟电压测量 平均值 振幅 基准 最大值 最小值 峰-峰值 RMS(均方根) 顶部前冲和过冲 前冲 过冲67主要波形参数描述时间测量电压测量68延迟(Delay)主要波形参数描述相位(Phase)DelayPhase = X 360 Source 1 Period69前冲（Preshoot ） 基准 边沿最小值 上升沿前冲 = x 100 振幅 边沿最大值 顶部 下降沿前冲 = x 100 振

28、幅主要波形参数描述振幅70主要波形参数描述过冲（Overshoot ） 基准 边沿最小值 下降沿过冲 = x 100 振幅 边沿最大值 顶部 上升沿过冲 = x 100 振幅振幅71测量值统计功能72光标波形追踪功能73快速傅立叶变换- FFT频域分析FFT频谱未经滤波的DAC信号FFT频谱时钟信号74通用模板测试- 判定合格/失败75由硬件完成的模板测试 - 快速300K测试仅需 3.4 秒76- 为提供最佳的信号观察能力而设计的示波器Page 77外表出众（Attractive） 12.1寸的大显示屏，仅 6.5寸的厚度 防倾覆机械设计 极低的噪声，提供宁静的工作环境 仅5.9Kg的重量

29、身手敏捷 (Fast)高达100,000 波形/秒的更新速率 最迅速的面板控制响应 最佳的观察信号细节 最高的偶发事件捕获概率 智慧过人 (Smart)针对多种应用的快速洞察力 带硬件加速的串行解码功能，支持 I2C, SPI, CAN, LIN, FlexRay, RS-232/UART 提供基于PC的分析软件: FPGA 调试, 示波器离线 观察和分析, 矢量信号分析，功率分析 其它: 安全环境模式InfiniiVision 7000系列77连通性 前置USB 1.1接口让你方便存储屏幕图形和数据标准 输入/输出口: 高速 USB2.0可与PC方便连接高速传递数据 GPIB IEEE488

30、.2用于控制 LAN 10 Base-T/100Base-T Ethernet网口便于 通过网络访问 XGA 视频输出 10MHz时钟参考输入/输出端口，可同步一个 系统中多台仪器 触发输出口，可用于示波器与其它仪器同步78连接软件免费的IntuiLink数据捕获软件让数据传输更加方便 支持GPIB, USB和LAN接口 传输屏幕图形和全部图形数据（最高8M点的 时间、电压值）到PC 支持所有示波器和逻辑通道(MSO). 存储/找回仪器的设置 随时从网址下载 免费的Agilent I/O库： Libraries Suite 14.0 自动检测连接到您PC上的仪器并且配置界面 兼容GPIB, U

31、SB, LAN, RS232和VXI界面 79网端控制 (Web Enabled Control Version 4.0 system software)通过内建网口，经由Java-enabled Web Browser 由远端进行显示, 控制与量测网端控制 (监视波形, 遥控示波器, 进行量测)取得图像 (截取显示屏的图像到 web browser)仪器Utilities (显示安装选配, 软件版本及校验状态)网口设置 (显示 目前网口设置并 允许调整)连结仅须键入 IP网址或接入示波器网口的 host name80探头及基本类型 探头是示波器与DUT之间物理连接的工具，及物理量变换的工具光

32、电 转换低阻高阻AC DC差分有源逻辑电流温度 传感器高压无源电压有源无源单端高压低压有源81探头的要求 负载效应低，对被测试信号的影响小输入阻抗大带宽高动态范围大频率响应曲线平坦垂直放大精度高垂直灵敏度大丰富的探针类型82探头参数的含义带宽上升时间电容:给DUT带来容性负载输入阻抗:给DUT带来的负载衰减比:1X、5X、10X动态范围:探头放大器的线性工作范围输入范围:被测试信号超出输入范围，探头损坏偏移量:探头放大器的偏移量831 X 无 源 探 头 优点 无衰减 价廉 缺点 很大的反射 很大的输入电容 很窄的带宽8410 X 无 源 探 头 优 点 高 输 入 阻 抗 动 态 范 围 大 价 格 便 宜 缺 点 输 入 电 容 较 大 与 50 ohm 系 统 不 兼 容 必 须 补 偿85 有 源 探 头 优 点 低 输 入 电 容 高 的 带 宽 高 输 入 电 阻 兼 容 50 ohm 系 统 不 需