作者：橫河培訓(xùn) 陸雷

示波器

示波器是電子電氣工程師最常用的工具之一，了解示波器測量系統(tǒng)的質(zhì)量是極為重要的。通過一些關(guān)鍵指標(biāo)如帶寬、采樣率、存儲深度等可以進(jìn)行一些最基本的比較。

經(jīng)驗(yàn)豐富的示波器使用者還會比較示波器的波形捕獲率、本底噪聲、ADC分辨率等一些不太注意的指標(biāo)，來評價示波器，以保證進(jìn)行更好的測量。

波形捕獲率

示波器的波形捕獲率：示波器單位時間內(nèi)捕獲多少次波形，單位為“wfm/s”中文一般寫作“次/秒”、“幀/秒”。又稱為“波形刷新率”、“波形觸發(fā)率。

我們先了解一下另外一個概念，顯示刷新率：顯示刷新率就是屏幕每秒鐘刷新的次數(shù)，一般情況下人的肉眼刷新率是60Hz 左右，我們平時肉眼看到示波器上的波形一直在變化，但肉眼能觀察信號的變化的速率只有60Hz左右，60次/秒。肉眼看到示波器上的波形在“不停地”變化，但實(shí)際上波形這次變化到下次變化之間對應(yīng)的信號有“極大量”的信號都已經(jīng)“被漏失”了，并沒有顯示在示波器的屏幕上。

讓我們回到波形捕獲率這個概念上，了解一下數(shù)字示波器顯示波形的過程：信號經(jīng)探頭后進(jìn)入示波器輸入通道，進(jìn)入放大器，ADC，采集存儲器，然后示波器會將采集存儲器中的數(shù)據(jù)點(diǎn)傳輸?shù)紺PU單元進(jìn)行顯示處理，測量和運(yùn)算。數(shù)字示波器采樣、處理數(shù)據(jù)是需要時間的，這段時間稱為死區(qū)時間。死區(qū)時間內(nèi)示波器不采樣，所以實(shí)際上不是所有波形我們都能在屏幕上看到，我們看到的波形其實(shí)是分隔成一段一段的。

波形捕獲率也不是一成不變的，它受到示波器水平刻度、記錄長度、采樣率以及所選后處理功能（數(shù)學(xué)函數(shù)、測量和分析）的影響。

做一個簡單的計算，示波器屏幕的水平軸是1us，理想狀態(tài)無死區(qū)時間捕獲的話1s時間能夠捕獲1百萬個屏幕，現(xiàn)在示波器的波形捕獲率一般在幾萬到幾十萬之間，可見捕獲的波形漏失了很多。

但是如果示波器屏幕的水平軸是1ms，理想狀態(tài)無死區(qū)時間捕獲的話1s時間能夠捕獲1千個屏幕，那么示波器是不是能夠無縫捕獲波形了呢？

記錄長度越大，數(shù)據(jù)處理的時間也就越長，波形捕獲率也就越低。

高波形捕獲率在示波器采集很短時間時能夠提高捕獲異常信號的幾率，但是仍然會有漏失的信號，那么示波器有沒有不漏失信號的采集方法呢？

示波器采用滾動模式（ROLL）模式采集

?優(yōu)點(diǎn)：示波器將每一個采樣點(diǎn)都顯示到了屏幕上，沒有死區(qū)時間。

?缺點(diǎn)：只有記錄長度大的示波器才能保證高采樣率。

高波形捕獲率在示波器采集很短時間時能夠提高捕獲異常信號的幾率，但是仍然會有漏失的信號，那么示波器有沒有不漏失信號的采集方法呢？

示波器采用滾動模式（ROLL）模式采集

?優(yōu)點(diǎn)：示波器將每一個采樣點(diǎn)都顯示到了屏幕上，沒有死區(qū)時間

?缺點(diǎn)：只有記錄長度大的示波器才能保證高采樣率

橫河DLM3000/DLM5000系列示波器具有最大500Mpoint的記錄長度

深存儲的利用

利用大容量存儲記錄下來的波形數(shù)據(jù)量很大，波形很密集，難以觀察，需要有更好的工具來分析。

? 實(shí)時雙窗口放大

利用大容量存儲記錄下來的波形數(shù)據(jù)量很大，波形很密集，難以觀察，需要有更好的工具來分析。

? 波形搜索

波形捕獲率

高波形捕獲率在示波器采集很短時間時能夠提高捕獲異常信號的幾率，但是仍然會有漏失的信號，那么示波器有沒有不漏失信號的采集方法呢？

示波器采用滾動模式（ROLL）模式采集

?優(yōu)點(diǎn)：示波器將每一個采樣點(diǎn)都顯示到了屏幕上，沒有死區(qū)時間。

?缺點(diǎn)：只有記錄長度大的示波器才能保證高采樣率。

橫河DLM3000/DLM5000系列示波器具有最大500Mpoint的記錄長度。

噪聲指標(biāo)

示波器在不同垂直量程和偏置下的底噪聲是評估示波器測量質(zhì)量的一個很好依據(jù)，噪聲的大小可以告訴用戶示波器的前端和ADC電路設(shè)計得有多純凈，因?yàn)槭静ㄆ鞯牡自肼晻黾宇~外的抖動并減小設(shè)計裕量。

一般情況下，示波器帶寬越高，其內(nèi)部噪聲就越高。

目前高質(zhì)量示波器的底噪聲已經(jīng)可以達(dá)到200uV甚至更低。

ADC指標(biāo)

在介紹示波器基礎(chǔ)的時候已經(jīng)介紹過示波器采樣率，采樣率是ADC的基本指標(biāo)之一。

ADC的分辨率：也就是ADC的位數(shù)，示波器一般是8位ADC，其所能分辨的最小量化電平為參考電平（滿量程）的256分之一。

ADC的精度：是幅度測量結(jié)果與信號實(shí)際幅度的接近程度。有些數(shù)字示波器采用高分辨率ADC，表面上看它們的精度要高于8 位產(chǎn)品，但事實(shí)不一定如此。

對于高頻示波器還引入了有效位數(shù)(ENOB)這一評價指標(biāo)。

使用采樣技術(shù)提升垂直分辨率

數(shù)字示波器還可以通過數(shù)字信號處理來提升數(shù)字示波器的垂直分辨率，下面主要介紹以下兩種方法

? 平均采集模式。

? 高分辨率采集模式。

平均采集模式

平均采集模式：平均模式是多次觸發(fā)采集重復(fù)的信號，通過使用來自兩次或兩次以上采集的數(shù)據(jù)，這種模式逐點(diǎn)平均采集中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，形成輸出波形。

? 優(yōu)點(diǎn)：平均模式改善了信噪比，降低了與觸發(fā)無關(guān)的噪聲，提高了垂直分辨率。

? 缺點(diǎn)：需要多次觸發(fā)采集，只能觀察重復(fù)信號。

算術(shù)平均：

指數(shù)平均：

平均采集模式增強(qiáng)分辨率：

高分辨率采集模式

高分辨率采集模式：通過計算及顯示多個順序樣點(diǎn)的波形串平均值來實(shí)現(xiàn)。單次采集也可以使用，最高采樣率為最大采樣率的一半。

高分辨率采集模式增強(qiáng)分辨率：

? 最高實(shí)現(xiàn)12位的分辨率。

綜合優(yōu)化

使用示波器測量時噪聲無處不在，需要濾波和優(yōu)化，應(yīng)優(yōu)化所有采集階段，以實(shí)現(xiàn)最佳分辨率和噪聲性能。