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上海堅融實業技術答疑-示波器波形粗細跟信號的關系

日期：2014-02-19瀏覽：2008次

上海堅融實業技術答疑-示波器波形粗細跟信號的關系
示波器波形展示了真實的電子信號。在評估示波器性能時，可以考察它顯示與目標信號形狀相同的波形的能力。假設示波器具備足夠的基本技術指標——例如帶寬、采樣率和等頻率響應，示波器應當顯示粗波形還是細波形更好一些？這個問題的答案與大部分工程學問題一樣：“視具體情況而定”。
現在我們研究一下示波器和信號的屬性，這些屬性有助于用戶確定是粗波形還是細波形。兩個關鍵屬性可使用戶了解他們的示波器顯示目標信號的能力，分別是更新速率和噪聲。

更新速率對波形粗細的影響
更新速率表示示波器在 1 秒鐘內采集、處理與顯示的波形數目。更新速率越高，示波器就能更迅速地顯示被測信號。更新速率越低，示波器就會花費更長時間顯示與特定波形相關的細節。目前，示波器的更新速率范圍是在每秒鐘 100 萬個波形到幾秒鐘 1 個波形。只需更改示波器的設置，同一款示波器就能顯示不一樣的速率范圍。更新速率會受到多個示波器設置的影響，包括更改采集存儲器的深度，這會對存儲器深度帶來極大影響。

讓我們看一個簡單示例。圖 1 的上半部分顯示了兩款廠商生產的帶寬相等的示波器，示波器持續運行并與*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，另一款顯示了較細的波形。這會導致測量值的不同。哪一種更加？兩款示波器的zui大區別之一就是更新速率。使用相同的設置，其中一款示波器的更新速率為每秒鐘 100 萬個波形，比另一款示波器的更新速率快 16,000 倍。

這一點對波形有何影響？圖 1 的下半部分顯示了當開啟無限余輝時，連接同一個信號的兩款示波器會如何顯示。兩款示波器都會構建更長持續時間的圖像。10 秒鐘后，示波器顯示了相同的波形形狀與波形粗細。在這種情況下，數據速率更高的初始示波器能夠顯示更粗的波形，更清晰地表現每個示波器的顯示內容。通過開啟無限余輝，我們能夠快速進行評估。

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信號。兩款示波器的噪聲類似。上面截圖顯示了 Tek DPO5104A，它具有極窄的波形，提供更多細節。Agilent DSOX4104A 顯示的波形較寬。為什么有這種區別？原因在于更新速率。
開啟無限余輝并等待 10 秒。兩款示波器顯示同樣粗細的波形。安捷倫示波器的更新速率為 100 萬個波形/秒，而 Tek 示波器在常規模式下的更新速率僅為 60 個波形/秒。波形粗細與示波器向初始信號中添加的噪聲數量有關。

示波器噪聲對波形粗細的影響
示波器測量的精度如何？通常從水平時基的角度看，示波器的測量精度*，但從垂直時基的角度上看，精度就會顯著降低。原因是什么？一個主要原因是噪聲對測量帶來的干擾。示波器生成的內部噪聲與被測信號耦合，由此造成信號卷積，噪聲在連續樣本中進行數字化、存儲、處理和顯示。示波器的模數轉換器無法區分由示波器產生的噪聲和由實際目標信號產生的噪聲。但是，您可以運行一個簡單的測試，以確定您的示波器對信號添加了多少噪聲。采取特定的設置組合，快速確定您的示波器將會產生多少噪聲，并對兩款示波器進行簡單對比。

圖 2. 更新速率相同的兩款示波器連接到同一個信號。兩者所顯示的波形粗細大為不同。原因何在？4 GHz 示波器的噪聲高于 500 MHz 示波器。粗細不同的原因在于噪聲。
圖 2 顯示了兩款示波器正在查看同一個 10 MHz 正弦波。其中一個示波器顯示了更粗的波形。根據前文的示例，示波器是否因為具備更快的更新速率才能顯示更粗的波形？答案是否定的。兩款示波器在開啟無限余輝時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波形。區別在于，其中一款示波器的噪聲遠遠高于另一款示波器，噪聲差值會生成更寬的信號。其它的噪聲源包括位于測試設置中的有源和無源探頭。有源探頭一般使用示波器通道中的 50 Ω 信號路徑，這些路徑的噪聲低于 1 MΩ 信號路徑。
如何快速了解某個示波器會產生多少噪聲？大部分示波器廠商會對特定型號進行噪聲表征，并在產品技術資料中包含這些數值。如果廠商未提供，您可以主動申請或自行查找。幾秒鐘即可完成測量。
斷開所有輸入端與示波器前端的連接，將示波器設在 50 Ω 輸入路徑。您還可以在 1MΩ 路徑上測試。啟用適量的采集存儲器，100Kpts 至 1Mpts 就足夠了。示波器啟用無限余輝，測量波形的高度。波形越粗，示波器產生的內部噪聲就越多。示波器在每個垂直設置中具有*的噪聲質量。您能夠通過觀察波形粗細查看噪聲，還能借助電壓 AC 真有效值測量來量化噪聲，以進行更多的分析。把垂直設置更改為更容易敏感的數值——100 mV 至 10 mv/格——您就能夠看到噪聲按照全量程垂直數值的百分比增長，如圖 3 所示。

圖 3. 快速表征示波器的噪聲。斷開所有輸入端。針對每個垂直設置中的通道進行 Vrms
如果初始信號過窄，那么示波器就會降低噪聲并顯示較窄波形，可生成更好的視圖和測量結果。更改您的示波器設置以降低帶寬，由此消除了可導致信號過窄的寬帶噪聲。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。噪聲緩解設置非常適合那些具有低噪聲的示波器。

目標信號
目標信號既可以具備低噪聲也可以具有很高的噪聲。有時很難確定示波器上顯示的信號噪聲來自于目標信號還是示波器的內部噪聲。當示波器的 ADC 進行信號數字化時，ADC 無法區分信號噪聲與示波器內部噪聲。它保存 ADC 輸出信號并顯示相關數值。較粗波形能否表示您的測試信號或示波器？有幾種方法可以獲得解答。首先，使用前文提到的方法對示波器的內部噪聲進行快速評估。預計在每個采樣點上添加這種偏差。開啟無限余輝，查看波形形狀是否變粗或者不變。
有趣的是，無限余輝還能展示示波器噪聲對目標信號有何影響。對已知波形進行快速測試，觀察示波器的波形在正常顯示模式和無限余輝模式下有何不同，由此簡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始會顯示細波形，當開啟無限余輝時，它會生成粗波形。具有高噪聲、高更新速率的示波器將會立即顯示一個粗波形——無論被測信號是窄還是寬。具有低噪聲、低更新速率的示波器一開始會顯示細信號，當開啟無限余輝時，信號保持不變或者變粗（如果目標信號也產生噪聲）。具有低噪聲、高更新速率的示波器一開始會正確顯示目標信號，當開啟無限余輝時，已顯示波形的粗細保持不變。

圖 4. 啟用放大數學函數在波形上方垂直縮放，用戶通過查看垂直范圍包絡即可確定信號的噪聲大小。
平均值模式一般通過降低噪聲使波形變細。平均值模式可使示波器進行連續采集，對每個已捕獲的點求平均值，如圖 5 所示。這種方法通過多次采集求取噪聲平均值，能夠降低示波器整體噪聲。平均值權衡包括：平均值法還會求取目標信號值的平均值，并且僅針對重復信號。
高分辨率模式能夠降低噪聲，使波形更清晰地顯示被測信號，如圖 5 所示。該模式既支持重復信號，也支持單次捕獲信號。在高分辨率模式中，示波器對鄰近樣本求平均值，因而能夠降低整體噪聲。高分辨率模式需要權衡的一點是：示波器必須對樣本求平均值，由此得到的平均采樣點的出現頻率會低于比初始采樣點。這會降低有效采樣率和整體帶寬。

圖 5. 平均值模式適用于重復信號，顯著降低噪聲，可獲得的窄波形。
您是否還在思考細波形和粗波形的優劣？您現在擁有一定的專業知識和技術，能夠選擇一款更忠實再現您的目標信號波形的示波器。或者，您已經選定某款示波器，您可以利用這些方法確定示波器如何顯示被測信號的細波形或粗波形。

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