數字示波器技術指標參數設置對信號波形的影響

【摘要】本文闡述了使用數字示波器對信號波形進行分析測量時，為使信號波形真實地重現并進行準確地測量，數字示波器的技術指標參數選用的原則及技術指標參數之間相互匹配的重要性。

【關鍵詞】數字示波器 帶寬 采樣速率 上升時間 波形影響

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2015）04-0201-02

一、引言

隨著數字處理和微處理器新技術的應用，示波器的發展也極為迅速，數字存儲示波器逐漸替代了傳統的模擬示波器。這兩種示波器的組成結構和示波原理是完全不同的。由于數字和模擬示波器的差異，使得它們具有各自的特點。

模擬示波器特點是：波形顯示快速實時、連續真實；能控制波形的亮度和聚焦，使圖像清晰呈現。不足之處是：不能對波形進行存儲和參數的自動測量；難以觀察頻率很低信號、非重復性信號和瞬時信號。

數字示波器特點是：觀測和分析各種重復信號，捕獲各種非重復信號，包括單次觸發信號；具有強大波形和數據存儲計算功能；能對信號波形參數進行高精度測量；能對測量數據進行分析計算，屏幕上直接顯示出計算結果；波形和數據還可直接導出到計算機、打印機或外接存儲器中。

數字示波器雖然具有許多突出的優點，其自身工作原理也決定了它存在著不足之處。如信號輸入與實際波形顯示之間有時間延遲，難以做到對輸入信號的實時顯示；若采樣頻率設置不合理或采集數據不足，易導致顯示波形失真；顯示復雜動態信號時會出現波形混疊現象等[1]。

二、技術指標參數設置對波形的影響

數字示波器的技術指標是指垂直系統、水平系統、采樣系統、信號測量系統、觸發系統、存儲與接口和顯示系統的各項技術指標。其中垂直和采樣系統技術指標參數不僅對所觀測的信號波形有非常大的影響，而且技術指標參數值既相互影響又相互制約。

如果技術指標參數設置不當對信號波形的影響主要有兩個方面：一是會使波形產生失真現象，失真指的是波形有幅度衰減、混疊和漏失的現象；二是會影響到波形參數測量結果的準確度。

我們所觀測電信號波形可大致歸為兩類，一類是呈周期性的重復信號，另一類是單次或隨機的瞬時信號；前者比較適宜利用模擬示波器進行觀測，后者由于信號變化很快，需要使用數字存儲示波器來進行觀測。

1.垂直系統參數設置對信號波形的影響

帶寬是示波器垂直系統中最主要的技術指標之一。該指標的大小決定了所觀測信號頻率值的上限，即是衡量測量信號的基本能力。當所觀測信號的頻率上升時，示波器準確顯示信號的能力隨即而降。數字示波器的帶寬有兩種類型：模擬帶寬、數字實時帶寬。

模擬帶寬是指垂直偏轉通道的正弦輸入信號幅度隨著頻率升高而下降到其實際幅度的70. 7%時的頻率值，用對數坐標表示是-3ab 點[2]。此時的頻率為示波器的上限頻率，也就是示波器帶寬。它表明了該示波器垂直系統的頻響特性，即應對高頻信號的能力。常用Bw來表示。

數字實時帶寬是指對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的最高帶寬，其帶寬與最高數字化頻率和波形重建技術因子K相關，即數字實時帶寬=最高數字化速率/K，式中系數K值的大小取決于存儲波形的顯示技術[3]。若采用光點的方式顯示時K取值為25，用矢量方式顯示時K取值為10，用正弦內插方式顯示時K取值為2.5。

測量信號波形時模擬帶寬對它產生的直接影響是：如果數字示波器模擬帶寬≦被測信號頻率，會導致被測信號波形幅度大幅降低，從而測量精度隨之大幅下降。假定采用帶寬=100MHz示波器來測量幅值=1V，頻率=100MHz正弦波信號時，得到正弦波信號的幅值=0.707V，測量幅值誤差達到了30%。從分析中可以總結出，當選擇示波器的帶寬>被測信號的最高頻率的3～5倍時，可大幅提高測量精度。信號幅值受帶寬的影響見圖1：

圖1

測量信號波形時實時帶寬對它產生的直接影響是：實時帶寬的定義表明，數字示波器在單次觸發脈沖作用下，對全部輸入信號波形在一次采集數據過程中進行采樣，采集到能精確重建信號波形采樣點數的最高頻率。采樣率越高的示波器，能捕捉到信號帶寬就越寬。但采樣率值大小一定的示波器，其示波器實時帶寬大小受限于它。為完成信號重建工作，能捕捉到大部分頻率信號，只要采樣率=2.5？鄢帶寬即可。例如：用兩臺采樣率分別為1GS/s、100MS/s，模擬帶寬同為400MHz示波器來觀測捕獲一個單次信號，且信號頻率=50MHz，我們發現，實際上這兩臺示波器實時帶寬分別為1/2.5（GS/s）=400MHz，100/2.5（GS/s）=40MHz，在實時狀態下，前者能對單次信號進行捕獲，后者則不能。這足以說明實時帶寬可直接影響到單次信號波形的捕獲和測量。

上升時間也是示波器垂直系統中主要技術指標之一。上升時間是指波形幅度從10%上升到90%所需的時間，它反映了數字示波器垂直系統的瞬態特性[4]。數字示波器的上升時間時間快慢直接影響示波器對快速變換信號細節的捕獲。上升時間越快，對捕獲快速變換信號能力越準確。常用t？子來表示。

數字示波器的帶寬與信號波形的頻率和幅度相關，而上升時間與信號波形的細節相關，那么帶寬與上升時間它們之間的關系為：

t？子=kBw………（1）

其中， t？子為上升時間， Bw為帶寬， k為常數，取值范圍介于0.35～ 0.45 之間。根據帶寬的選取原則，數字示波器的上升時間<（1/3～1/5）被測信號，所能觀測到的信號波形失真率較小。

從以上分析得出如下結論：

1）模擬帶寬主要針對的是測量周期性重復信號，數字實時帶寬既針對測量的是周期性重復信號又針對測量的是單次信號、隨機信號。

2）示波器帶寬參數設置的原則是根據所觀測的信號波形的特性來決定，即波形的種類和頻率的大小。示波器的帶寬應高于被測信號的最高頻率3～5倍或3～10倍。

3）帶寬參數設置對信號波形顯示的影響是：示波器帶寬的不足，被顯示信號波形的幅度會衰減、邊緣被抹去、細節會丟失、高頻成份的變化不能分辨。總之，所有一切失去了意義。

4）帶寬參數設置對信號波形幅值測量結果的影響是：當帶寬10倍于被測信號的最高頻率時，幅值測量誤差很小，幅值達到最佳值；當帶寬3倍被測信號的最高頻率時，幅值測量誤差將小于3%；如果當帶寬=被測信號的頻率進行測量時，誤差將高達30%～40%。

2.采樣系統參數設置對信號波形的影響

數字示波器的采集系統由采樣/保持器、模數轉換器A/D組成。

采樣速率是數字示波器的另一項重要技術指標，它是衡量數字示波器采樣和A/D 轉換速率的。它反映了單位時間內能夠采集樣點數的能力。用每秒采樣點來表示，即S/s。S 代表采樣點數，s 代表時間秒。它的高低直接反映了數字示波器捕獲所觀測信號的能力的強弱。數字示波器采樣速率越高，捕獲信號的能力就越強，信號波形顯示的分辨率和清晰度就越高，信號中包含重要事件和關鍵信息丟失率就會越少，越能真實重現原始信號。

為了準確地再現信號并避免混淆，數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[5]。該定理假設的前提條件是波形記錄時間無限長和連續的信號。而實際情況是，此前提條件數字示波器的技術指標參數無法達到，因此只有最高頻率兩倍的采樣率是不夠的。為使被測的原始信號能準確地還原，一般采樣速率取值為原始信號最高頻率的2.5～10倍。

采樣模式分為實時采樣和等效采樣兩種模式。這兩種模式與所觀測信號的特性有關。

實時采樣模式不僅適用于捕獲重復信號，而且它主要還是捕捉非重復信號和單次信號以及捕獲隱藏在重復信號中的毛刺和異常信號的一種有效方式。對于被觀測單次或瞬態信號，實時采樣方式是數字示波器只需通過一次觸發就可采集到信號所有信息，被觀測信號波形將重現。

等時采樣主要用于重復信號的信息采集。對于被觀測的重復信號，數字示波器在一個采樣周期內只需經過多次觸發多次采集，就可采集到被觀測信號的所有信息并進行重組，被觀測信號波形被還原。

對一臺特定的數字示波器來說最大采樣速率是一個固定值。而采樣速率又受到掃描速率制約。通常，掃描速率t/div 與采樣速率fs的關系為：fs = N/（t/div），其中N 為每格的采樣點數目。如果采樣點數目N 固定，則采樣速率fs 和掃速t/div 為反比關系，即掃描速越快則采樣速率越小[6]。那么可以通過改變掃描速率檔位對所觀測的已知或未知頻率信號波形變化進行檢測。

由掃描速率與采樣速率的關系可知，當掃描速率檔位由慢變快時，即采樣速率是由快變慢，如果發現被觀測是未知頻率信號波形，在掃描速率某個較快檔該波形突然穩定下來、該波形信號頻率值產生突變，這時即可判定此信號波形發生了混疊現象。如果發現被觀測是已知頻率信號波形，此時示波器上顯示信號頻率小于已知頻率，則說明此信號波形也發生了混疊現象。采取調整掃描速率檔位大小、采用自動設置檔等方法可防止發生波形混疊。

采樣率對被測信號波形的影響是：

1）如果采樣率不足，易產生波形失真現象，失真是指由于某些原因導致示波器采樣顯的波形與實際信號波形存在較大差異。見圖2。

圖2

2）如果采樣率不足，易產生波形混疊現象，混疊是指屏幕上顯示的波形信號頻率低于實際信號的頻率；或是觸發指示燈雖亮，但屏幕上顯示波形仍不穩定。見圖3。

圖3

3）如果采樣率不足，易產生波形漏失現象，漏失是指屏幕上沒有反映全部實際信號的一種現象。見圖4。

圖4

3.帶寬、采樣速率與被觀測信號頻率三者之間的關系

帶寬和采樣速率這兩個主要技術指標參數的大小共同決定了示波器是否能完整真實地重現被觀測信號波形。而對于示波器來說，示波器帶寬、采樣速率、被觀測信號頻率三者之間滿足以下關系：

Bw=mf信號………（2）

f采樣=nBw=mnf信號………（3）

其中f采樣是采樣速率，Bw是示波器帶寬，m，n分別為倍數。m一般取值為3～5倍，n一般取值為4～5倍。

從（1）、（2）式中可以看出：帶寬和采樣率參數的設置都和被測信號頻率相關。

綜上所述：為了便于數字示波器對被測信號波形進行分析研究，為了能夠真實還原并準確測量被測信號波形，合理選配數字示波器的帶寬和采樣速率參數至關重要，且參數選配的原則是：

1）帶寬為被測信號最高頻率的3～5 倍。

2）采樣速率為被測信號最高頻率的2.5～10 倍。

3）上升時間<被測信號的1/3～1/5。

4）幅頻特性曲線較為平坦。

即可滿足對一般信號波形的測試要求。

參考文獻：

[1]李朝榮，徐平，唐芳等編著.基礎物理實驗（修訂版）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：133

[2][5]李秉睿，李小建，黃龍.數字示波器的基本參數和選型[J].云南電力技術，第39 卷，2011 年12 月：20-22

[3]康玲竹.數字示波器特性及應用[J].船電技術，2009年第6期：59-60

[4]王悅欣，嚴峻，劉一蓉.測試中如何選擇數字示波器[J].現代電信科技，2010年6月第6期：30-32

[6]李杉，趙輝.數字示波器的優點和使用注意事項[J].科技傳播，2012.8（下）：172-173

[7]李劍，李國奎，陳媛媛.數字示波器使用中的常見問題探討[J].江蘇現代計量，2009.6：38-41

作者簡介：

鄭元（1961-），女，本科，湖北武漢人，實驗師，研究方向：電子技術應用。