示波器基础知识问答
1． 在带宽一定的条件下，采样频率太大是否也没有太大的意义？ 答：带宽是限制被测信号高频分量被捕获的基本条件。使用泰克的示波器每个被测信号周期只需2.5 个点就能够最大限度的重构波形。其它一些示波器需要大于4个样点/周期，即 100MHZ 带宽示波器单次采集至少需要400MS/s 的采样率，有些示波器甚至需要10个点（线性内插技术）才能保证采集信号有意义。 2． 所谓高斯响应示波器和平坦响应示波器各有何优缺点和适合的领域？ 答：在示波器的规范中并没有平坦相应和高斯相应的指标。在示波器中会出现类似的比较或探讨，可能有如下原因： 众所周知，示波器是时域的仪器，从泰克发明第一台可触发的模拟示波器以来，示波器的带宽一直是最重要的指标，它是指示波器内部的前置放大器的模拟带宽。但是，示波器带宽的 定义却是频域的定义，即正弦波幅度衰减到-3dB点时的频率点。一个复杂高速信号含有丰 富的频谱分量，如果需要精确测量信号，必须知道它们的每一个频谱分量的幅度和相位，所 以示波器的幅频特性和相频特性非常重要。从最近几年的发展来看，目前数字示波器的带宽越做越高，从泰克 2000 年推出 TDS7000 4GHZ 带宽示波器，2001年推出TDS6000 6GHZ 带宽示波器，2003年推出TDS7704B 7GHZ 带宽示波器，到最近 TDS6804B 8GHZ 带宽示波器，带宽几乎每年都在提升。当示波器带宽 到达几个 GHZ 时，前置放大器作为模拟器件，保证良好的幅频和相频特性越来越难，泰克是掌握这一最关键技术的唯一公司。有些厂商无法做到，就不得不采用其它的一些方法来修补模拟器件带宽的不足，获得更高的带宽，频响曲线自然发生变化。随着目前各种高速信号越来越多，信号速率越来越快，对实时示波器提出了新的要求，示波器厂商的数字示波器中也出现了一些新的技术，最显著的是示波器通过数字信号处理技术 （DSP）来得到更好的性能。DSP 就在数字示波器主要应用包括：增强带宽、更快的上升时间、增益和波形校准与改善、幅度和相位的改善、光参考接收机归一化，其中泰克的第三代示波器（DPO）就是 DSP 技术的最好体现。合理的利用 DSP可以提升示波器测试的信号保真度。 但是，DSP技术的使用会是每一个示波器的使用者产生迷惑，特别是在“带宽是否可以通 过 DSP 可以提升”，“ 示波器的带宽是模拟带宽，和DSP 技术有何关系”，“当前的示波器 带宽到底是模拟带宽还是DSP带宽？”“DSP技术带来的负面效应是什么？”在泰克最新的TDS6804B 8GHZ带宽的示波器中的模拟带宽是7GHZ，通过 DSP 增强后的带宽是8GHZ，为了保证每一个测试人员对这两种方式的理解，在 TDS6804B 中可以打开和关闭 DSP 的带宽增强功能。泰克将 DSP增强带宽带来的优点和问题告诉每一个测试人员，帮助测试人员理解模拟带宽和 DSP 增强带宽的测试结果，更好的进行高速信号测试。 3． 除高斯响应示波器和平坦响应示波器之外，还有基于其它响应的示波器吗？ 答：示波器前置放大器的频响特性是决定测试结果的最关键因素，它由模拟器件决定。关键在于用何种方法来获得足够的频响。 4．以前在用 TDS744,TDS745 等示波器时，使用的是无源探头(如 P6139A,带宽 500M)。 在购买了有源探头(P6237)之后，从测试波形来看(特别是测高频信号时)，两者的测试结果差异较大。从探头参数得知，有源探头的输入电容<1pF，而无源探头则为10pF 左右。这样看来应该是有源探头的测试结果更能反映信号真实的情况。既然无源探头对高频信号衰减很大, 那么500M 的带宽有什么意义呢? 如何根据测试情况来选择使用有源或无源探头？ 答：您的 P6139A 探头加上泰克的 500MHz 示波器典型带宽值还是可以达到 500MHz，但是正如您所说，其输入电容不同，这一电容将产生对于待测信号的负载效应，造成信号振铃，形状发生改变，因此这个时候使用有源探头时能反映信号的真实情况。实际上，使用探头不光要考虑带宽，所有这些因素我们在测量高频信号的时候都要考虑：带宽/上升时间、动态范围、负载效应、接地效应、共振效应，尤其P6139A时您还要考虑地线的影响，探头上的接地线也会带来振铃，测量高频信号的时候应该尽量缩短地线的长度。 另外，您使用的P*7是有源差分探头，共模的影响也可能是一个因素。 选择无源探头主要是因为其动态范围大，比如 P6139A 可以测量从毫伏到几百伏的信号，而 P*7 只能测量＋－8.5V 的信号。另外有源探头价格也是一个因素。 5．实验时，示波器接地线后，导致 MOsfet 炸掉，现在将示波器都剪掉了地线。这是什么原因？ 答：为保证测试中的人身安全以及获得良好的测量效果，一般示波器的所有探头的地线都与机壳连接在一起，并连接到示波器电源线的地线。因此，您在电源中测量MOSFET 管波形的时候，如果其中任何一个点都不是地，就会产生问题，如下图所示。 剪断地线可以防止对MOSFET管测试中的短路问题，但是也会带来一些其它的测试问题， 比如示波器机壳带电，示波器机壳分布参数对测量信号造成影响等。解决的办法是使用差分探头，比如泰克的 P5205，可以测量所谓的2个测试点都不是地的差分信号。 6．用示波器抓取数据时，发现存储的文本里只有当前屏幕的数据，且是按照 resolution 为时间间隔的。如何利用软件实时处理数据（matlab），如何抓到更多数据？ 答：泰克示波器采用压缩屏幕的显示风格，即屏幕显示的波形为采集下来的所有数据，配合 TDS5000B 的 multiViewZoom 功能，可以方便显示所有波形。 泰克 TDS5000B，TDS6000，TDS7000B，TDS8000B 系列示波器都采用完全开放的 WINDOWS 平台，支持当前所有的流行工具，像Matlab，LabView，VB，VC，.NET，MicroSoft Office VBA 等等，可以灵活进行数据分析和处理。 这些分析工具还可以直接安装在示波器里面，构成一台集数据采集，分析，显示，处理的仪 器。 单次采集更多的数据，需要示波器配备更深的存储深度，象 TDS5000B 系列通用示波 器可以支持到 16M 内存。 7． 影响示波器工作速度的因素有哪些？ 答：实际上任何一台示波器的原理都差不多，前端是数据采集系统，后端是计算机处理。影响速度主要有两方面，一是从前端数采到后端处理的数据传输，一般都是用 PCI 总线，此乃传输瓶颈, 但已有新技术可以突破；另一个是后端的处理方式，提高处理速度可以通过数据分包共享来实现。 8． 我们的应用通常会捕获 2M 甚至更多的数据进行分析, 且采样率通常会高达 10GS/S, 但在进行参数测试和 FFT 等分析时总是显得很慢, 为什么？ 答：处理的数据量大，速度自然会慢。要想获得大数据量的高速实时 FFT 分析，除非采用专用 FFT 处理器，但成本较高。 9．使用泰克的TDS2014数字示波器抓一个并口的时序时，总能测到能量很强的50Hz交流，而测不到信号，但是示波器的地和所测并口的地是一致的，怎么办？ 答：可以从以下几方面入手： ① 检查示波器是否很好的接地或采用隔离变压器隔离； ② 附近是否有较强 50Hz 信号感应； ③ 在较强干扰环境下，应注意并口的驱动能力及工作频率与测试操作选择是否合适。若只看到50Hz干扰正弦波，且波形较规则，则应考虑并口可能未工作； ④ 检查一下探头尖是否损坏了； ⑤ 建议把用不着的外设都拨掉，也有可能从显示器上来的； ⑥ 如果示波器用了很久，就要考虑底线是否正常，就是那个小夹子。 把探头取下，用万用表量一量。 10．要解决抗电源干扰问题，想测量总电源的干扰信号串入到弱信号放大器电源的情 形。结果，即使示波器探头和地连在一起，都有干扰信号，不管测哪里都一样。干扰信号是音频。这是为什么？ 答：要注意的问题有： ① 示波器的接地问题，示波器的机壳和探头的参考地线都是连接地线的，因此良好的 接地是测量干扰的首要条件； ② 示波器参考地线引入的干扰问题，由于普通探头通常都有一段接地线，会与待测 点构成一个类似环形天线的干扰路径，引入比较大的干扰，因此要尽量减少这一干扰，可以采用的方法是将探头帽拿掉，不使用探头上引出的地线，而直接使用探头尖端和探头内的地点接触待测点进行测量； ③ 使用差分测量的方法，消除共模噪声。泰克提供一系列的差分探头，比如专门针对小信号的 ADA400A 可以测量到几百微伏，用于高速信号测量的 P7350 提供高达 5GHz 的带宽； ④ 在泰克的很多示波器里提供高分辨率采集（Hi-Res）的信号捕获模式，可以过滤信 号上叠加的随机噪声。 11．在 EMC试验中有时候会出现指示表短暂的指示消失现象，使用示波器进行检测，发现试验过程中示波器有屏幕整个晃动的现象。试验的项目是 EFT（瞬变脉冲串抗扰度 试验），如何解释和怎样在试验中消除这种现象？ 答：EFT 有时会对示波器造成干扰，造成误触发，可尝试使用示波器的高频抑制触发模式，限制示波器带宽等办法。 12为什么示波器有时候抓不到经过放大后的电流信号？ 答：如果信号的确存在，但示波器有时能抓到，有时抓不到，这可能和示波器的设置有关系。通常若您可将示波器触发模式设置成 Normal ,触发条件设置成边沿触发，并将触发电平调到适当值，然后将扫描方式设置成单次方式，如果这种方式还不行，通常仪器可能出了问题。 13．新型数字示波器怎样用于单片机开发呢？ 答：单片机电路开发过程中，一般来讲所用的元件和芯片本身都没有问题，有问题的往往是他们之间相互通信和预想的不同，单片机中，常见的总线是 SPI,I2C,USB,LIN,CAN, 54621A 和 54621D 示波器本身支持串行信号的触发功能，可直接调试串行总线上的通信情况，另外，若您使用DSP结合MCU开发电路板，可能牵涉到软硬件联调，这时您可以用54621D的数 字逻辑通道连接到控制线或数据、地址线上，借以判断在特定的操作条件或子程序运行下， 电路是否能正常工作。而且其每通道2M点的存储深度非常有助于分析问题的原因，观察长 时间的串行信号，观察握手时序等。而且其放大功能，可将信号放大数万倍以观察细节。54621A的价格应在US$2500左右，54621D的价格应该在低于US$4000。 14． 新型数字示波器 54621A 和 54621D 在检测时是否对（Inter-IC）总线的不同信号和不同速率有影响呢？ 答：I2C Bus 信号一般工作速率不超过 400Kbit/s,最近也出现了几 Mbit/s 的芯片，54621A 和 54621D 在设置触发条件时，无需顾及不同速率的影响，但对其它总线，如 CAN 总线，您 先要在示波器上设置 CAN 总线当前的实际工作速率以便示波器能正确解协议，并正确触发。 15． 除示波器 54621A 和 54621D 外，还有什么其他仪器可以检测和分析 Inter-IC 总线 信号？ 答：想对 Inter-IC 总线信号进行进一步的分析，如协议级的分析，可使用安捷伦的逻辑分析 仪，但相对来说，价格比 54621A/D 要高。 16． 数字示波器的各种触发的应用，比如说边沿触发，毛刺触发和脉宽触发等，它们各自适合测试那种信号？ 答：① edge trigger，边沿触发，可设触发电平，上升沿或下降沿。边沿触发也称为基本 触发。 ② advanced trigger，即高级触发，里面含概各种不同的触发功能，可以根据被测信号 的特征，设置相应的触发条件，定位感兴趣的波形。 高级触发是电路调试的关键。在电路调试过程中，如果事先不了解被测信号可能的问题，可 以先使用泰克数字荧光示波器，利用 400,000/秒波形捕获速度，迅速发现电路中的各种问题， 再配合不同的高级触发功能来进行故障的细节定位，这样可以缩短您的调试周期。 17．关于毛刺测量，以前请教过相关的技术人员，得到的答复是，示波器所能捕捉的最小毛刺就是示波器的采样速率。是否所有的示波器都遵循这一规律？此时示波器的前置 滤波器不会对它有影响吗？ 答：不能断言所有的示波器都是这样。比如，有些示波器达到 1GS/s，带宽只有 60MHz，显然，1ns 的毛刺不可能捕捉到。其实捕捉毛刺的能力除了带宽，采样率，还取决于波形捕获率，即每秒能够捕捉的波形数量，详情请参见泰克关于 DPO 的应用**。 50． 在使用示波器时如何消除毛刺？ 答：如果毛刺是信号本身固有的，而且想用边沿触发同步该信号（如正弦信号），可以用高 频抑制触发方式，通常可同步该信号。如果信号本身有毛刺，但想让示波器虑除该毛刺，不显示毛刺，通常很难做到。可以试着使用限制带宽的方法，但不小心可能也会把信号本身虑 掉一部分信息。若使用逻辑分析仪器，一般来说，使用状态采集的方法，有些在定时方式下 采集到的毛刺，就看不到了。 18． 关于毛刺测量，以前请教过相关的技术人员，得到的答复是，示波器所能捕捉的最小毛刺就是示波器的采样速率。是否所有的示波器都遵循这一规律？此时示波器的前置 滤波器不会对它有影响吗？ 答：不能断言所有的示波器都是这样。比如，有些示波器达到 1GS/s，带宽只有 60MHz，显然，1ns 的毛刺不可能捕捉到。其实捕捉毛刺的能力除了带宽，采样率，还取决于波形捕获率，即每秒能够捕捉的波形数量 19． 在使用示波器时如何消除毛刺？ 答：如果毛刺是信号本身固有的，而且想用边沿触发同步该信号（如正弦信号），可以用高 频抑制触发方式，通常可同步该信号。如果信号本身有毛刺，但想让示波器虑除该毛刺，不显示毛刺，通常很难做到。可以试着使用限制带宽的方法，但不小心可能也会把信号本身虑 掉一部分信息。若使用逻辑分析仪器，一般来说，使用状态采集的方法，有些在定时方式下 采集到的毛刺，就看不到了。 20． 在实际工作中，当碰到突发的毛刺信号，如何捕捉和测试？ 答：比如我们在进行时钟测试时，经常会碰到偶发毛刺信号，该信号将会对我们的电路产生 误动作，因此捕获该信号成为测试的关键，由于事先我们无法判断该毛刺为正还是为负，因此我们须先利用 TDS5000 示波器的数字荧光功能即快速波形捕获模式结合无限余辉查看毛刺特征，然后利用示波器的高级触发功能--脉宽触发依照信号特征，如：小于正常时钟脉 冲宽度触发。 21． 毛刺/脉宽触发的应用场合有哪些？ 答：毛刺/脉宽触发一般有两种典型应用场合，一是同步电路行为，如利用它来同步串行信 号，或对于干扰非常严重的应用，无法用边沿触发正确同步信号，脉宽触发就是一个选择；另一是用来发现信号中的异常现象，如因干扰或竞争引起的窄毛刺，由于该异常是偶发显现，必须用毛刺触发来捕获(另一种方法是峰值检测方式，但峰值检测的方法有可能受其最大采 样率的限制，同时，一般是能看，不能测)。若被测对象的脉冲宽度是50ns，而且该信号没 有任何问题，也就是说，没有因干扰，竞争等问题引起的信号畸变或更窄的，用边沿触发就 可同步该信号，无需使用毛刺触发。有不少用户将脉宽触发设置为10ns ~ 30ns，幸运的是，5462x和5464x是业界难得的能完成该操作的仪器。若想验证该10MHz方波中有无异常脉冲，包括比50ns窄很多的脉冲，就会用到脉宽或毛刺触发, 也就有可能会用到5ns的设置。 22． 安捷伦的数字示波器有没有 DPO 功能？ 答：DPO 是一个专用名词，只有一个示波器公司使用该名词，安捷伦对应的功能叫 MegaVision，和 DPO 相同之处是：①可以直接信号中的异常现象。②波形捕获率远高于普 通数字存储示波器。不同之处：①发现异常信号后，MegaVision 可对该异常直接放大并观 察信号细节。②MegaVision 示波器的实时采样率突破 1.25GSa/s 极限，可达 2GSa/s(如 5464xA/D 示波器)甚至更高。③MegaVision 示波器是为需要深存储的应用场合优化的，当示 波器存储深度>10K,甚至 100K, 2M 时，其波形刷新率是业界及其领先的。 23． 如果依据信号上升时间确定了带宽后，按照该带宽确定采样率的原则仅仅是为了实 现无采样混叠误差吗？ 答：确定带宽后再确定采样率，业界的一些公式，的确确定采样率的原则是为了实现无采样混叠误差，但它是泛泛的*估说法，具体还要看您被测对象的特征，因为最高的指标往往是 在特定条件下给出的，未必满足您的测试应用。 24． 示波器如何显示两个采样点之间的波形？ 答：示波器的显示方式有多种：点显示、正弦内插显示、直线连接显示；示波器的缺省显示 方式通常为矢量连接显示方式，有的示波器仅支持直线连接方式；无论是直线连接还是正弦内插，在两个实际采样点之间提供的信息都不是实际采集的，由于直线连接方式可能会导致显示出现突变，如在一正弦波的波峰采集一个点，两边的波谷各采集一点，会显示出三角波， 而用正弦内插显示出来仍是正弦波，所以，有些应用**中的说法是：采用直线连接，对采 样率的要求更高，如10倍的关系(以真实再现波形)；采用正弦内插，对采样率要求稍低以 下，也有**说，2.5 倍就可以，工程上一般说4倍以上，也有5倍，6倍的说法。 25． PCB 板上的高速信号特征：156.25MHZ 差分时钟信号，Rise/Fall Time(20%～80 ％)<100ps，jitter tolerance(p-p<30ps,RMS<2ps),skew(+ vs.-)<20ps，请问需要多高带宽的 示波器才能精确测量？测量误差可达多少？ 答：对于 156.25MHz 差分时钟信号，Rise/Fall Time(20%～80％)<100ps ，若您想精确测试 该上升时间，如 3%的测试精度，0.4/100ps *1.4 = 5.6GHz 带宽示波器及其探头系统，若 10% 精度可接受，0.4/100ps*1.2 = 4.8GHz 带宽示波器及其探头系统。注意若您使用差分探头， 您要确保，从被测点算起，整个示波器的带宽是 5.6GHz, 幸运的是目前安捷伦推出了 7GHz 带宽的差分探头。同时，54855A 本身的上升时间指标实测是 65ps , 说明书上给出 72ps 的指 标。jitter tolerance(p-p<30ps,RMS<2ps) , 要精确测量抖动指标，要求示波器本身的抖动指标 要更高，54855A 本身的触发抖动指标是 1ps RMS ,比业界同类产品好 7 倍，另一相关指标是 Delta Time meas. Accuracy (peak) 是± [ (7.0 ps) + (1 x ppm * |reading|) ]，好过同类产品 2 倍 以上，这和它真正使用 20GSa/s 的 A/D 有关，它消除了使用多个(10GSa/s A/D 或 5GSa/s A/D) 拼凑成一个 20GSa/s 所带来的误差。 26 在选择示波器时，一般考虑的多的是带宽。那么，在什么情况下要考虑采样速率？ 答：取决于被测对象，在带宽满足的前提下，希望最小采样间隔(采样率的倒数)能够捕捉到 您需要的信号细节。业界有些关于采样速率经验公式，但基本上都是针对示波器带宽得出的， 实际应用中，最好不用示波器测相同频率的信号。若您在选型，对正弦波，选择示波器带宽 是被测正弦信号频率的 3 倍，以上，采样率是带宽的 4 到 5 倍，实际上是信号的 12 到 15 倍，若是其它波形，要保证采样率足以捕获信号细节。若您正在使用示波器，可透过以下方 法验证采样率是否够用： 将波形停下来，放大波形，若发现波形有变化（如某些幅值），采样率就不够，否则无 碍。也可用点显示来分析，采样率是否够用。
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