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示波器基础知识

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示波器基础知识

无论是新的还是二手的,您的示波器都是一个强大的工具。它使您可以通过显示信号来探索电子电路、解决设置问题并更深入地了解您的项目。您可能为一家技术驱动的初创公司或教育部门工作,对电子产品感兴趣,或者完全出于不同的原因——为了充分和最佳地利用您的范围,您需要用理论知识来补充您的实践经验。在本文中,您将了解

  • 什么是波和信号以及它们的基本属性是什么
  • 有哪些类型的示波器可用以及它们具有哪些功能
  • 示波器的重要性能特性是什么

在深入了解细节之前,让我们先看看示波器到底测量的是什么。

波和信号的解释

所有电子设备都由流过它们的电流供电。然而,一个信号不止于此:它是编码信息。当示波器显示电流的电压时,生成的波形为您提供有关您的电子元件如何运行的信息,并帮助您得出结论。

这种波可以在多个维度上定义和测量。振幅描述波浪波动的高低。波浪重复自身所花费的时间长度(以秒为单位)称为周期,即秒/周期。这频率通过定义波在一次增量内重复的频率来改变这些值,例如周期/秒,表示为赫兹 (Hz)。除了水平偏移之外,两个相同的波之间的差异被描述为相移。

考虑到所有这些维度,示波器上显示的波形或形状可能属于以下类别之一。

  • 正弦波是具有平滑周期性振荡的连续波。例如,家用电源插座等交流电会产生正弦波。
  • 矩形波周期性地在高值和低值之间跳跃,形成边缘而不是曲线。如果线段的长度相等,则波形称为正方形波.
  • 三角波也有线性边缘,也称为斜坡,上升或下降到特定的电压电平。在锯齿波中,一个边缘突然上升或下降,几乎是垂直的。
  • 电压电平在其他方面是恒定的,但显示突然的单次上升和下降,类似于闪烁的光,是脉冲。脉冲串描述了一系列这样的脉冲。脉冲通常表示信号中的错误或毛刺,但也可能在信号携带单个信息数据点时发生。
  • 复波是上述和其他波类型的混合,不一定是周期性的。

另一个重要区别是模拟信号和数字信号之间的区别。作为类比,想想时钟。数字显示器将时间显示为数字。时间单位以小时、分钟和秒的不同间隔表示,从一个到下一个有突然的跳跃。相应地,数字信号传递量化的离散信息。另一方面,模拟时钟上的指针连续移动,读数没有任何跳跃或离散。类似地,模拟信号是连续的,能够在一定范围内呈现任何值。

点击此处阅读有关示波器波形和信号工作原理的更多信息。

示波器基础

有这么多品牌和类型的示波器可供选择,它们看起来可能彼此不同,但大多数都具有相同的基本功能。

阅读本页的基本介绍,或在知识库文章“示波器的基本类型”中深入了解更多详细信息

 

信号输入和输出

通过使用通常位于示波器前端的输入连接器,您可以将其连接到被测设备。它会给你一个输出以波形的形式显示在示波器本身或连接的计算机上的屏幕上。

通过将示波器连接到电子电路,它当然会成为电路中的一个元件。这就是为什么示波器被设计成最小化所谓的负载效应使信号失真,从而尽可能保持信号的完整性或准确性。

您的示波器可以将一系列变量显示为函数。标准应用程序是绘制图形,y 轴是电压,x 轴是时间。这在测试电路中的某个组件以确定它是否按预期运行时特别有用。您可以将接收到的信号与信号应产生的波形进行比较。但是,您也可以使用多个输入通道并将两个输入相互绘制以比较和分析它们,而不是随时间绘制一个变量。

示波器类型

尽管最初开发和使用的示波器是模拟示波器,但现在销售的大多数示波器都是数字的,因为它们提供了更广泛的功能并且可以处理更多类型的信号。两种最常见的示波器是 DSO(数字存储示波器)和 MSO(混合信号示波器)。DSO首先通过衰减器处理电路的模拟输入——放大或缩小信号以适应覆盖的带宽——然后将其数字化,使信息可用于广泛的测量和无限期存储。MSO可以同时监控、显示和触发数字和模拟信号。

有些示波器的设计目的非常明确。手持式或便携式示波器特别轻巧且用户友好。可用的最佳性能以高性能示波器的形式出现。它们的更新和采样率很快,带宽可用性很高,它们具有相当大的存储深度和远远超过标准规格的测量能力,总体上使其特别适合复杂的项目。另一方面,价格范围上提供最佳性价比,并为更适度的预算提供有用的测量工具。质量好的示波器可以进行多年的精确测量,这就是为什么二手和翻新的示波器是购买时的绝佳选择,尤其是在预算有限的情况下。

触发的工作原理

触发器决定捕获输入信号的时间窗口,即何时记录信息。它允许您捕获瞬态事件并通过提供稳定且可用的波形显示进行准确测量。

例如,您可以设置下降沿或上升沿超过阈值电压值时的触发。这就是所谓的边沿触发并且是最流行的触发模式之一。毛刺触发允许触发宽度大于或小于某个指定时间长度的事件或脉冲。此功能对于查找可能不常出现的随机故障或错误非常有用。根据测量目标,可以设置许多其他触发模式事件。

继续阅读本文:点击此处继续阅读有关示波器和触发的更多信息

控制和测量

如果你是第一次使用示波器,那么控件的数量可能会让你不知所措,而且它们的标签有点晦涩难懂。即使您以前使用过示波器,更改模型可能意味着您必须重新熟悉新工具的特定功能。在下一节中,将简要概述几乎每个示波器都具有的一些基本控制以及它能够执行的测量。根据型号的不同,您可以通过内置触摸屏将示波器连接到计算机来控制示波器,或者最常见的方法是使用前面板按钮。

 

 

垂直控制

 

顾名思义,这些控件允许您控制显示器的垂直方向。两个主要特征是缩放因子和定位。缩放控件允许您在显示网格的y轴上设置电压/格。换言之,减小电压/格可以放大,增大电压/格意味着缩小。显示的波的位置由垂直偏移量决定,垂直偏移量可以在网格上向上或向下平移。此外,关闭和打开输入通道的按钮有时也位于垂直控件之间。

 

 

水平控制

 

通过这些控件处理水平轴。与上面讨论的垂直控件类似,减少时间/格(这次是在x轴上)使您能够放大波形中更具体的时间点。偏移或水平延迟允许您在时间上来回移动波形。

 

 

触发控制

使用这些控件,您可以设置触发模式以及指定要触发的事件,例如某个脉冲宽度、极性、上升沿或下降沿等,具体取决于模式。您还可以设置触发的耦合(AC 或 DC)以及触发的输入源。例如,您可以在与您正在采样和分析的信号相关的另一个信号上设置触发。

一个单独的按钮使您能够调整触发器的水平位置。将水平延迟设置为零会将您的触发器放置在屏幕的中心,从而将事件之前和之后发生的事情带入视野。如果您正在分析故障并需要有关可能导致故障的原因的信息,这将特别有用。

 

 

输入控件

示波器通常有两个或四个模拟通道,如果您的示波器是 MSO,则还有额外的数字通道。通道已编号,并具有单独的按钮,可让您激活或停用每个特定通道。您还可以为每个通道单独设置耦合设置为 AC 或 DC 以及探头的阻抗。

使用位于输入部分的控件,您还可以指定要执行的采样类型,有两种基本方式可用:实时采样可以通过捕获足够的单个采样点在一次采集中渲染波形,从而在一次扫描中创建完整的描述。等效时间采样仅适用于重复信号,因为它会在多次采集迭代中生成图像。在后续采集中对信号的不同部分进行采样后,它会通过将各个样本拼接在一起来重新创建波形。如果您正在处理高频范围内的信号,即高于 32 GHz,这些信号将太快而无法实时处理,而等效时间采样将是最好的方法。

 

 

基本测量

采集波形后,数字示波器可让您执行各种不同的测量。虽然它们的可用性和复杂性取决于您的新示波器或二手示波器的确切功能,但通常最常见的测量选项会方便地在显示屏上列出。

以下是您可以使用示波器执行的一些基本测量。

  • 周期和频率:这些测量计算信号波形的周期和频率——请查看上面的“波形和信号解释”部分以进行复习。
  • 有效值电压:波形的均方根电压是其幅度的平均值,在此基础上您可以依次计算功率。
  • 峰峰值电压:测量波形周期的最低点和最高点之间的电压差。
  • 上升时间:这测量了信号电压从低电平变为高电平所需的时间。它通常不依赖于绝对峰值,而是从 10% 开始计算,然后计算信号到达上述峰峰值的 90% 所需的时间。
  • 脉冲宽度:脉冲宽度的测量从电压的 50% 标记(峰峰值)开始,然后计算信号上升或下降到其最小或最大电压并回到 50% 所需的时间。

这个简短的概述远远不够全面,因为大多数示波器,无论是旧的还是新的,都在其功能集中提供了更多的测量功能。此外,您可以通过预编程功能根据您的测量结果使用示波器进行广泛的数学运算。

性能属性

示波器的特性从根本上决定了其在测试设备时的准确性和可靠性方面的性能。通过熟悉基本属性,您可以决定哪种示波器最适合项目和预期用途,包括新示波器或二手示波器是否适合您。点击此处查看示波器中需要注意的6个性能特性”,以配合超链接的格式

带宽

这必须是示波器最重要的方面,因为它决定了可用的频率范围。只有拥有足够的带宽,您的示波器才能准确地呈现信号——示波器根本不可能正确显示超出其可用范围的信号。带宽以赫兹为单位。

通道

示波器上的独立输入连接器称为通道,可以在只有两个和多达二十个之间变化,最常见的是两个或四个通道。通道还可以传输不同类型的信号。某些示波器(例如 DSO)仅提供模拟通道。 MSO 可以连接数字和模拟通道。

采样率

示波器每秒可以捕获的样本数称为采样率。根据经验,示波器的采样率应至少是带宽的 2.5 倍,理想情况下是其带宽的 3 倍甚至更大。如果您使用的示波器的采样率对于您的被测设备 (DUT) 而言太低,则显示的信号将失真,可能会严重失真。在规格表上,制造商通常会列出示波器的最大采样率。但是,有时只有在通道的使用被限制为一两个时才能达到此最大容量,因此请仔细检查您可以使用多少个通道,同时仍保持指定的最大采样率。

内存深度

ADC(模数转换器)是数字示波器的一个组成部分,因为它将模拟输入波形数字化,然后存储数字化数据。这就是内存深度变得重要的地方。它限制了一次可以存储多少数据点或样本。这也使得存储深度成为影响示波器采样率的重要因素。可用的存储深度越多,示波器在捕获波形时保持最大采样速度的时间就越长。

更新率

示波器收集数据点并因此更新显示波形的速度取决于更新速率。示波器会产生波形显示是实时发生的错觉,但波形的采集实际上是按间隔执行的,其间有死区时间。这意味着您错过了部分波形,并且如果在此死区时间内发生毛刺、错误或其他偶发事件,则不会在示波器上显示。更高的更新率可以缩短死区时间,从而提高捕获此类瞬态和不频繁事件的几率。最大更新速率可能仅在特定采集模式下可用,这会极大地限制示波器的性能。因此,请仔细阅读更新速率规范。

连接功能

示波器可以配备不同的连接选项。无论是外接显示器端口和硬盘驱动器、USB 端口还是其他功能,它们都可以通过节省时间和流畅的数据传输来更轻松地完成任务。有些示波器甚至可以通过 PC 远程操作。考虑到这些方面对工作流程的巨大影响,不要低估良好连接功能的重要性和价值。

示波器探头

如果没有探头,您的示波器将是不完整的,因为这些是将示波器连接到 DUT 的原因。探头的性质和质量会影响显示测量和信号分析的准确性。探头对于信号的完整性至关重要,因此您必须谨慎选择,以免限制示波器的功能。

现在快速浏览三种基本探头类型。

  • 无源探头无需内部电源即可使用,因为它们仅具有顾名思义的无源组件。这些探头可以很好地覆盖带宽低于 600 MHz 的信号。它们坚固耐用,通常价格低廉,同时用户友好、准确且用途广泛。
  • 带宽超过600 MHz的信号需要有源探头。由于它们包含有源组件,因此它们需要供电。它们有时通过带有 USB 连接器的电缆或示波器的主机本身来支持。这些有源元件可以调节或放大信号并覆盖更大的信号带宽,这就是它们经常用于高性能设备和电路的原因。由于有源元件,这种类型的探头通常比无源探头贵。它也往往对损坏更敏感,并携带更重的探头尖端。然而,这些探头确实允许以相当高的频率测试信号,并尽可能减少电容和电阻负载。
  • 使用您的范围,电流探头可以测量电路的电流。它们通常很大,仅覆盖高达 100 MHz 的有限带宽。

更多类型的探头和探头附件(例如不同类型的探头尖端)可供选择,完全取决于您的预期测量和 DUT 的特性。进一步阅读:如何为您的示波器选择合适的探头

最后

这篇简短的概述旨在为您提供示波器基本原理的入门知识,但当然还有更多需要学习的内容。如果您渴望将您的知识付诸实践,请查看我们关于二手Keysight示波器的最新交易。无论是带宽还是采样率,它们的规格往往比新型号的更高,价格也更低。查看是德科技二手仪器官方网站,为您找到质量卓越且节省成本的优质示波器。

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