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示波器知識(shí)百問(wèn)七 示波器是如何工作的

時(shí)間:2020-08-05    來(lái)源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
35. 除高斯響應(yīng)示波器和平坦響應(yīng)示波器之外,還有基于其它響應(yīng)的示波器嗎? 

答:示波器前置放大器的頻響特性是決定測(cè)試結(jié)果的最關(guān)鍵因素,它由模擬器件決定。關(guān)鍵在于用何種方法來(lái)獲得足夠的頻響。 

36. 以前在用TDS744,TDS745等示波器時(shí),使用的是無(wú)源探頭(如P6139A,帶寬500M)。在購(gòu)買了有源探頭(P6237)之后, 從測(cè)試波形來(lái)看(特別是測(cè)高頻信號(hào)時(shí)),兩者的測(cè)試結(jié)果差異較大. 從探頭參數(shù)得知, 有源探頭的輸入電容<1pF,而無(wú)源探頭則為10pF左右. 這樣看來(lái)應(yīng)該是有源探頭的測(cè)試結(jié)果更能反映信號(hào)真實(shí)的情況. 既然無(wú)源探頭對(duì)高頻信號(hào)衰減很大, 那么500M的帶寬有什么意義呢? 如何根據(jù)測(cè)試情況來(lái)選擇使用有源或無(wú)源探頭? 

答:您的P6139A探頭加上泰克的500MHz示波器典型帶寬值還是可以達(dá)到500MHz,但是正如您所說(shuō),其輸入電容不同,這一電容將產(chǎn)生對(duì)于待測(cè)信號(hào)的負(fù)載效應(yīng),造成信號(hào)振鈴,形狀發(fā)生改變,因此這個(gè)時(shí)候使用有源探頭時(shí)能反映信號(hào)的真實(shí)情況。實(shí)際上,使用探頭不光要考慮帶寬,所有這些因素我們?cè)跍y(cè)量高頻信號(hào)的時(shí)候都要考慮: 

帶寬/上升時(shí)間 
動(dòng)態(tài)范圍 
負(fù)載效應(yīng) 
接地效應(yīng) 
共振效應(yīng) 

尤其P6139A時(shí)您還要考慮地線的影響,探頭上的接地線也會(huì)帶來(lái)振鈴,測(cè)量高頻信號(hào)的時(shí)候應(yīng)該盡量縮短地線的長(zhǎng)度。 

另外,您使用的P6247是有源差分探頭,共模的影響也可能是一個(gè)因素。 

選擇無(wú)源探頭主要是因?yàn)槠鋭?dòng)態(tài)范圍大,比如P6139A可以測(cè)量從毫伏到幾百伏的信號(hào),而P6247只能測(cè)量+-8.5V的信號(hào)。另外有源探頭價(jià)格也是一個(gè)因素。 

37. 實(shí)驗(yàn)時(shí),示波器接地線后,導(dǎo)致MOsfet炸掉,現(xiàn)在將示波器都剪掉了地線。這是什么原因? 

答:為保證測(cè)試中的人身安全以及獲得良好的測(cè)量效果,一般示波器的所有探頭的地線都與機(jī)殼連接在一起,并連接到示波器電源線的地線。因此,您在電源中測(cè)量MOSFET管波形的時(shí)候,如果其中任何一個(gè)點(diǎn)都不是地,就會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題,如下圖所示。 

剪斷地線可以防止對(duì)MOSFET管測(cè)試中的短路問(wèn)題,但是也會(huì)帶來(lái)一些其它的測(cè)試問(wèn)題,比如示波器機(jī)殼帶電,示波器機(jī)殼分布參數(shù)對(duì)測(cè)量信號(hào)造成影響等。解決的辦法是使用差分探頭,比如泰克的P5205,可以測(cè)量所謂的2個(gè)測(cè)試點(diǎn)都不是地的差分信號(hào)。 

38. 用示波器抓取數(shù)據(jù)時(shí),發(fā)現(xiàn)存儲(chǔ)的文本里只有當(dāng)前屏幕的數(shù)據(jù),且是按照resolution為時(shí)間間隔的。如何利用軟件實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)(matlab?),如何抓到更多數(shù)據(jù)? 

答:泰克示波器采用壓縮屏幕的顯示風(fēng)格,即屏幕顯示的波形為采集下來(lái)的所有數(shù)據(jù),配合TDS5000B的multiViewZoom功能,可以方便顯示所有波形。 

泰克TDS5000B,TDS6000,TDS7000B,TDS8000B系列示波器都采用完全開(kāi)放的WINDOWS平臺(tái),支持當(dāng)前所有的流行工具,象Matlab,LabView,VB,VC,.NET,MicroSoft Office VBA等等,可以靈活進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理。 

這些分析工具還可以直接安裝在示波器里面,構(gòu)成一臺(tái)集數(shù)據(jù)采集,分析,顯示,處理的儀器。 單次采集更多的數(shù)據(jù),需要示波器配備更深的存儲(chǔ)深度,象TDS5000B系列通用示波器可以支持到16M內(nèi)存。  談及分辨率,人們最容易想到的是圖像分辨率。買電視、顯示器、數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)的時(shí)候都會(huì)考慮這個(gè)指標(biāo),一般用水平和垂直方向的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)或者DPI(每英寸點(diǎn)數(shù))來(lái)表示。顯然,高分辨率圖像更能清楚展示細(xì)節(jié)。而對(duì)于數(shù)字示波器,工程師極少談及它的分辨率,談得更多的是帶寬、采樣率等指標(biāo)。示波器也有分辨率,更準(zhǔn)確地說(shuō)是垂直分辨率,也就是模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的量化位數(shù)。一般各個(gè)廠家生產(chǎn)的實(shí)時(shí)示波器ADC位數(shù)都為8位,故而極少提及垂直分辨率。

實(shí)時(shí)示波器由于采樣率高,ADC位數(shù)很難提高。在需要高分辨率測(cè)量的場(chǎng)合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿足高分辨率的測(cè)試需求,美國(guó)力科公司研發(fā)了新型的實(shí)時(shí)示波器WaveRunner HRO 6Zi,簡(jiǎn)稱HRO(高分辨率示波器)。其ADC位數(shù)達(dá)12位,同時(shí)具備較高的采樣率-2GS/s。存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)可以達(dá)到每通道256M采樣點(diǎn)。HRO示波器高分辨率、高采樣率和長(zhǎng)存儲(chǔ)特性使其在多數(shù)測(cè)試場(chǎng)合中都能替代數(shù)據(jù)采集卡。當(dāng)然,它也具備示波器所擅長(zhǎng)的測(cè)量、分析和調(diào)試功能,其易用性更好。

ADC位數(shù)對(duì)垂直分辨率有多大影響?我們來(lái)看圖1,這是用8位示波器和12位示波器分別對(duì)同一個(gè)信號(hào)采集后,對(duì)其中部分波形放大顯示的結(jié)果。


圖1:8位示波器和12位示波器捕獲波形對(duì)比

從圖中可以看出8位示波器采集的波形出現(xiàn)臺(tái)階狀現(xiàn)象,這是因?yàn)樾盘?hào)的微小變化和ADC的量化誤差相當(dāng),信號(hào)的微小變化淹沒(méi)在了量化噪聲中??赡芎芏喙こ處熢谑褂檬静ㄆ鲿r(shí)并沒(méi)有注意到這個(gè)現(xiàn)象。這好比兩臺(tái)尺寸相同、分辨率不一樣的電視機(jī),站在5米外觀看可能看不出差別,靠近了觀察就能發(fā)現(xiàn)低分辨率電視機(jī)的像素點(diǎn)更粗、馬賽克現(xiàn)象更明顯。那么把示波器捕獲的信號(hào)放大、觀察細(xì)節(jié),也就有類似的效果。

垂直分辨率還和示波器本身的噪聲和失真水平有關(guān)。打個(gè)比方,一臺(tái)高分辨率的電視機(jī),如果它內(nèi)部電路的噪聲很大,導(dǎo)致屏幕出現(xiàn)很多雪花點(diǎn)。即便是高清片源也會(huì)被這些雪花點(diǎn)給模糊了。同樣道理,示波器ADC能夠分辨的最小電壓也可能淹沒(méi)在示波器的噪聲中。如何評(píng)估示波器的噪聲水平呢?有的示波器廠家喜歡采用基底噪聲:示波器不輸入信號(hào),測(cè)量基線的噪聲大小。這種指標(biāo)只能作為參考。因?yàn)闆](méi)有人使用示波器時(shí)不輸入信號(hào)。有無(wú)輸入信號(hào),示波器內(nèi)部電路的工作狀態(tài)可能差別很大。圖2是某示波器沒(méi)有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖,并分別對(duì)時(shí)域波形做FFT,觀察頻域。在沒(méi)有信號(hào)輸入時(shí),頻域噪底比較平坦;而輸入正弦波后,除了信號(hào)基頻和諧波分量以外,出現(xiàn)了不少雜散,而且噪底的形狀也不再平坦。因此,基線噪聲不是評(píng)估示波器噪聲水平的合理指標(biāo)。


圖2:示波器沒(méi)有輸入信號(hào)和輸入一個(gè)高信噪比5GHz正弦波的對(duì)比圖

更科學(xué)的指標(biāo)是信號(hào)與噪聲失真比(Signal to Noise and Distortion Ratio,SINAD),以及有效位數(shù)(ENOB)。SINAD的測(cè)量需要輸入一定頻率、一定幅度的高信噪比正弦波給示波器,計(jì)算信號(hào)功率和噪聲失真功率之比。ENOB在數(shù)學(xué)上可以通過(guò)SINAD計(jì)算得到。SINAD、ENOB與輸入信號(hào)頻率、幅度的大小以及示波器的工作狀態(tài)都有關(guān)。

力科HRO不僅ADC位數(shù)比其他實(shí)時(shí)示波器高,也有極低的噪聲水平。其典型的信噪比為55dB,而8位示波器一般只有35~40dB。圖3是將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器,轉(zhuǎn)化到頻域觀察的圖形。兩者頻域的垂直刻度和基準(zhǔn)都一樣。從圖中可以看出,12位示波器的頻域噪底比8位示波器低大約10dB。


圖3:將一個(gè)多諧波信號(hào)分別輸入到8位和12位示波器,轉(zhuǎn)化到頻域觀察

我們來(lái)看一個(gè)實(shí)際的測(cè)試案例:需要對(duì)某開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品中的功率MOS管進(jìn)行分析。其中有一個(gè)測(cè)試項(xiàng)是MOS管導(dǎo)通損耗。分別用電壓和電流探頭測(cè)量漏源電壓Vds與漏極電流Ids,在示波器上將兩個(gè)波形相乘得到功率波形,導(dǎo)通期間的功率就是導(dǎo)通損耗。由于在導(dǎo)通期間,Vds與Ids的值都很小,和8位示波器的量化誤差相當(dāng)??梢詫ds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀察,同樣也會(huì)出現(xiàn)前文提到的臺(tái)階狀現(xiàn)象(圖4)。


圖4:將Vds波形導(dǎo)通時(shí)的波形放大觀察

而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過(guò)對(duì)比測(cè)試,8位示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W,HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW(圖5)。


圖5:8位示波器與HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗對(duì)比

使用低分辨率示波器的工程師,也許會(huì)花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗,殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。

而HRO的高分辨率特性使這種誤差大大減小。通過(guò)對(duì)比測(cè)試,8bit示波器測(cè)量的導(dǎo)通損耗是1.5W,HRO測(cè)量的導(dǎo)通損耗是688mW :

使用低分辨率示波器的工程師,也許花費(fèi)很多精力物力去降低導(dǎo)通損耗,殊不知測(cè)量結(jié)果主要是量化誤差。

總結(jié):

力科HRO示波器的高分辨率特性,使其特別適合測(cè)量和分析微小變化的信號(hào),如高精度傳感器和執(zhí)行器;心電、腦電等微弱生理信號(hào);電源噪聲和紋波;無(wú)線中頻信號(hào)等等。
示波器的工作原理是什么?

  示波器是利用電子示波管的特性,將人眼無(wú)法直接觀測(cè)的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像,顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源組成?!?i> 1、示波管  陰極射線管(CRT)簡(jiǎn)稱示波管,是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。如圖所示,電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內(nèi),構(gòu)成了一個(gè)完整的示波管。

  2、熒光屏  現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面,內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過(guò)鋁膜,撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點(diǎn)。鋁膜具有內(nèi)反射作用,有利于提高亮點(diǎn)的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。  當(dāng)電子停止轟擊后,亮點(diǎn)不能立即消失而要保留一段時(shí)間。亮點(diǎn)輝度下降到原始值的10%所經(jīng)過(guò)的時(shí)間叫做“余輝時(shí)間”。余輝時(shí)間短于10μs為極短余輝,10μs—1ms為短余輝,1ms—0.1s為中余輝,0.1s-1s為長(zhǎng)余輝,大于1s為極長(zhǎng)余輝。一般的示波器配備中余輝示波管,高頻示波器選用短余輝,低頻示波器選用長(zhǎng)余輝?! ∮捎谒昧坠獠牧喜煌瑹晒馄辽夏馨l(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管,以保護(hù)人的眼睛?! ?i>3、電子槍及聚焦  電子槍由燈絲(F)、陰極(K)、柵極(G1)、前加速極(G2)(或稱第二柵極)、第一陽(yáng)極(A1)和第二陽(yáng)極(A2)組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極,陰極受熱發(fā)射電子。柵極是一個(gè)頂部有小孔的金屬園筒,套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低,對(duì)陰極發(fā)射的電子起控制作用,一般只有運(yùn)動(dòng)初速度大的少量電子,在陽(yáng)極電壓的作用下能穿過(guò)柵極小孔,奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。如果柵極電位過(guò)低,則全部電子返回陰極,即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的W1電位器,可以改變柵極電位,控制射向熒光屏的電子流密度,從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點(diǎn)的輝度。第一陽(yáng)極、第二陽(yáng)極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個(gè)金屬圓筒。前加速極G2與A2相連,所加電位比A1高。G2的正電位對(duì)陰極電子奔向熒光屏起加速作用?! ‰娮邮鴱年帢O奔向熒光屏的過(guò)程中,經(jīng)過(guò)兩次聚焦過(guò)程。第一次聚焦由K、G1、G2完成,K、K、G1、G2叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在G2、A1、A2區(qū)域,調(diào)節(jié)第二陽(yáng)極A2的電位,能使電子束正好會(huì)聚于熒光屏上的一點(diǎn),這是第二次聚焦。A1上的電壓叫做聚焦電壓,A1又被叫做聚焦極。有時(shí)調(diào)節(jié)A1電壓仍不能滿足良好聚焦,需微調(diào)第二陽(yáng)極A2的電壓,A2又叫做輔助聚焦極。  4、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)  偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向,使熒光屏上的光點(diǎn)隨外加信號(hào)的變化描繪出被測(cè)信號(hào)的波形。中,Y1Y2和Xl、X2兩對(duì)互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y軸偏轉(zhuǎn)板在前,X軸偏轉(zhuǎn)板在后,因此Y軸靈敏度高(被測(cè)信號(hào)經(jīng)處理后加到Y(jié)軸)。兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓,使兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場(chǎng),分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。  5、示波管的電源  為使示波管正常工作,對(duì)電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽(yáng)極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近,偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極G1相對(duì)陰極為負(fù)電位(—30V~—100V),而且可調(diào),以實(shí)現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽(yáng)極為正電位(約+100V~+600V),也應(yīng)可調(diào),用作聚焦調(diào)節(jié)。第二陽(yáng)極與前加速極相連,對(duì)陰極為正高壓(約+1000V),相對(duì)于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小,可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。

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