數字示波器輸入連接、信號捕獲和數據存儲的使用探討

中國工程物理研究院流體物理所 陳 敏 任 丹 王 蘭

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數字示波器輸入連接、信號捕獲和數據存儲的使用探討

中國工程物理研究院流體物理所 陳 敏 任 丹 王 蘭

【摘要】根據數字示波器在物理測試與儀器調試中的實際應用，分析總結在探頭選用、電纜連接匹配、信號捕獲關鍵、存儲速度幾個方面的問題、重要性和準確理解。幫助使用者全面掌握發揮示波器的在實際中的使用，并給出了測試例子。

【關鍵詞】數字示波器；輸入連接；觸發鍵；存儲深度

示波器在科研生產上不可缺少的基本工具，新型示波器不斷出現，功能不斷擴大，盡管如此，提起示波器的使用，大多數使用者的回答是帶寬、采樣率，操作上也局限于垂直、水平刻度的設置和觸發模式的選擇。往往忽視示波器在輸入連接重要性，使觀測的信號不真實。輕視觸發鍵的調節，使信號不能快速獲取，忘記數字示波器是高速數據采集電路與計算機結合的產品［1］，沒有充分意識到數據存儲給信號的重現帶來的便利。本文是示波器日常使用的常見問題總結，以期使用者能夠把示波器能在科研中發揮更好的作用。

1 輸入探頭選擇

精確的測量始于探頭，與所用示波器匹配適當的探頭，對于取得最高的信號保真度和測量精度尤其為重要［2］。從探頭的使用功能來說電壓探頭和電流探頭是數字示波器的兩類基本探頭，電壓探頭比較常見，電流探頭，以泰克示波器為例，早期是TM520電流放電器配槍是的電流互感器，現在TCPA300配電流槍。從電路原理上講分為有源探頭和無源探頭?，F在進口示波器常用的無源探頭多為高壓探頭，如泰克P6015A，其它的SMD無源探頭、無源分配器探頭等已不常見。有源探頭是進口示波器基本探頭配置，分為三個類別，有源（ FET ）普通電壓探頭、有源電流探頭和差分探頭如泰克P5210等。

所以要首先，了解示波器探頭的分類，根據被測量信號的特點選擇探頭，再在使用中，看清探頭的衰減比、帶寬，才能使探頭和示波器主機構成一個正確、準確的系統。

2 電纜適配器配置

除了探頭外，在測試中，往往大量采用電纜與示波器的直接連接，使線纜匹配問題比較突出，這是由于信號源幅度和阻抗，電纜的阻抗、電纜頭不盡相同。

在適配器上，特別是對高帶寬的數字示波器，隨意將BNC適配器連接在其輸入端口進行測試，導致測量結果不正確或無效。使用前必須要了解所用示波器輸入端口的結構，確認隨機標配適配器的類型，針對通道的作用，才能正確選擇合適的適配器。

對于匹配，一是與示波器輸入的阻抗匹配，區分信號源的幅度，信號源的阻抗，連接電纜的阻抗，才不至于導致測量結果不正確。也就是說示波器的兩種輸入阻抗，高阻（1MΩ）和低阻（50Ω），除了對應不同信號源的阻抗，還要對應測量連接電纜的阻抗。二是幅度匹配，電纜直連適配器的另一個問題是，被測信號常常超出示波器的輸入幅度要求，衰減器正是為解決這一問題設計。

需要注意的，適配器盡量采用原廠配置，因為還有帶寬問題。

3 觸發鍵的使用

測量從觸發開始，但常被示波器使用者忽視，我們常常希望快速可靠地對已知信號串中，感興趣事件進行檢測和觸發。

現代數字示波器，除傳統的邊沿觸發外，還增加了自定義觸發，捕獲專門事件，無需把事件存儲后，再處理，大大節約觀測時間。增加了示波器靈活性和實時分析能力。因此有必要清楚各種觸發的意義，才能對示波器使用得心應手［3］。

4 示波器存儲深度認識

帶寬、采樣率和存儲深度是確定數字示波器性能的三大主要指標。相對于帶寬、采樣率基本認知，存儲深度往往在數字示波器的選型、評估和測試中常被忽視。

把波形信息存儲到示波器的CMOS存儲器中，雖然最大存儲深度是一定的，但存儲器的使用長度卻是可變的。

存儲長度 = 采樣率 × 采樣時間。

公式說明：當要測量時間較長的信號時，由于存儲深度不變，只能降低采樣率。但這樣會降低波形質量；如果增加存儲的長度，則意味著升高了采樣率，從而獲得信號波形的不失真。

圖1是采樣率、存儲深度、采樣時間三者的關系，及存儲深度對數字示波器實際采樣率的影響［4］。圖中，當水平時間選10μs/ div，則示波器顯示窗口時間是10μs/div ×10格=100us，如果存儲深度為1Mpts，則實際采樣率為：1M÷100μs=10Gs/s；如果只有250K的存儲深度，實際采樣率就降低到了2.5GS/s。

圖1 采樣率、存儲深度、采樣時間三者的關系

這說明，存儲深度決定了數字示波器同時對高頻和低頻分析的能力，比如常遇到的低速波形上高頻噪聲，和低頻對高速波形的調制。明白了采樣率與存儲深度的關系后，就明白掌握了這兩個參數對測量的影響和應用。

舉例，當使用數字示波器進行延遲同步機或連續高壓脈沖發生器的輸出抖動測試時，應注意存儲深度，這決定了示波器在一次抖動測試中樣本數的多少，抖動頻率測試范圍。如用20GSa/s采樣率和1M存儲深度的數字示波器捕獲2.5Gb/s的信號，得到50μs長度的波形，能使一個 20kHz的抖動周期被捕獲。上述存儲長度取

100M，則可以捕獲到200Hz的抖動周期。

4 結束語

數字示波器在科研的電子學測試中大量的應用，通過對數字示波器的基本功能在使用過程中進一步發掘與討論，起到對使用者充分熟悉運用數字示波器的作用。由于高速數據采集電路與計算機結合的產品，我們在使用數字示波器的時候，不但要熟悉被測量對象的物理知識，還要了解計算機、網絡及電子技術。還有必要了解示波器的原理、特性，才能夠很好的掌握使用示波器。

參考文獻

［1］周恩宜.數字示波器原理、基本特性和應用［J］.電子制作，2015（18）﹕006.

［2］張文娟.如何使用示波器探頭［J］.宇航計測技術，2007（02）﹕56-59.

［3］吳懷選.示波器使用初探［J］.大學物理實驗，2006（09）﹕29-32.

［4］李軍.示波器的采樣率和存儲深度［J］.今日電子，2009（08）﹕53-55.

［5］Tektronix，Inc.MSO70000CDSA70000CDPO70000C MSO5000系列示波器用戶手冊［S］.2014.

［6］Lecroy，Inc.Getting Started Manual/WaveRunner6Zi and 12-Bid HRO Oscilloscopes.1013.

作者簡介：

陳敏（1960—），女，江蘇人，中國工程物理研究院流體物理研究所技師，研究方向：測試電子儀器計量標定。