知識百科：了解示波器波形粗細屬性

　　示波器波形展示了真實(shí)的電子信號。在評估示波器性能時(shí)，可以考察它顯示與目標信號形狀相同的波形的能力。假設示波器具備足夠的基本技術(shù)指標——例如帶寬、采樣率和等頻率響應，示波器應當顯示粗波形還是細波形更好一些?這個(gè)問(wèn)題的答案與大部分工程學(xué)問(wèn)題一樣：“視具體情況而定”。

　　現在我們研究一下示波器和信號的屬性，這些屬性有助于用戶(hù)確定是粗波形還是細波形。兩個(gè)關(guān)鍵屬性可使用戶(hù)了解他們的示波器顯示目標信號的能力，分別是更新速率和噪聲。

　　更新速率對波形粗細的影響

　　更新速率表示示波器在1秒鐘內采集、處理與顯示的波形數目。更新速率越高，示波器就能更迅速地顯示被測信號。更新速率越低，示波器就會(huì )花費更長(cháng)時(shí)間顯示與特定波形相關(guān)的細節。目前，示波器的更新速率范圍是在每秒鐘100萬(wàn)個(gè)波形到幾秒鐘1個(gè)波形。只需更改示波器的設置，同一款示波器就能顯示不一樣的速率范圍。更新速率會(huì )受到多個(gè)示波器設置的影響，包括更改采集存儲器的深度，這會(huì )對存儲器深度帶來(lái)極大影響。

　　讓我們看一個(gè)簡(jiǎn)單示例。圖1的上半部分顯示了兩款知名廠(chǎng)商生產(chǎn)的帶寬相等的示波器，示波器持續運行并與完全相同的10MHz正弦波連接。其中一款示波器顯示了較粗的波形，另一款顯示了較細的波形。這會(huì )導致測量值的不同。哪一種更加精確?兩款示波器的最大區別之一就是更新速率。使用相同的設置，其中一款示波器的更新速率為每秒鐘100萬(wàn)個(gè)波形，比另一款示波器的更新速率快16,000倍。

　　這一點(diǎn)對波形有何影響?圖1的下半部分顯示了當開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，連接同一個(gè)信號的兩款示波器會(huì )如何顯示。兩款示波器都會(huì )構建更長(cháng)持續時(shí)間的圖像。10秒鐘后，示波器顯示了相同的波形形狀與波形粗細。在這種情況下，數據速率更高的初始示波器能夠顯示更粗的波形，更清晰地表現每個(gè)示波器的顯示內容。通過(guò)開(kāi)啟無(wú)限余輝，我們能夠快速進(jìn)行評估。

　　開(kāi)啟無(wú)限余輝并等待10秒。兩款示波器顯示同樣粗細的波形。安捷倫示波器的更新速率為100萬(wàn)個(gè)波形/秒，而Tek示波器在常規模式下的更新速率僅為60個(gè)波形/秒。波形粗細與示波器向初始信號中添加的噪聲數量有關(guān)。

　　圖中文字中英對照

　　Both scopes are connected to the same signal,with the same settings Now with infinite persistence turned on.

　　兩款示波器連接到同一個(gè)信號，采用相同的設置現在開(kāi)啟無(wú)限余輝。

　　示波器噪聲對波形粗細的影響

　　示波器測量的精度如何?通常從水平時(shí)基的角度看，示波器的測量精度極高，但從垂直時(shí)基的角度上看，精度就會(huì )顯著(zhù)降低。原因是什么?一個(gè)主要原因是噪聲對測量帶來(lái)的干擾。示波器生成的內部噪聲與被測信號耦合，由此造成信號卷積，噪聲在連續樣本中進(jìn)行數字化、存儲、處理和顯示。示波器的模數轉換器無(wú)法區分由示波器產(chǎn)生的噪聲和由實(shí)際目標信號產(chǎn)生的噪聲。但是，您可以運行一個(gè)簡(jiǎn)單的測試，以確定您的示波器對信號添加了多少噪聲。采取特定的設置組合，快速確定您的示波器將會(huì )產(chǎn)生多少噪聲，并對兩款示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單對比。

　　圖中文字中英對照

　　Both scopes are connected to the same signal,with the same settings

　　4 GHz bandwidth

　　500 MHz bandwidth

　　兩款示波器連接到同一個(gè)信號，采用相同的設置4GHz帶寬 500MHz帶寬

　　圖2顯示了兩款示波器正在查看同一個(gè)10MHz正弦波。其中一個(gè)示波器顯示了更粗的波形。根據前文的示例，示波器是否因為具備更快的更新速率才能顯示更粗的波形?答案是否定的。兩款示波器在開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)具備相同的更新速率，其中一款示波器仍將顯示更粗的波形，而另一款則是顯示較細波形。區別在于，其中一款示波器的噪聲遠遠高于另一款示波器，噪聲差值會(huì )生成更寬的信號。其它的噪聲源包括位于測試設置中的有源和無(wú)源探頭。有源探頭一般使用示波器通道中的50Ω信號路徑，這些路徑的噪聲低于1MΩ信號路徑。

　　如何快速了解某個(gè)示波器會(huì )產(chǎn)生多少噪聲?大部分示波器廠(chǎng)商會(huì )對特定型號進(jìn)行噪聲表征，并在產(chǎn)品技術(shù)資料中包含這些數值。如果廠(chǎng)商未提供，您可以主動(dòng)申請或自行查找。幾秒鐘即可完成測量。

　　斷開(kāi)所有輸入端與示波器前端的連接，將示波器設在50Ω輸入路徑。您還可以在1MΩ路徑上測試。啟用適量的采集存儲器，100Kpts至1Mpts就足夠了。示波器啟用無(wú)限余輝，測量波形的高度。波形越粗，示波器產(chǎn)生的內部噪聲就越多。示波器在每個(gè)垂直設置中具有獨特的噪聲質(zhì)量。您能夠通過(guò)觀(guān)察波形粗細查看噪聲，還能借助電壓AC真有效值測量來(lái)量化噪聲，以進(jìn)行更多的分析。把垂直設置更改為更容易敏感的數值——100mV至10mv/格——您就能夠看到噪聲按照全量程垂直數值的百分比增長(cháng)，如圖3所示。

　　如果初始信號過(guò)窄，那么示波器就會(huì )降低噪聲并顯示較窄波形，可生成更好的視圖和測量結果。更改您的示波器設置以降低帶寬，由此消除了可導致信號過(guò)窄的寬帶噪聲。示波器廠(chǎng)商采取各種方法降低示波器固有噪聲，例如求平均值、高分辨率模式、帶寬限制。噪聲緩解設置非常適合那些具有低噪聲的示波器。

　　目標信號

　　目標信號既可以具備低噪聲也可以具有很高的噪聲。有時(shí)很難確定示波器上顯示的信號噪聲來(lái)自于目標信號還是示波器的內部噪聲。當示波器的ADC進(jìn)行信號數字化時(shí)，ADC無(wú)法區分信號噪聲與示波器內部噪聲。它保存ADC輸出信號并顯示相關(guān)數值。較粗波形能否表示您的測試信號或示波器?有幾種方法可以獲得解答。首先，使用前文提到的方法對示波器的內部噪聲進(jìn)行快速評估。預計在每個(gè)采樣點(diǎn)上添加這種偏差。開(kāi)啟無(wú)限余輝，查看波形形狀是否變粗或者不變。

　　有趣的是，無(wú)限余輝還能展示示波器噪聲對目標信號有何影響。對已知波形進(jìn)行快速測試，觀(guān)察示波器的波形在正常顯示模式和無(wú)限余輝模式下有何不同，由此簡(jiǎn)單了解一下示波器的噪聲和更新速率。如圖4所示，具有高噪聲、低更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì )顯示細波形，當開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，它會(huì )生成粗波形。具有高噪聲、高更新速率的示波器將會(huì )立即顯示一個(gè)粗波形——無(wú)論被測信號是窄還是寬。具有低噪聲、低更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì )顯示細信號，當開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，信號保持不變或者變粗(如果目標信號也產(chǎn)生噪聲)。具有低噪聲、高更新速率的示波器一開(kāi)始會(huì )正確顯示目標信號，當開(kāi)啟無(wú)限余輝時(shí)，已顯示波形的粗細保持不變。

　　圖中文字中英對照

　　Vertical zoom shows total noise height 垂直縮放能夠顯示整個(gè)噪聲高度

　　平均值模式一般通過(guò)降低噪聲使波形變細。平均值模式可使示波器進(jìn)行連續采集，對每個(gè)已捕獲的點(diǎn)求平均值，如圖5所示。這種方法通過(guò)多次采集求取噪聲平均值，能夠降低示波器整體噪聲。平均值權衡包括：平均值法還會(huì )求取目標信號值的平均值，并且僅針對重復信號。

　　高分辨率模式能夠降低噪聲，使波形更清晰地顯示被測信號，如圖5所示。該模式既支持重復信號，也支持單次捕獲信號。在高分辨率模式中，示波器對鄰近樣本求平均值，因而能夠降低整體噪聲。高分辨率模式需要權衡的一點(diǎn)是：示波器必須對樣本求平均值，由此得到的平均采樣點(diǎn)的出現頻率會(huì )低于比初始采樣點(diǎn)。這會(huì )降低有效采樣率和整體帶寬。

　　圖中文字中英對照

　　Averaging(n=4) 平均值(n=4)

　　您是否還在思考細波形和粗波形的優(yōu)劣?您現在擁有一定的專(zhuān)業(yè)知識和技術(shù)，能夠選擇一款更忠實(shí)再現您的目標信號波形的示波器?；蛘?，您已經(jīng)選定某款示波器，您可以利用這些方法確定示波器如何顯示被測信號的細波形或粗波形。