电子产品世界 » 论坛首页 » 基础知识 » 综合知识 » 模拟和数字示波器的系统和调节控制


共1条 1/1 1 跳转至

模拟和数字示波器的系统和调节控制

菜鸟
2018-01-24 13:54:43    评分

 示波器包含四个不同的基本系统:垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。理解每一个系统的含义,有助于您更有效地应用示波器,完成特定的测量任务。请记住,示波器的每一个系统对精确地重构信号都大有裨益。

   本小节简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。模拟和数字示波器的一些控制并不相同;也许您的示波器还有其他的控制,但并没有在这里提及。

   示波器的前面板分为三个主要的区域,标注为垂直区、水平区和触发区。由于模式和类型(模拟或数字)不同,您的示波器也许还有其他的区域。参看图22,在阅读本小节过程中,看看您能否在图中以及在自己的示波器中找到前面板的各区域位置。当使用示波器时,为接纳输入信号,需要对以下 配置进行调整: 

   • 信号的衰减和放大值。通过控制伏特/格,可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。 
   • 时基。通过控制秒/ 格,可以显示屏中每一水平刻度代表的时间量。 
   • 示波器触发。利用触发电平,可以稳定重复信号,或者触发单一的事件。

  

gooxian-示波器前面板

  垂直系统和控制

  波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件,具体内容在本节的后面部分有讲解。通用垂直控制包括:

   • 端接设备
   1M 欧
   50 欧 
  • 耦合方式
  DC 直流
  AC 交流
  GND 地线 
  • 带宽限制
  20 MHz
  250 MHz
  全带宽 
  • 位置 
  • 偏移 
  • 转置-开/关 
  • 标度
  1-2-5
  可变 
  • 缩放 

 

gooxian-AC和DC

   位置和每刻度电压

  垂直位置控制使您能按照需求准确地上下移动波形。调节每刻度电压值(通常记为volts/div,伏特/格),那么显示波形大小
会随之改变。较好的通用示波器可以精确显示信号电平范围大概是从4微伏到40 伏特。伏特/ 格是一个标度因数。假设分为八个主要的刻度格子,如果伏特/格设置为5伏特,则八个垂直格中的每一个都表示5伏特,那么从下到上整个屏幕可以显示40伏特。如果设置的是0.5 伏特/格,那么从下到上可以显示4伏特,依此类推。屏幕显示的最大电压是伏特/ 格乘上垂直刻度的数量。注意探头有1X 或10X,它也影响标度因数。如果示波器没有把伏特/ 格除以衰减系数,那么您自己应该留意。通常,伏特/格有可变的增益控制或精密增益控制,使显示的信号标度在数个合适的刻度内。利用这样的控制方式,方便对上升时间等的测量。

  输入耦合

  耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式。既然这样,那么输入耦合就指测试电路与示波器的连接。耦合方式可以设置为DC、AC或者地线。DC耦合会显示所有输入信号。而AC 耦合去除信号中的直流成分,结果是显示的波形始终以零电压为中心。图23 图解了两者的不同之处。当整个信号(振荡的电流+直接电流)大于伏特/ 格的设置时,AC 耦合非常适用。

 地线

 地线的设置不需要输入信号与垂直系统相连。观察地线,就可以知道屏幕中零电压的位置。如果使用的是地线输入耦合和自动触发模式,那么屏幕中就有一条表示零电压值的水平线。测试信号电压相对地的电平值的便捷方法为,把耦合从DC 转换到地,再重新转换回DC。

 

gooxian-多通道显示

   带宽限制

    大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后,可以减少显示波形中不时出现的噪声,显示的波形会显得更为清晰。请注意,在消除噪声的同时,带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。交替和断续显示模式模拟示波器显示多个信道时采用交替(alternate)或断续(chop)模式。(许多数字示波器可以同时表示多个信道,而不需要使用间隔和交替模式。)

   交替模式轮流绘制每一通道:示波器首先完成通道1 的扫描,马上对通道2 进行扫描,接着又扫描通道1,如此循环。这一模式适用于中速到高速的信号,此时秒/ 格标度设置在0.5ms,甚至更快。断续模式是示波器前后变换着描绘信号中的一小段。变换的速度相当快,人眼难以注意到,波形看上去也是一个整体。典型地,捕获的扫描速度为1ms或者更低的慢速信号,可以采用这一模式。图24图解出两者的不同之处。有时为了得到最好的显示效果,需要在两种模式中作出选择。

  

gooxian-捕获

   水平系统和控制

   示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系,采样速率和记录长度等需要在此设定。水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括:

  主时基 

  • 延迟时基 
  • XY 模式
  标度
  1-2-5 
  • 可变 
  • 波形踪迹区分 
  • 记录长度 
  • 分辨率 
  • 采样速率 
  •  触发位置 
  • 缩放

  捕获控制

   对数字示波器,用户可以控制捕获系统如何处理信号。在阅读下面的说明时,请察看您自己的示波器的捕获选项。图25 给出的是一个捕获菜单的例子。

  捕获模式

  捕获模式控制如何从采样点中产生出波形点。采样点是直接从模数转换器(ADC)中得到的数字值。采样间隔指的是相邻采样点的时间。波形点指的是存储在存储区内的数字值,它将重构显示波形。相邻波形点之间的时间差用波形间隔表示。  示波器  http://www.gooxian.com/

  采样间隔和波形间隔可以一致,也可以不一样。由此产生出几种不同的实际捕获模式,其中一个波形点可以由数个捕获的采样点序列构成,另外有一种捕获模式,波形点是由若干捕获产生的采样点共同构成。随后将介绍最常用的捕获模式。

 

gooxian-采用速率

  捕获模式的类型

  采样模式:这是最简单的捕获模式。每一个波形间隔,示波器存储一个采样点的值,并做为波形的一个点。峰值检测模式:示波器将波形间隔内采样出来的采样点,选取其中的最小值和最大值,并把这些样值当作两个相关的波形点。采用峰值检测模式的示波器以非常高的采样速率运行ADC,即便设置的时基非常慢也是如此(慢时基等效为长的波形间隔)。采样模式不能捕获发生在波形点之间的快速变化的信号(参看图26),而峰值检测模式可以捕获到。利用峰值检测,非常有效地能观察到偶尔发生的窄脉冲(如图27 所示)。

   高分辨率 (Hi Res) 模式:与峰值检测一样,当ADC采样快于时基的设置要求时,高分辨率模式是获取更多信息的一种方法。对于这种模式,在一个波形点时间间隔内,采多个样值,然后算出平均值,得到一个波形点。噪声会对结果产生负面影响,而低速信号的分辨率会提高。

  

gooxian-示波器

  包络模式:包络模式与峰值检测模式类似。但是包络模式是由多次捕获得到的多个波形的最小和最大波形点,重新组合为新波形,表示波形随时间变化的最小/最大量。常常利用峰值检测模式来捕获记录,组合为包络波形。

  平均值模式:对于平均值模式,在每一个波形间隔,示波器存储一个采样点,这一点与采样模式一致。随后处理方式则不同,该模式算出连续捕获得到的波形点的平均值,然后产生最后的显示波形。平均值模式在减少噪声的同时并没有损失带宽,但它处理对象是重复的信号。

 

gooxian-采用

  捕获系统的启动和终止

  数字示波器的最大优点之一是它们能够存储波形,随后再作观察。为此目的,前面板中通常都会有一个或多个按钮,用来启动和终止捕获系统,然后从容地分析波形。另外,您也许需要在一个捕获过程完成之后,或者在某设定的记录已经变为某种包络或均值波形之后,让示波器自动停止捕获。这个特性称为单次扫描或单次捕获,通常在使用其他捕获控制或者使用触发控制时,可以控制该特性。

  采样

  采样是为方便存储、处理和/或显示,把部分输入信号转变为许多离散电信号的过程。信号在某一时刻采样,每一个采样点的幅度与输入信号在那一时刻的幅度值相同。
  采样与抓拍类似。每一个瞬间图象代表波形上某一时刻的特定点。这些瞬象按照时间顺序排列起来,就能够重构输入信号。对数字示波器而言,一组采样点在显示屏上重构波形,垂直轴代表测量幅度,而水平轴表示时间,请参看图28。

   图28 中,输入波形在屏幕上呈现一串点。如果点距离很远,那么很难分辨出波形,解决方法是采用插值法连接各点。插值法利用直线或矢量连接各点。许多插值算法都可以精确显示连续的输入信号。采样控制有些数字示波器可以选择采样的方式:实时采样或者等效时间采样。在示波器的捕获控制部分可以选择捕获信号的采样方式。请注意,对于慢速的捕获信号,选择结果是没有差别的;只有当ADC采样速度不够快速,不能在一遍之内把波形点填充到记录中时,作出选择才是有意义的。

  采样方式

 尽管有许多不同的采样技术的实现,现在的数字示波器采用两种基本的采样方式:实时采样和等效时间采样。等效时间采样可以进一步分为两种子类:随机和顺序。每一种方式都根据测量对象的不同有各自独特的优势。

 

gooxian-实时采样

 

gooxian-脉冲

  实时采样

  对于频率范围在示波器最大采样速率一半以下的信号,实时采样是理想的方式。此时,通过一次“扫描”波形,示波器就能获得足够多的点重构精确的图象,如图29 所示。为数字示波器采集快速、单脉冲和瞬态信号,实时采样是唯一的方式。

   为了精确数字化高频瞬态事件,必需要有足够的采样速率,数字示波器的实时采样才能很好的完成这样的任务。如图30 所示。这些事件只发生一次,必须在发生的同一时间帧内对其采样。如果采样速率不够快,高频成分可能会“混叠”为低频信号,引起显示混叠。另外,一旦波形经实时采样数字化,必需的高速存储器也带来更多的复杂性。为精确体现高频成分,涉及采样率和记录长度的概念,如果需要详细了解,请参看性能术语和应用部分的采样速率和记录长度一节。

  

QQ截图20171228104452

  利用插值法的实时采样。数字示波器获取被显示波形的离散样值。但是,如果信号只是由各点表示,则很难观察,特别是信号的高频部分,获取的点很少,更增加了观察的难度。为增加信号的可视性,数字示波器一般都使用插值法显示模式。

  简单地说,插值法“连接各采样点”,即使信号在一个周期内仅采样几次,也能有精确的显示。对于利用插值法的实时采样,示波器在单程内只收集很少量的采样点,在间隙处利用插值法进行填充。插值法是利用一些点推算出整个波形样子的处理方法。

  线性插值法在相邻样点处直接连接上直线。这种方法局限于重建直边缘的信号,比如方波。参看图31。参照图31,sin x/x 插值法利用曲线来连接样点,通用性更强。Sin x/x插值法利用数学处理,在实际样点间隔中运算出结果。这种插值法弯曲信号波形,使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通形状。当采样速率是系统带宽的3 到5 倍时,sin x/x 插值法是建议的插值法。

 

gooxian-示波器信号




  

   等效时间采样

  在测量高频信号时,示波器可能不能在一次扫描中收集足够的样值。如图32 所示,当信号频率超过示波器采样频率的一半时,等效时间采样可以精确捕获这些信号。等效时间数字化器(采样器)利用的原理是,大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。为构建重复信号的图象,在每一个重复期内,等效时间只采样采集少量的信息。象一串灯一盏一盏依次点亮那样,波形逐渐累积而成。利用这样的方式,即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率,也能形成精确地采样。

  有两种等效时间采样的方法:随机和连续。每一种都有其优势。随机等效时间采样允许输入信号的显示先于触发点,而不需要使用延迟线。连续等效时间采样提供更大的时间分辨率和精度。两者都要求输入信号具有重复性。

 

gooxian-等效时间采样

   随机等效时间采样。随机等效时间数字转换器(采样器)采用内部的时钟,它与输入信号和信号触发器的时钟不同步,如图33 所示。样值连续不断地获得,而且独立于触发位置,显示时则由样值和触发器的时间差决定。尽管采样在时间上是连续的,但是相对于触发器则是随机的,由此产生了“随机”等效时间采样的说法。当在示波器屏幕上显示的时候,采样点沿着波形随机地出现。

   捕获和显示样值优先于触发点的性能是这种采样技术的关键优势,这样,不再需要外部的预触发信号或延迟线。取决于采样速率和延迟时间窗,随机采样可以在一次触发事件中捕获多个样值。然而,对于更快的扫描速度,捕获窗口很狭窄,数字转换器不能在每一次触发时采到样值。对于这些具有更快交换速度的地方,往往需要进行相当精确的定时测量,而连续等效时间采样可以利用额外的时间分解方法,显得非常有利。
   连续等效时间采样。连续等效时间采样在每一个触发捕获一个样值,而不依赖于时间/ 格(time/div)的设置和扫描速度,如图34 所示。每发现一个触发,经过一段虽然非常短却明确的延迟,就获得样值。当发生下一次触发时,延迟增加一段小的时间增量(delta t),数字转换器则又采下一个样值。该过程重复多次,“delta t”不断增加到前一个捕获量中,直到时间窗口填满。当需要显示到示波器屏幕中的时候,样点从左到右沿着波形顺序出现。
   从技术的角度,产生一个非常短非常精确的“delta t”,与准确测量与采样触发点相关的垂直和水平位置相比,前者要容易的多。精确的测量延迟使连续采样器很难控制时间间隔分辨能力。既然如此,如果采用连续采样,一旦发现触发电平,就对信号进行采样,如果没有模拟延迟线,触发点不可能得到显示,但是延迟线的存在会减少仪器的带宽。如果提供外部的预触发器,那么带宽就不会收到影响。





关键词: 模拟     数字     示波器    

共1条 1/1 1 跳转至

回复

匿名不能发帖!请先 [ 登陆 注册 ]