教你如何在測試中選擇數(shù)字示波器

摘要：文章結(jié)合數(shù)字示波器的幾個主要性能指標(biāo)，對其實現(xiàn)信號完整性的能力進行了分析，并提出了在測試過程中選擇適合數(shù)字示波器的參考依據(jù)。

　　數(shù)字示波器是一種通用測試儀表，本質(zhì)上是一種圖形顯示設(shè)備，相當(dāng)于具有圖形顯示的電壓表或萬用表，能在屏幕上直觀的顯示信號隨時間變化的波形，并對波形的周期、電壓、頻率等參數(shù)進行測量和分析，廣泛應(yīng)用于科研、生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，是工程師設(shè)計，調(diào)試，維修產(chǎn)品時的主要測試儀表，對測試工作起著舉足輕重的作用。

　　很多工程師在使用數(shù)字示波器時，都會遇到這樣一些問題：用計量合格的數(shù)字示波器測得的信號幅度和頻率等數(shù)據(jù)有時會與信號本身設(shè)計值相差很遠(yuǎn)，于是就去找電路的問題，但費時費力后，卻一無所獲，不知問題出在哪里。此外，對于同一信號，使用不同數(shù)字示波器測得的結(jié)果卻不相同。

　　產(chǎn)生這些問題的原因與數(shù)字示波器的選擇有直接的關(guān)系。

　　1 數(shù)字示波器的主要性能指標(biāo)

　　在選擇數(shù)字示波器時，我們主要考慮其是否能夠真實地顯示被測信號，即顯示信號與被測信號的一致性。

　　數(shù)字示波器的性能很大程度上影響到其實現(xiàn)信號完整性的能力，下面根據(jù)其主要性能指標(biāo)進行詳細(xì)分析。

　?。?）帶寬

　　如圖1 所示，數(shù)字示波器帶寬指輸入不同頻率的等幅正弦波信號，當(dāng)輸出波形的幅度隨頻率變化下降到實際幅度的70.7％時的頻率值（即f- 3dB）。帶寬決定了數(shù)字示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，數(shù)字示波器對信號的準(zhǔn)確顯示能力下降。實際測試中我們會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)被測信號的頻率與數(shù)字示波器帶寬相近時，數(shù)字示波器將無法分辨信號的高頻變化，顯示信號出現(xiàn)失真。例如：頻率為100 MHz、電壓幅度為1 V 的信號用帶寬為100 MHz 的數(shù)字示波器測試，其顯示的電壓只有0.7 V 左右。圖2 為同一階躍信號用帶寬分別為4 GHz、1.5 GHz 和300 MHz 的數(shù)字示波器測量所得的結(jié)果。從圖中可以看出，數(shù)字示波器的帶寬越高，信號的上升沿越陡，顯示的高頻分量成分越多，再現(xiàn)的信號越準(zhǔn)確。實際應(yīng)用中考慮到價格因素（數(shù)字示波器帶寬越高價格越貴），經(jīng)過實踐經(jīng)驗的積累，我們發(fā)現(xiàn)只要數(shù)字示波器帶寬為被測信號最高頻率的3- 5 倍，即可獲得±3%到±2%的精度，滿足一般的測試需求。

　　圖1 頻率響應(yīng)曲線

　　圖2 同一階躍信號基于不同帶寬數(shù)字示波器的測量結(jié)果

　?。?）上升時間。

　　上升時間的定義為脈沖幅度從10％上升到90％的這段時間（如圖3 所示），它反映了數(shù)字示波器垂直系統(tǒng)的瞬態(tài)特性。數(shù)字示波器必須要有足夠快的上升時間，才能準(zhǔn)確地捕獲快速變換的信號細(xì)節(jié)。數(shù)字示波器的上升時間越快，對信號的快速變換的捕獲也就越準(zhǔn)確。

　　一般數(shù)字示波器的上升時間和帶寬滿足以下公式：

　　其中，tr 為上升時間，f- 3dB 為頻帶寬度，k 為介于0.35- 0.45 之間的常數(shù)（不同型號的數(shù)字示波器取值不同，可以查閱相應(yīng)的說明書）。通過計算，并參考帶寬的選取原則，可以得出：只要數(shù)字示波器的上升時間小于被測信號的三分之一到五分之一，就能滿足一般的測試需求。

　?。?）頻率響應(yīng)。

　　頻率響應(yīng)為當(dāng)輸入不同頻率的等幅正弦波信號時的響應(yīng)性能，它包含從直流或交流低頻幾赫茲的正弦信號一直到無法顯示幅度的頻率為止的全部頻率范圍內(nèi)的幅度響應(yīng)。實際測量中只考慮帶寬性能還不足以保證數(shù)字示波器能夠準(zhǔn)確重現(xiàn)原始信號，在對數(shù)字示波器計量工作中，我們發(fā)現(xiàn)有的數(shù)字示波器頻率響應(yīng)曲線在低頻段并不平坦，會出現(xiàn)較大的起伏，如果測試相應(yīng)頻率的信號就會出現(xiàn)失真現(xiàn)象。此時，即使數(shù)字示波器的帶寬比被測信號頻率高出很多，也不能真實重現(xiàn)信號。因此，在選擇數(shù)字示波器時，針對不同的被測信號，其頻率響應(yīng)也是重點考慮的性能指標(biāo)之一。

　　（4）采樣速率。

　　數(shù)字示波器的采樣速率表示為樣點數(shù)每秒（S/s）。采樣速率越快越能真實重現(xiàn)原始信號。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率要大于等于2 倍的被測信號頻率，才能不失真地還原原始信號。但這個定理的前提是基于無限長的時間和連續(xù)的信號，在實際測試中，數(shù)字示波器的技術(shù)無法滿足此條件。根據(jù)實踐經(jīng)驗的積累，數(shù)字示波器為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)原始信號，采樣速率一般為原始信號最高頻率的2.5- 10 倍。

　　2 探頭對測試的影響

　　在實際工作中，還必須使用探頭系統(tǒng)（包括探頭和探頭連接附件） 把被測電路的信號引入到數(shù)字示波器內(nèi)部，因此探頭系統(tǒng)的性能直接決定了引入到數(shù)字示波器的信號與被測信號的一致性程度。

　　為獲得有效的測量結(jié)果，為了真實地重現(xiàn)被測信號，選擇探頭系統(tǒng)時主要考慮的以下三個因素為：

　　物理連接、對電路操作的影響最小以及與原始信號的一致性程度。對于前兩個因素需正確選擇探頭連接附件，最后一個因素則需要正確選擇探頭系統(tǒng)的帶寬。在整個測試系統(tǒng)中，帶寬是由系統(tǒng)內(nèi)帶寬最低的部分決定的，因此測試信號時探頭系統(tǒng)的帶寬也是必須考慮的因素之一。而同時，探頭系統(tǒng)也成為了被測電路的一部分，有一定的負(fù)載效應(yīng)。探頭系統(tǒng)的負(fù)載特性表現(xiàn)在三個方面：探頭系統(tǒng)的輸入電阻、電容和電感。與數(shù)字示波器配對的理想的探頭系統(tǒng)將最小化這種負(fù)載特性，充分發(fā)揮數(shù)字示波器真實再現(xiàn)被測信號的能力、特性和容限。因此選擇探頭系統(tǒng)時，最好選用廠家所推薦的探頭型號，并按功能選擇相應(yīng)的連接附件。

　　3 結(jié)語

　　綜上所述，實現(xiàn)信號完整性的能力是測試中選擇數(shù)字示波器的核心衡量標(biāo)準(zhǔn)，影響數(shù)字示波器信號完整性的實現(xiàn)的幾個因素是：數(shù)字示波器的帶寬、上升時間、頻率響應(yīng)、采樣速率和探頭系統(tǒng)的帶寬和負(fù)載效應(yīng)。在實際購買時，為了取得最優(yōu)性價比，可以遵循以下原則：數(shù)字示波器帶寬為被測信號最高頻率的3- 5 倍，上升時間小于被測信號的三分之一到五分之一，頻率響應(yīng)曲線平坦，采樣速率為被測信號最高頻率的2.5- 10 倍，同時選擇廠家推薦的探頭系統(tǒng)，即可滿足一般的測試需求。