示波器顯示的波形可能是假的……
[導(dǎo)讀]大家好，我是LR梁銳。熟練使用示波器是電子工程師的必備技能，然而示波器的使用頗有些門道，一些老工程師一不小心也會中招。本文重點分析示波器的“假波”現(xiàn)象。?數(shù)字示波器的假波現(xiàn)象圖1數(shù)字示波器觀察到的假波現(xiàn)象在使用數(shù)字示波器時，是否會遇到輸入信號頻率為10MHz，而示波器測量出來卻是...
大家好，我是LR梁銳。熟練使用示波器是電子工程師的必備技能，然而示波器的使用頗有些門道，一些老工程師一不小心也會中招。本文重點分析示波器的“假波”現(xiàn)象。?數(shù)字示波器的假波現(xiàn)象圖1 數(shù)字示波器觀察到的假波現(xiàn)象在使用數(shù)字示波器時，是否會遇到輸入信號頻率為10MHz，而示波器測量出來卻是遠小于10MHz頻率的信號波形，你可能會認(rèn)為這是一個高頻率小信號疊加低頻率大信號，請不要急著做這樣的結(jié)論，可能此時已經(jīng)出現(xiàn)了假波現(xiàn)象了。
圖1給出信號實際波形和假波的圖形，從圖中可以直觀的看出假波和實際波形的區(qū)別。隨后會討論假波形成原因、特征以及如何判斷測量中是否出現(xiàn)假波現(xiàn)象。
假波現(xiàn)象形成的原因
了解假波現(xiàn)象如何形成，就得要知道數(shù)字示波器的工作原理。圖2是數(shù)字示波器工作原理框圖，與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進行存儲，存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止。對樣值存儲后，數(shù)字示波器再重構(gòu)波形。顯然示波器是否能重現(xiàn)真實的信號波形，其中關(guān)鍵的步驟就是采樣。
根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，要保證信號在恢復(fù)時不發(fā)生混迭現(xiàn)象和失真，采樣率至少為信號最高頻率帶寬的2倍以上。可想而知，如果示波器采樣速率不高，無法建立起精確的波形記錄時，就會出現(xiàn)假波現(xiàn)象，如圖1所示顯示為低頻信號波形，或者觸發(fā)顯示為不穩(wěn)定的波形。
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圖2 數(shù)字示波器工作原理框圖假波現(xiàn)象的判斷方法
在實際測量中可以通過以下4個方法判斷示波器測量的波形是否為假波。
注：測試輸入為10MHz，峰峰值800mV的正弦波信號。所用示波器是ZLG致遠電子自主研發(fā)的ZDS1104，帶寬100MHz，最大采樣率1GSa/s，最大儲存深度28MKpts，支持4通道輸入。
1、旋轉(zhuǎn)“t/div”旋鈕改變水平時基檔，如果波形形狀劇烈變化，則可能出現(xiàn)假波現(xiàn)象。?
圖3 水平時基20us/div、采樣率50MSa/s?
圖4 水平時基100us/div、采樣率10MSa/s從圖3和圖4中可以看出，當(dāng)水平時基檔從“20us/div”增加到“100us/div”時，波形發(fā)生劇烈變化，頻率為10MHz的信號示波器測量為4.98KHz，可以判斷時基檔在“100us/div”出現(xiàn)波形為假波。
數(shù)字示波器采樣率fs和水平時基檔（t/div）有如下關(guān)系：
fs=N/(（t/div）)
其中數(shù)字示波器最大采樣速率N是一個定值，可知水平時基檔越大，采樣率越小。水平時基檔增加到“100us /div”時，采樣率也從50MSa/s減小到10MSa/s，根據(jù)奈奎斯特抽樣定律，此時的采樣率小于信號頻率的2倍，也就不能正確的重現(xiàn)波形了。
2、選擇“峰值”捕獲模式，如果波形形狀劇烈變化，則可能有假波現(xiàn)象。?
圖5 標(biāo)準(zhǔn)捕獲模式?
圖6 峰值捕獲模式“峰值”捕獲模式，示波器將對最大值和最小值進行取樣，因此可以檢測更快的信號。圖6中，捕獲模式由“標(biāo)準(zhǔn)”改為“峰值”，采樣率同樣是10MSa/s，示波器顯示的波形形狀劇烈變化?？膳袛喑鰣D5中示波器顯示波形為假波。
3、改變儲存深度大小，如果波形形狀劇烈變化，則可能有假波現(xiàn)象。?
圖7 儲存深度14Kpts?
圖8 儲存深度700Kpts示波器的儲存就是把經(jīng)過A/D數(shù)字化后的二進制波形信息存儲到示波器的高速CMOS內(nèi)存中，內(nèi)存的容量就是儲存深度。儲存深度M與采樣率fs有這樣的關(guān)系：
M=fs×(t/div)
由以上關(guān)系可知，提高示波器的儲存深度可以間接提高示波器的采樣率。圖8中，儲存深度由14Kpts改為700Kpts，波形形狀發(fā)生劇烈變化，可判斷出圖7示波器顯示波形為假波現(xiàn)象。仔細觀察圖5、圖6和圖7，都是由于示波器設(shè)置儲存深度過小，導(dǎo)致采樣率不足造成假波的產(chǎn)生。
4、選擇“峰峰值測量”，在改變水平時基檔、儲存深度或者選擇“峰值捕獲”，當(dāng)波形出現(xiàn)劇烈變化時，若峰峰值不改變，則出現(xiàn)假波現(xiàn)象。?圖3至圖8中都標(biāo)出了峰峰值測量“PK-PK”，當(dāng)水平時基檔、儲存深度和捕獲模式改變，無論示波器顯示信號波形怎么變化，但是峰峰值800mV并沒有發(fā)生變化，可以說明示波器顯示的波形為假波現(xiàn)象。
總結(jié)1、假波現(xiàn)象只會出現(xiàn)在數(shù)字示波器中，現(xiàn)在市場上基本都是數(shù)字示波器。
2、假波現(xiàn)象是由于采樣率不足導(dǎo)致的。示波器最大的采樣率是固定的，實際采樣率是可變的，通過選擇合適的時基檔位和儲存深度可以提高實際采樣率，有效避免假波的產(chǎn)生。
3、示波器測量同一信號在不同時基檔顯示不相同頻率波形時，請用以上4種方法判斷是否為假波現(xiàn)象。
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