随着电子技术的迅猛发展,作为研发重要工具的示波器不仅从技术指标上不断提升,其结构也在不断变革,功能越来越强大。
Tektronix公司推出的475A型便携式模拟示波器
阴极射线管内部结构
Tektronix的混合域示波器MSO
Tek的数字荧光示波器
不同种类示波器的内部结构
Siglent公司生产的手持式数字存储示波器
PicoScope公司生产的基于USB的数字示波器
ADI的多功能口袋仪器ADALM2000
示波器的屏幕显示
波形显示区域用网格线(或分度线)来分割,垂直方向的分割线表征了电压/刻度的设置,水平方向的分割线表征了秒/刻度的设置
除了最基本的波形显示功能以外,我们还可以对被测电信号的参数进行“测量”,能过快速地对信号的周期、频率、幅度以及其它波形特性进行定量地标定。测量的方式主要有以下三种:
我们能测量到哪些信息呢?
示波器的前面板功能分布
除了仪器本身之外,示波器还配有测量用的探头,这些探头被用来连接被测的信号点。
作为一种工具,示波器除了具有能够让使用者简单易用的操作界面之外,更要满足被测信号必要的功能和性能指标,示波器的核心技术指标主要有以下几个:
示波器的ADC是模拟电压到可供处理、显示的数字量之间的桥梁,它是整个系统的枢纽,因此示波器的核心技术指标也都围绕着ADC进行展开的,我们先来看一下ADC的取样过程:
对正弦波进行采样的过程
基于采样点重建的原始信号波形
3dB带宽的定义
对于100MHz的数字时钟,100MHz带宽的示波器和500MHz带宽的示波器得到不同的结果
为达到较好的观察效果,针对模拟应用,示波器的模拟带宽需要高于3x最高正弦波频率,对于数字信号,需要5x最高数字时钟速率的带宽,更准确的带宽的定义基于信号边沿的速度。不仅示波器的模拟链路部分有带宽的限制,示波器的探头也有带宽的限制,因此在使用的时候要正确选用,以便满足测量的要求,为达到“平坦”的频率响应,多数的探头有“补偿”功能
较高的采样率有较小的失真
采样率太低导致频谱混叠-得到较低频率的差频信号
由于混叠在示波器上看到的波形效果
在整个数据采集的过程中,探头的带宽、模拟链路放大器的带宽、ADC前面抗混叠滤波器的设置以及ADC的采样率作为一个整体,决定了被测信号的上限模拟带宽(模拟信号)或数字信号的边沿速度。一般来讲一个20Msps采样率的ADC可以用于对2MHz以内的模拟信号进行采样-抗混叠滤波器的3dB转折点设置为为2MHz,其有效的截止频率为10MHz(奈奎斯特频率),这样可以避免非常陡峭的滤波器带来的人为混叠。
4bit分辨率-16个比较等级
5bit分辨率-32个比较等级
6bit分辨率-64个比较等级
被测信号能被分辨的最小电压变化取决于ADC的分辨率位数以及满量程的输入电压范围,它们之间的关系为:最小电压=满量程电压范围/ADC的等级数量
例如ADC的满量程电压范围为3.3V(一般处理器自带的ADC都是以供电的3.3V为其参考电压),12位分辨率,则其能分辨的最小信号电压变化为3.3V/4096~0.8mV
一次记录12个采样点
一次记录24个采样点
一次记录36个采样点
越高的存储深度意味着可以观察到更多的信号细节,付出的就是存储器容量的增加。
最基本的设置如下图:
数字存储示波器的内部构成
Arrow提供的双通道示波器设计实物图片
Digilent推出的AnalogDiscoveryII实物照片
AnalogDiscoveryII的连线图
DigilentAnalogDiscovery2是一款基于USB的示波器/多功能仪器,用于测量、可视化、产生、录制以及控制所有种类的混合信号电路。模拟和数字信号的输入/输出可以通过简单的连线同待测的电路进行连接也可以通过提供的BNC适配器和BNC探头进行连接。