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數(shù)字存儲示波器基礎(chǔ)一

作者: 時間:2017-01-06 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201701/337066.htm時基和水平的分辨率

  在器中,水平系統(tǒng)的作用是確保對輸入信號采集足夠數(shù)量的采樣值,并且每個采樣值取自正確的時刻,和模擬示波器一樣,水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時基的設(shè)置(s/格)。
  構(gòu)成一個波形的組全部的采樣叫作一個記錄,用一個記錄可以重建一個或多個屏莫的波形,一個示波器可以貯存的采樣點數(shù)稱為記錄長度或采集長度,記錄長度用字節(jié)或千字節(jié)來表示,1千字節(jié)(1KB)等于1024個采樣點。
  通常,示波器沿著水平軸顯示512采樣點,為了便于使用,這些采樣點以每格50個采樣點的水平分辨率來進(jìn)行顯示,這就是說水平軸的長為512/50=10.24格。
  據(jù)此,兩個采樣之間的時間間隔可按下式計算:
  采樣間隔=時基設(shè)置(s/格)/采樣點數(shù)
  若時基設(shè)置為1ms/格,且生格有50個采樣,則可以計算出采樣間隔為:采樣間隔=1ms/50=20us
  采樣速率是采樣間隔的倒數(shù):采樣速率=1/采樣間隔
  通常示波器可以顯示的采樣點數(shù)是固定的,時基設(shè)置的改變是通過改變采樣速率來實現(xiàn)的,因此一臺特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時時設(shè)置之下才是有效的。在較低的時基設(shè)置之下,示波器使用的采樣速率也比較低。
  設(shè)有一臺示波器,其最大采樣速率為100MS/s那么示波器實際使用這一采樣的速率的時基設(shè)置值應(yīng)為
時基設(shè)置值=50樣點×采樣間隔
     =50/采樣速率
     =50/(100×106)
     =500ns/格
  了解這一時基設(shè)置值是非常重要的,因為這個值是示波器采集非重復(fù)性信號時的最快的時基設(shè)置,使用這個時基設(shè)置時示波器能給出其可能的最好的時間分辨率。
  此時基設(shè)置值稱為“最大單次掃描時基設(shè)置值”,在這個設(shè)置值之下示波器使用“最大實進(jìn)采樣速率”進(jìn)行工作。這個采樣速率也就是在示波器的技術(shù)指標(biāo)中所給出的采樣速率。

實用上升時間

  在很多示波器應(yīng)用場合,都要進(jìn)行信叼開關(guān)我的測量,即測量上升時間和下降時間。
  從第一章我們已經(jīng)知道,示波器的上升時間決定了該示波器能夠精密進(jìn)行測量的最快瞬變我對于模擬示波器來說,上升時間特性。對于模擬示波器來說,上升時間特性完全取決于示波器的模擬電路。
  如果DSO,則示波器可以采集到的最快的瞬變特性不僅取決于其模擬電路,也取決于其時間分辨率。為了正確的進(jìn)行上升時間的測量,必須在我們關(guān)心的信號邊緣上采集到足夠的細(xì)節(jié)信息,這就是說,在瞬變期間必須采集很多采樣點。這個上升時間稱為DSO的有用上升時間。并且其時間值是時基設(shè)置值的函數(shù)。
  我們將在本書的練習(xí)部分(第六章)更詳細(xì)的討論上升時間測量的問題。

最大捕捉頻率及香農(nóng)(Shannon)采樣準(zhǔn)則

  當(dāng)人們最初探索將信號進(jìn)行數(shù)字化的時候研究工作就已揭示,為了很好的恢復(fù)原來的信號,在進(jìn)行信號數(shù)字化的時候就要求采樣時鐘的頻率至少應(yīng)為信號本身所包含的最高頻率的兩倍,這個要求通常稱為香農(nóng)采樣定理。
  然而,這項研究工作是針對通信應(yīng)用領(lǐng)域而并非針對示波器為進(jìn)行的,現(xiàn)在來看圖22。從圖中看出。當(dāng)使用兩倍于信號頻率的采樣時鐘時。信號頻率確實可以恢復(fù)。使用恰當(dāng)?shù)牟ㄐ沃亟ㄑb置我們就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是問題睦的是這樣簡單嗎?
  現(xiàn)在我們設(shè)想在進(jìn)行波形的數(shù)字化時仍然使用相同的采樣時鐘,但是將采樣點選在和原來略為不同的時刻,不定在信號的峰值點,這樣一來,信號的幅度信息就會嚴(yán)重失誤,甚至可能完全丟失,事實上。如果采樣點準(zhǔn)確地取在信號地過零零碎碎點(見圖22下圖)那么由于所有的采樣取到的采值均為零零碎碎,我們將完全觀測不到信號。

圖22 用兩倍于信號頻率的采樣速率對正弦波進(jìn)行采樣。
分別示出采樣點位于信號峰值點和采樣點接近信號過零零碎碎點兩種情況

示波器是用來研究信號的,為了很好的研究主事情不僅要求正確的表示信號頻率并且還要求準(zhǔn)確地表示信號波形的幅度。從圖23可以看出,如果每個周期用三個采樣點對信號進(jìn)行采樣。則再現(xiàn)的波形也會發(fā)生很大的失真。

圖23 以每周期約三個采樣點進(jìn)行采樣的信號波形

根據(jù)經(jīng)驗通常認(rèn)為每周期最小要了十個采樣點才能給出足夠的信號細(xì)節(jié)。在有些情況下,對信號怕細(xì)節(jié)要求低一些,這時每周期取五個樣點可能就足以給出有關(guān)信號的特性(見圖24)。這樣,對于一個最大樣率為200Ms/s的示波器來說,能夠準(zhǔn)確采集的最大信號頻率即為20于40MHz。在這種情況下,還可以使用特殊的顯示系統(tǒng)來提高顯示波開有的保真度。其方法是通過各個采樣點畫出最佳擬合的正弦曲線。這種方法稱為正弦內(nèi)插。

圖24 以每周期五個采樣點進(jìn)行采樣的信號波形

假象(Aliasing)現(xiàn)象

  我們已經(jīng)知道,為了重建一個波形,至少需要一定數(shù)量的采樣點,而且在任何情況下采樣時鐘的頻率都必須比信號頻率高五至十倍。
  如果采樣時鐘頻率比信號頻率代,那么我們將會得到不可預(yù)料的結(jié)果。
  讓我來看一下圖25所示的情況。如圖所示,我們從信號波形的不同周期連續(xù)獲到采樣點,然而。每一個新的采樣點的采集都發(fā)生在相對信號過零點的時間間隔略為長一點的時刻。如果我們現(xiàn)在來顯示這些采樣點并用它來重建信號波形,則顯示出的仍然是一個正弦波。但是這個正弦波的頻率和原來輸入信號的頻率完全不同。這種現(xiàn)象稱為假象信號或者不正確頻率的幻影信號。然而,它卻可能表示出正確的波形形狀,而且往往還具有正確的波度幅度。

圖25 假象信號正弦波

多數(shù)現(xiàn)代示波器都調(diào)用有所謂自動設(shè)置功能,一旦輸入信號連好以后,示波器就能自動地造反適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)系數(shù)和時基設(shè)置值。這種自動設(shè)置功能也能幫助避免假象現(xiàn)象。
  在有些情況下,信號的頻率變化得非???,以致于在某一時刻選定的時基設(shè)置是正確的,而在另一時刻(或者對于信號的另一部分而言)示波器又顯示出假象信事情,這時可以用峰值檢測功能(見2.2節(jié))來發(fā)現(xiàn)任何時刻信號的真正幅值。
  為了獲得這種復(fù)雜信號的起初波形,建議使用組合示波器的模擬方式來觀察信號,歸要結(jié)底,模擬方式是不可能發(fā)生假象現(xiàn)象的。


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