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                    數字示波器使用必須注意的事項

                    發布時間:2012-06-22   點擊次數:3131次

                     

                    前言

                      數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等*優點,其使用日益普及。由于數字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異,如果使用不當,會產生較大的測量誤差,從而影響測試任務。

                    區分模擬帶寬和數字實時帶寬

                      區分模擬帶寬和數字實時帶寬

                     

                      帶寬是示波器zui重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值,而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的zui高帶寬為示波器的數字實時帶寬,數字實時帶寬與zui高數字化頻率和波形重建技術因子K相關(數字實時帶寬=zui高數字化速率/K),一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出,模擬帶寬只適合重復周期信號的測量,而數字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆,實際上指的是模擬帶寬,數字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz,實際上是指其模擬帶寬為500MHz,而zui高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時,一定要參考數字示波器的數字實時帶寬,否則會給測量帶來意想不到的誤差。

                    有關采樣速率

                      采樣速率也稱為數字化速率,是指單位時間內,對模擬輸入信號的采樣次數,常以MS/s表示。采樣速率是數字示波器的一項重要指標。

                     

                      1.如果采樣速率不夠,容易出現混迭現象

                     

                      如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號,示波器顯示的信號頻率卻是50KHz,這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢,產生了混迭現象?;斓褪瞧聊簧巷@示的波形頻率低于信號的實際頻率,或者即使示波器上的觸發指示燈已經亮了,而顯示的波形仍不穩定?;斓漠a生如圖1所示。那么,對于一個未知頻率的波形,如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔,看波形的頻率參數是否急劇改變,如果是,說明波形混迭已經發生;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來,也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理,采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發生混迭,如一個500MHz的信號,至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生:

                     

                      ·調整掃速;

                     

                      ·采用自動設置(Autoset);

                     

                      ·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式,因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值,而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找zui大zui小值,這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

                     

                      ·如果示波器有Insta Vu采集方式,可以選用,因為這種方式采集波形速度快,用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

                     

                      2.采樣速率與t/div的關系

                     

                      每臺數字示波器的zui大采樣速率是一個定值。但是,在任意一個掃描時間t/div,采樣速率fs由下式給出:

                     

                      fs=N/(t/div) N為每格采樣點

                     

                      當采樣點數N為一定值時,fs與t/div成反比,掃速越大,采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數據:

                     

                      表1掃速與采樣速率

                     

                      t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)502510210.50.25

                     

                      綜上所述,使用數字示波器時,為了避免混迭,掃速檔置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,掃速檔則置于主掃速較慢的位置。

                    數字示波器的上升時間

                      數字示波器的上升時間

                     

                      在模擬示波器中,上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中,上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數字示波器測量方法的原因,以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關,如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間,這時上升時間為數字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點,則同樣的波形,上升時間為數字化間隔的1.6倍。另外,上升時間還與掃速有關,下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數據:

                     

                      表2掃速與上升時間

                     

                      t/div(ms)502010521tr(μs)800320160803216

                     

                      由上面這組數據可以看出,雖然波形的上升時間是一個定值,而用數字示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關,而數字示波器的上升時間不僅與掃速有關,還與采樣點的位置有關,使用數字示波器時,我們不能象用模擬示波器那樣,根據測出的時間來反推出信號的上升時間。

                     

                    編輯本段數字示波器自動檢定系統

                      隨著電子技術的發展,數字示波器憑借數字技術和軟件大大擴展了工作能力,早期產品的取樣率低、存在較大死區時間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善,以前難以觀察的調制信號、通訊眼圖、視頻信號等復合信號越來越容易觀察。數字示波器可以對數據進行運算和分析,特別適合于捕獲復雜動態信號中產生的全部細節和異?,F象,因而在科學研究、工業生產中得到了廣泛的應用。為了讓示波器工作在合格的狀態,對示波器定期、快速、全面的檢定,保證其量值溯源,是擺在測試工程師面前的一項緊迫任務。

                     

                      手工檢定效率低,容易出錯,對每一種示波器的檢定需要測試工程師翻閱大量的資料;自動測試系統具有準確快速地測量參數、直觀地顯示測試結果、自動存儲測試數據等特性,是傳統的手工測試無法達到的。用自動測試系統實現對示波器的程控檢定將會是儀器檢定的趨勢。

                     

                      GPIB、VXI、PXI是自動測試系統標準總線,GPIB以性能穩定、操作方便、價格低廉贏得用戶的認可。這里選用了GPIB作為測試系統的總線。

                     

                    編輯本段硬件設計

                      基于GPIB的數字示波器自動檢定系統的硬件由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數字示波器和PC機以及打印機等外圍設備組成。

                    1.1 GPIB接口控制器

                      1.1.1 GPIB總線

                     

                      GPIB是惠普公司于20世紀60年代末、70年代初開發的實用儀器接口系統。由于對測試儀器的控制很方便,并且具有較高的傳輸速度(1Mbps),GPIB于1975年被定為IEEE488標準,1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB總線是數字化的24腳并行總線,有8根線是地線和屏蔽線,另外16根線是TTL電平信號傳輸線,包括8根數據線、5根接口管理線和3根數據傳輸控制線。GPIB使用8位并行、字節串行、異步通訊方式,所有字節通過總線順序傳送。

                     

                      GPIB系統設備有控者、講者和聽者三種屬性。實際設備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者,它可以通過尋址連接到總線上具有講者屬性的器件成為講者和具有聽者屬性的器件作為聽者,包括它自己。講者能通過總線向其他器件發送數據。聽者能從總線上接收講者發送的數據。一般來說在GPIB系統中計算機是控者,具有講、聽、控三種屬性。為避免總線沖突,IEEE488規定一次只能有一個講者,但可以同時有幾個聽者。由于GPIB系統中各器件的工作速度可能相差懸殊,為了保證多線消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸,GPIB母線中設置了三條握手線,分別為數據有效線、未準備好接收線和未收到數據線。

                     

                      1.1.2 BC-1402-2接口控制器

                     

                      在本系統中采用的GPIB控制器是貝卡科技公司開發的BC-1401-2型USB-GPIB接口控制器,它帶有USB接口,把USB總線轉換成GPIB總線,操作GPIB儀器。其特點是:*符合IEEE488.1和IEEE488.2標準,支持PCI、USB、Ethernet工業標準;數據傳輸率為900kbps,適合PC機與儀器之間的高速數據傳輸;提供了一套I/O GPIB操作函數庫,其函數與ISA總線的ES1400系列接口控制器相同;提供了一套符合VPP規范的虛擬儀器軟件架構VISA(Virtual Instrument Software Architecture)函數庫,實現了凡是采用VISA函數開發的應用程序,在更換不同廠家的不同型號的GPIB接口控制器時,應用程序不需要作任何修改;該接口控制器可以用C/C++、VC++、VB、LabView、LabWindows/CVI、HP-VEE、Delphi等多種語言編制測試程序,方便而靈活。

                    1.2 FLUKE5500A

                      FLUKE5500A是美國福祿克公司的一款高性能的多功能校準儀,可以對手持式和臺式多用表、示波器、示波表、功率計、電子溫度表、數據采集器、功率諧波分析儀、過程校準器等多種儀器進行校準。FLUKE5500A提供了GPIB(IEEE-488)、RS-232、572三種標準接口;在安全性方面滿足IEC 1010-1(1992-1)、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2010.1-92標準;FLUKE5500A輸出電壓可以達到1100V,電流輸出可達11A,可以提供直流電壓和電流、交流電壓和電流的多種波形和諧波,同時輸出兩路電壓,或者是一路電壓和一路電流,模擬功率、電阻、電容熱電偶和RTD。其示波器校準件還提供了穩幅正弦波、快沿、時間標記和幅度信號。

                    1.3 主控PC

                      PC作為系統的“主控者”,通過發布命令給GPIB接口控制器實現對FLUKE5500A和被檢定示波器的控制,主要包括以下幾個方面的內容:儀器的初始化、復位、儀器參數設置;命令FLUKE5500A產生標準信號,同時被檢示波器顯示;讀取/保存儀器數據并傳給PC等。

                     

                    編輯本段2 軟件設計

                    2.1 軟件平臺的選擇

                      軟件是本數字示波器自動檢定系統的核心,軟硬件能否穩定、協調地工作是系統能夠對數字示波器快速、可靠檢定的基礎。本系統采用性能穩定的Windows2003 Server操作系統、SQL Sever2005(開發版)數據庫以及Visual. NET2005作為開發平臺,以C/C++作為編程語言,同時在驅動程序方面選用NI公司的Lab Windows/CVI7.0做部分程序的驅動開發。同時采用MAX(Measurement&Automation)作為IVI驅動配置程序。

                    2.2 關鍵技 術VISA和IVI

                      VISA是VXI plug&play聯盟制定的I/O接口軟件標準。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同接口標準的儀器能相互兼容、可以通訊和進行數據交換。其顯著特點是:VISA是采用了先進的面向對象編程思想來實現的;它是當前所有儀器接口類型功能函數的超集成,而且十分簡潔,只有90多個函數;VISA作為標準函數,與儀器的I/O接口類型無關,方便程序移植。對于驅動程序、應用程序而言,VISA庫函數是一套可以方便調用的函數,可以控制各種設備如GPIB、VXI、PXI等。

                     

                      IVI(Interchangeable Virtual Instrument)是IVI基金會為了進一步提高儀器驅動程序的可執行性能,達到真正意義上的儀器互換,實現應用程序*獨立于硬件而推出的儀器驅動程序編程接口。IVI系統由IVI類驅動程序、具體驅動程序、IVI引擎、IVI配置實用程序、IVI配置信息文件五部分組成。類驅動程序實現了上層統一功能的封裝,面對的是操作者,而具體驅動程序完成與具體儀器的通信。測試程序是調用類驅動程序,用類驅動程序調用具體驅動程序來實現測試程序和硬件的無關性。IVI引擎完成狀態緩存、儀器屬性跟蹤、分類驅動程序到具體驅動程序的映射功能。IVI配置實用程序是采用軟件MAX創建和配置IVI邏輯名,在測試程序中通過傳送邏輯名給一個分類驅動程序初始化函數,將操作映射到具體儀器及儀器驅動程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類驅動程序到具體儀器驅動程序的映射信息。其結構如圖2所示。

                    2.3 測試軟件架構

                      2.3.1 測試軟件模塊

                     

                      測試軟件分為測試數據管理模塊、測試參數管理模塊、測試程序模塊三部分。測試數據管理模塊是管理對儀器的檢定日期、檢定人員、對具體儀器的已檢定項目、檢定的數據等。測試參數管理是在數據庫中管理具體儀器的各檢定項、檢定項的標準值等。測試程序模塊是根據用戶在軟面板上選定的測試參數,調用相應的測試儀器進行測試,把測試數據和數據庫中的標準相比較,判斷是否合格。

                     

                      2.3.2 測試軟件結構化流程

                     

                      在開機系統自檢后,檢定操作員在軟件界面上選擇/輸入需要檢定的儀器型號,程序由儀器型號在數據庫中調出相應的檢定項目、被檢項目的標準值、被檢儀器與FLUKE5500A和GPIB控制器的連接圖。檢定員按連接圖(FLASH動畫)連接儀器,在確認連接正確后,檢查是否有IVI驅動程序,在安裝驅動程序后運行MAX配置工具,完成配置后即可運行相應的測試程序,把測試結果保存到數據庫,并打印相應的合格/不合格報告。其流程圖見圖3。

                    2.4 開發IVI驅動程序

                      對于IVI儀器,廠家會提供IVI驅動程序只需要編寫少量代碼即可實現對儀器的檢定,主程序簡單,便于管理。IVI基金會的目標是支持95%的儀器?;贗VI技術的數字儀器的檢定將會是儀器檢定的必然之路。

                     

                      但是并不是所有的儀器都支持IVI。對于非IVI儀器,使用LabWindows/CVI中的IVI驅動開發向導把儀器程控命令樹中所有底層命令封裝成一系列帶有圖像面板的高層函數,完成IVI驅動程序的開發,使它成為IVI儀器。其特點是前期開發IVI驅動程序工作量大,但是后期測試程序開發和維護工作量少。

                    2.5 數據庫管理

                      數據庫管理主要包括用戶管理、被檢儀器型號管理、檢定項目管理、檢定報告管理、檢定項目指標管理以及數據查詢6個模塊。

                     

                    編輯本段3 應用實例

                      應用本方法組建的測試系統對IVI儀器Hp54815等進行了檢定,對非IVI儀器XJ4321等開發了IVI驅動程序,對其垂直靈敏度、瞬態響應、穩態響應、掃描時間因素誤差、掃描時間因素線性誤差5項內容進行檢定,保存檢定結果并打印檢定證書。實踐證明:檢定過程變得快速和簡單;自動檢定和人工檢定的結果是一致的。

                     

                      本文介紹的數字示波器檢定系統以GPIB為總線,綜合運用了IVI技術和數據庫技術實現數字示波器的自動檢定,具有操作方便、可擴展性強、工作穩定性好的特點,為組建功率計、頻譜分析儀、任意波形/函數發生器、數字多用表的綜合數字儀器自動檢定系統提供了參考。

                     

                    編輯本段如何使用數字示波器?

                      數字示波器因具有波形觸發、存儲、顯示、測量、波形數據分析處理等*優點,其使用日益普及。由于數字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異,如果使用不當,會產生較大的測量誤差,從而影響測試任務。

                     

                      區分模擬帶寬和數字實時帶寬

                     

                      帶寬是示波器zui重要的指標之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值,而數字示波器的帶寬有模擬帶寬和數字實時帶寬兩種。數字示波器對重復信號采用順序采樣或隨機采樣技術所能達到的zui高帶寬為示波器的數字實時帶寬,數字實時帶寬與zui高數字化頻率和波形重建技術因子K相關(數字實時帶寬=zui高數字化速率/K),一般并不作為一項指標直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出,模擬帶寬只適合重復周期信號的測量,而數字實時帶寬則同時適合重復信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達到多少兆,實際上指的是模擬帶寬,數字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz,實際上是指其模擬帶寬為500MHz,而zui高數字實時帶寬只能達到400MHz遠低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時,一定要參考數字示波器的數字實時帶寬,否則會給測量帶來意想不到的誤差。

                     

                      有關采樣速率

                     

                      采樣速率也稱為數字化速率,是指單位時間內,對模擬輸入信號的采樣次數,常以MS/s表示。采樣速率是數字示波器的一項重要指標。

                     

                      1.如果采樣速率不夠,容易出現混迭現象

                     

                      如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號,示波器顯示的信號頻率卻是50KHz,這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢,產生了混迭現象?;斓褪瞧聊簧巷@示的波形頻率低于信號的實際頻率,或者即使示波器上的觸發指示燈已經亮了,而顯示的波形仍不穩定?;斓漠a生如圖1所示。那么,對于一個未知頻率的波形,如何判斷所顯示的波形是否已經產生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔,看波形的頻率參數是否急劇改變,如果是,說明波形混迭已經發生;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩定下來,也說明波形混迭已經發生。根據奈奎斯特定理,采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發生混迭,如一個500MHz的信號,至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發生:

                     

                      ·調整掃速;

                     

                      ·采用自動設置(Autoset);

                     

                      ·試著將收集方式切換到包絡方式或峰值檢測方式,因為包絡方式是在多個收集記錄中尋找極值,而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找zui大zui小值,這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

                     

                      ·如果示波器有Insta Vu采集方式,可以選用,因為這種方式采集波形速度快,用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

                     

                      2.采樣速率與t/div的關系

                     

                      每臺數字示波器的zui大采樣速率是一個定值。但是,在任意一個掃描時間t/div,采樣速率fs由下式給出:

                     

                      fs=N/(t/div) N為每格采樣點

                     

                      當采樣點數N為一定值時,fs與t/div成反比,掃速越大,采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數據:

                     

                      表1掃速與采樣速率

                     

                      t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)502510210.50.25

                     

                      綜上所述,使用數字示波器時,為了避免混迭,掃速檔置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺,掃速檔則置于主掃速較慢的位置。

                     

                      數字示波器的上升時間

                     

                      在模擬示波器中,上升時間是示波器的一項極其重要的指標。而在數字示波器中,上升時間甚至都不作為指標明確給出。由于數字示波器測量方法的原因,以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關,如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間,這時上升時間為數字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點,則同樣的波形,上升時間為數字化間隔的1.6倍。另外,上升時間還與掃速有關,下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數據:

                     

                      表2掃速與上升時間 t/div(ms)502010521tr(μs)800320160803216

                     

                      由上面這組數據可以看出,雖然波形的上升時間是一個定值,而用數字示波器測量出來的結果卻因為掃速不同而相差甚遠。模擬示波器的上升時間與掃速無關,而數字示波器的上升時間不僅與掃速有關,還與采樣點的位置有關,使用數字示波器時,我們不能象用模擬示波器那樣,根據測出的時間來反推出信號的上升時間。

                     

                    編輯本段數字示波器優缺點

                    優點

                      1.體積小、重量輕,便于攜帶,液晶顯示器

                     

                      2.可以長期貯存波形,并可以對存儲的波形進行放大等多種操作和分析

                     

                      3.特別適合測量單次和低頻信號,測量低頻信號時沒有模擬示波器的閃爍現象

                     

                      4.更多的觸發方式,除了模擬示波器不具備的預觸發,還有邏輯觸發、脈沖寬度觸發等

                     

                      5.可以通過GPIB、RS232、USB接口同計算機、打印機、繪圖儀連接,可以打印、存檔、分析文件

                     

                      6.有強大的波形處理能力,能自動測量頻率、上升時間、脈沖寬度等很多參數

                    缺點

                      1.失真比較大,由于數字示波器是通過對波形采樣來顯示,采樣點數越少失真越大,通常在水平方向有512個采樣點,受到zui大采樣速率的限制,在zui快掃描速度及其附近采樣點更少,因此高速時失真更大。

                     

                      2.測量復雜信號能力差,由于數字示波器的采樣點數有限以及沒有亮度的變化,使得很多波形細節信息無法顯示出來,雖然有些可能具有兩個或多個亮度層次,但這只是相對意義上的區別,再加上示波器有限的顯示分辨率,使它仍然不能重現模擬顯示的效果。

                     

                      3.可能出現假象和混淆波形,當采樣時鐘頻率低于信號頻率時,顯示出的波形可能不是實際的頻率和幅值。數字示波器的帶寬與取樣率密切相關,取樣率不高時需借助內插計算,容易出現混淆波形。

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