選擇數字示波器的測試方案

　　文章結合數字示波器的幾個(gè)主要性能指標，對其實(shí)現信號完整性的能力進(jìn)行了分析，并提出了在測試過(guò)程中選擇適合數字示波器的參考依據。

　　數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備，相當于具有圖形顯示的電壓表或萬(wàn)用表，能在屏幕上直觀(guān)的顯示信號隨時(shí)間變化的波形，并對波形的周期、電壓、頻率等參數進(jìn)行測量和分析，廣泛應用于科研、生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域，是工程師設計，調試，維修產(chǎn)品時(shí)的主要測試儀表，對測試工作起著(zhù)舉足輕重的作用。

　　很多工程師在使用數字示波器時(shí)，都會(huì )遇到這樣一些問(wèn)題：用計量合格的數字示波器測得的信號幅度和頻率等數據有時(shí)會(huì )與信號本身設計值相差很遠，于是就去找電路的問(wèn)題，但費時(shí)費力后，卻一無(wú)所獲，不知問(wèn)題出在哪里。此外，對于同一信號，使用不同數字示波器測得的結果卻不相同。

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

　　1 數字示波器的主要性能指標

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

　　數字示波器的性能很大程度上影響到其實(shí)現信號完整性的能力，下面根據其主要性能指標進(jìn)行詳細分析。

　?。?）帶寬

　　如圖1所示，數字示波器帶寬指輸入不同頻率的等幅正弦波信號，當輸出波形的幅度隨頻率變化下降到實(shí)際幅度的70.7%時(shí)的頻率值（即f- 3dB）。帶寬決定了數字示波器對信號的基本測量能力。隨著(zhù)信號頻率的增加，數字示波器對信號的準確顯示能力下降。實(shí)際測試中我們會(huì )發(fā)現，當被測信號的頻率與數字示波器帶寬相近時(shí)，數字示波器將無(wú)法分辨信號的高頻變化，顯示信號出現失真。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的數字示波器測量所得的結果。從圖中可以看出，數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，再現的信號越準確。實(shí)際應用中考慮到價(jià)格因素（數字示波器帶寬越高價(jià)格越貴），經(jīng)過(guò)實(shí)踐經(jīng)驗的積累，我們發(fā)現只要數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(mǎn)足一般的測試需求。

　　圖1 頻率響應曲線(xiàn)

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

　　一般數字示波器的上升時(shí)間和帶寬滿(mǎn)足以下公式：

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

　?。?）頻率響應。

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

　?。?）采樣速率。

　　數字示波器的采樣速率表示為樣點(diǎn)數每秒（S/s）。采樣速率越快越能真實(shí)重現原始信號。根據奈奎斯特定理，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(gè)定理的前提是基于無(wú)限長(cháng)的時(shí)間和連續的信號，在實(shí)際測試中，數字示波器的技術(shù)無(wú)法滿(mǎn)足此條件。根據實(shí)踐經(jīng)驗的積累，數字示波器為了準確地再現原始信號，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(shí)際工作中，還必須使用探頭系統（包括探頭和探頭連接附件） 把被測電路的信號引入到數字示波器內部，因此探頭系統的性能直接決定了引入到數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果，為了真實(shí)地重現被測信號，選擇探頭系統時(shí)主要考慮的以下三個(gè)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(gè)因素需正確選擇探頭連接附件，最后一個(gè)因素則需要正確選擇探頭系統的帶寬。在整個(gè)測試系統中，帶寬是由系統內帶寬最低的部分決定的，因此測試信號時(shí)探頭系統的帶寬也是必須考慮的因素之一。而同時(shí)，探頭系統也成為了被測電路的一部分，有一定的負載效應。探頭系統的負載特性表現在三個(gè)方面：探頭系統的輸入電阻、電容和電感。與數字示波器配對的理想的探頭系統將最小化這種負載特性，充分發(fā)揮數字示波器真實(shí)再現被測信號的能力、特性和容限。因此選擇探頭系統時(shí)，最好選用廠(chǎng)家所推薦的探頭型號，并按功能選擇相應的連接附件。

　　3 結語(yǔ)

　　綜上所述，實(shí)現信號完整性的能力是測試中選擇數字示波器的核心衡量標準，影響數字示波器信號完整性的實(shí)現的幾個(gè)因素是：數字示波器的帶寬、上升時(shí)間、頻率響應、采樣速率和探頭系統的帶寬和負載效應。在實(shí)際購買(mǎi)時(shí)，為了取得最優(yōu)性?xún)r(jià)比，可以遵循以下原則：數字示波器帶寬為被測信號最高頻率的3- 5 倍，上升時(shí)間小于被測信號的三分之一到五分之一，頻率響應曲線(xiàn)平坦，采樣速率為被測信號最高頻率的2.5- 10 倍，同時(shí)選擇廠(chǎng)家推薦的探頭系統，即可滿(mǎn)足一般的測試需求