示波器高保真捕获信号的6个基本原则

作者:小编 更新时间:2022-05-08 点击数:

一、选择合适的带宽,带宽不是越宽越好

示波器的带宽就是示波器模拟前端放大器幅频特性的截止频率点,一般我示波器带宽定义为对于正弦信号幅度降低3dB时的频率点。若被测信号频率大于示波器带宽,则不能准确的还原信号的幅度,造成信号失真。比如显示的波形上升沿变缓,高频成分采集显示不出来。

那么我们是不是选择示波器带宽越大越好呢?不是的,因为示波器整个信号链路不是理想的信号处理过程,其间有探头引入的噪声、放大器的噪声、ADC的噪声等等。一般带宽越大引入的噪声越多,所以要保持好的信噪比非常关键,在信噪比最大时选择的带宽也是最合适的。

比如做通常做电源纹波噪声测试时,对带宽进行限制,就是为了提高信噪比,获得更好的测量效果。

对于具体示波器带宽选择,通常认为示波器的带宽是被测信号的3~5倍以上,但也不绝对,

有时一些信号的基频很低,但上升时间很陡峭,既上升时间很段,这时选择更大的带宽,才能准确的还原被测信号。

二、最小化量化误差,让波形尽可能占满整个屏幕

数字示波器的本质是将模拟信号进行转换为离散的点,然后再还原为一个连续的信号。

通过ADC后离散的每个点的电平值与真实的模拟值都有一定的差距,这个偏差我们叫量化误差。量化误差越小越好,一般我们用量化基数来表征量化误差的大小,量化级数越多,量化误差越小。比如8bitADC的量化级数就是256级。12bitADC的量化级数就是4096级。

对于一个8bitADC而言,垂直占满真个屏幕才可能真正的利用256级量化等级,降低量化误差。若波形垂直占满半个屏幕,那么她的量化等级就是128,量化误差也就增大了。所以我们在实际进行波形测量时,尽可能调整幅度,让波形占满整个屏幕,提高量化等级,降低量化误差,充分利用好示波器的ADC位数。

当然选择更高等级ADC位数必然可以提供量化等级,降低量化误差。比如之前文章提到的示波器的一个重要趋势是增加垂直分辨率,泰克的新4系及5系示波器,鼎阳的SDS6000系列就是这个方向发展的一个明证。

现在示波器高分辨率发展也拓展了原有示波器的应用范围,比如进行音频信号的测量分析,传感器信号的测量分析,生物电信号的测量分析。

三、时刻警惕采样率,不要欠采样

这里我们要先讲一个示波器的一个基本公式:存储深度=采样率*采样时间。例如:2.5Mpts=250MS/s*10ms。我们所有的示波器标识自己采样率时都标示的是最大采样率,但示波器的存储深度是确定,若我们要捕获较长时间的信号,就必然提高了采样时间,同时就降低了采样率。但示波器的存储深度是高速缓存,跟计算机的内存不太一样,受示波器硬件处理性能的影响,是不能随意增大的。

一般要准确的还原一个波形,需要再上升沿采样3~5个点以上,高的采样率就可以减少波形的失真。

所以我们既要观测长时间的一个信号波形,又要时刻警惕采样率的变化。根据奈奎斯特采样定理,过低的采样率将不能还原被测信号,造成波形失真。所以我们最好的方法就是选择更大存储深度的示波器,这一点上国产品牌致远电子、鼎阳科技和英国Pico品牌都有500M以上存储深度的型号可以选择。

四、保证捕获信号的全貌,包含完整的频率成分

我们还是从示波器公式这一基本原理来讲,要准确的还原信号,捕获到信号的全貌,保证足够的采样率,保证足够的采样时间。

有些示波器由于存储深度的限制,无法在保证采样率足够的情况下捕获到完整的低频成分,这是只有牺牲采样率来查看长时间的信号,但要警惕采样率不足带来的测量误差,选择更大存储深度的示波器就是关键。

需要长时间存储的测试领域有:雷达、无线信号、光产品测试、发现随机或者罕见的错误、低频信号中有高频噪声、高速信号中有低频调制、信号的变化过程非常缓慢、高频与低频混合系统、抖动追踪分析、统计分析等等。

五、选取合适的捕获模式

示波器一般不是一直捕获信号并显示的,跟进测试情况不同要选择不同的捕获模式。

顺序模式,也叫做分段存储,就是将示波器的存储空间分成了若干份,每一个小份里存放触发到的波形,触发一次就存放一次。这样可以设置合适的触发条件,以非常小的死区时间来分段捕获符合条件的波形。这样可以忽略相邻两个事件中的不感兴趣的波形,有效利用有限的存储空间。

滚动模式,也就是Roll模式,这种模式下示波器可以及时的把采集到的波形复制到显示存储器中,波形就在屏幕上逐次显示,没有死区时间,但是这种模式收处理器性能及存储深度影响,采样率比较低。

波形滤波模式,也就是对捕获到的波形进行多次的平均处理,只能对周期重复性的波形适合。

这样可以提高电压测量的精度,但可能掩盖一些偶发事件。

六、最小化探头的影响,减少地环路

我们的整个测试链路必然少不了探头,探头对于测量至关重要。归纳起来的影响有:

1、探头的带宽影响测量系统带宽,起到了滤波效应;

2、探头自身的电路对被测电路特性存在负载效应或者谐振效应;

3、探头高、低频的补偿效应;

4、探头的地线的长短、地线的位置、形状,探头摆放的位置等引起的辐射耦合:天线效应;

5、探头的接地环境引起的传导耦合;

6、浮地测量,引起的安全考虑;

7、探头和探头自己的地环路的干扰问题;

8、有源探头本身的噪声影响,信噪比问题;

9、探头的衰减比引起的噪声同步放大,量化误差问题;

10、探头的的衰减比随工作年限而变化,电阻值的漂移的问题。

七、总结

随着社会的发展,技术的进步,示波器的应用越来广泛,在更多的高频、高速及小信号测量中,只要选择好合适的示波器及探头,并提前掌握了多种示波器测量捕获信号的方法,才可能高保真的捕获多种信号,到达我们的测试测量目的。


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