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分享示波器假波現(xiàn)象的形成原因及處理方法

AGk5_ZLG_zhiyua ? 來源:未知 ? 作者:胡薇 ? 2018-11-28 10:45 ? 次閱讀

工程師使用示波器測量信號時(shí),可能會發(fā)現(xiàn)不同的時(shí)基檔下所測到的波形頻率不同。如果這個(gè)信號并非是疊加信號,那么可能就是示波器出現(xiàn)假波現(xiàn)象了。

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(shí),是否會遇到輸入信號頻率為10MHz,而示波器測量出來卻是遠(yuǎn)小于10MHz頻率的信號波形,你可能會認(rèn)為這是一個(gè)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(shí)已經(jīng)出現(xiàn)了假波現(xiàn)象了。

圖1給出信號實(shí)際波形和假波的圖形,從圖中可以直觀的看出假波和實(shí)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(jìn)行存儲,存儲限度是判斷累計(jì)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(shí)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(shí)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(shí),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。

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(shí)際測量中可以通過以下4個(gè)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(yuǎn)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(shí)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(shí)基20us/div、采樣率50MSa/s

圖4 水平時(shí)基100us/div、采樣率10MSa/s

從圖3和圖4中可以看出,當(dāng)水平時(shí)基檔從“20us/div”增加到“100us/div”時(shí),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(shí)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(shí)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(gè)定值,可知水平時(shí)基檔越大,采樣率越小。水平時(shí)基檔增加到“100us /div”時(shí),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(shí)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(shí)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(shí),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(shí)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(shí)際采樣率是可變的,通過選擇合適的時(shí)基檔位和儲存深度可以提高實(shí)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(shí)基檔顯示不相同頻率波形時(shí),請用以上4種方法判斷是否為假波現(xiàn)象。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習(xí)之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報(bào)投訴
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原文標(biāo)題:示波器也會犯錯(cuò)?深入分析示波器的假波現(xiàn)象

文章出處:【微信號:ZLG_zhiyuan,微信公眾號:ZLG致遠(yuǎn)電子】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

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