数字示波器是一种通用测试仪表,本质上是一种图形显示设备,相当于具有图形显示的电压表或万用表,能在屏幕上直观的显示信号随时间变化的波形,并对波形的周期、电压、频率等参数进行测量和分析,广泛应用于科研、生产等各个领域,是工程师设计,调试,维修产品时的主要测试仪表,对测试工作起着举足轻重的作用。
很多工程师在使用数字示波器时,都会遇到这样一些问题:用计量合格的数字示波器测得的信号幅度和频率等数据有时会与信号本身设计值相差很远,于是就去找电路的问题,但费时费力后,却一无所获,不知问题出在哪里。此外,对于同一信号,使用不同数字示波器测得的结果却不相同。
产生这些问题的原因与数字示波器的选择有直接的关系。
1、数字示波器的主要性能指标
在选择数字示波器时,我们主要考虑其是否能够真实地显示被测信号,即显示信号与被测信号的一致性。
数字示波器的性能很大程度上影响到其实现信号完整性的能力,下面根据其主要性能指标进行详细分析。
(1)带宽
如图1所示,数字示波器带宽指输入不同频率的等幅正弦波信号,当输出波形的幅度随频率变化下降到实际幅度的70.7%时的频率值(即f-3dB)。带宽决定了数字示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加,数字示波器对信号的准确显示能力下降。实际测试中我们会发现,当被测信号的频率与数字示波器带宽相近时,数字示波器将无法分辨信号的高频变化,显示信号出现失真。例如:频率为100MHz、电压幅度为1V的信号用带宽为100MHz的数字示波器测试,其显示的电压只有0.7V左右。图2为同一阶跃信号用带宽分别为4GHz、1.5GHz和300MHz的数字示波器测量所得的结果。从图中可以看出,数字示波器的带宽越高,信号的上升沿越陡,显示的高频分量成分越多,再现的信号越准确。实际应用中考虑到价格因素(数字示波器带宽越高价格越贵),经过实践经验的积累,我们发现只要数字示波器带宽为被测信号最高频率的3-5倍,即可获得±3%到±2%的精度,满足一般的测试需求。
(2)上升时间
上升时间的定义为脉冲幅度从10%上升到90%的这段时间(如图3所示),它反映了数字示波器垂直系统的瞬态特性。数字示波器必须要有足够快的上升时间,才能准确地捕获快速变换的信号细节。数字示波器的上升时间越快,对信号的快速变换的捕获也就越准确。
一般数字示波器的上升时间和带宽满足以下公式: