上海堅融實(shí)業技(jì)術(shù)答(dá)疑-示(shì)波器(qì)波(bō)形(xíng)粗(cū)細(xì)跟(gēn)信(xìn)號的關係(xì)
示(shì)波器(qì)波(bō)形展示了真(zhēn)實的電子信號。在評估(gū)示(shì)波器(qì)性能(néng)時(shí)，可以(yǐ)考察它顯示與目標(biāo)信(xìn)號(hào)形(xíng)狀相(xiāng)同的波(bō)形(xíng)的(dí)能(néng)力。假設示(shì)波(bō)器(qì)具備足(zú)夠(gòu)的(dí)基(jī)本技(jì)術指(zhǐ)標——例(lì)如帶寬，采樣率(shuài)和(hé)等(děng)頻率響應(yīng)，示波器(qì)應(yīng)當顯示(shì)粗(cū)波形(xíng)還是細(xì)波(bō)形更好(hǎo)一(yī)些(xiē)？這(zhè)個(gè)問題的答(dá)案(àn)與(yǔ)大部(bù)分工程學問題一樣：“視具(jù)體情況而(ér)定”。
現在我(wǒ)們研(yán)究一下示(shì)波器和信號的(dí)屬性，這(zhè)些屬(shǔ)性有(yǒu)助(zhù)於用(yòng)戶確定(dìng)是(shì)粗(cū)波形(xíng)還(huán)是(shì)細波形。兩個(gè)關鍵屬(shǔ)性可使用戶了解他(tā)們的(dí)示波器顯(xiǎn)示(shì)目(mù)標信(xìn)號(hào)的能力(lì)，分別是更新速(sù)率(shuài)和噪聲(shēng)。

更新(xīn)速(sù)率對波形粗(cū)細(xì)的影(yǐng)響
更新速率(shuài)表示(shì)示波器(qì)在 1 秒鐘內采(cǎi)集(jí)，處理與(yǔ)顯(xiǎn)示的(dí)波形(xíng)數目(mù)。更(gēng)新(xīn)速率(shuài)越高(gāo)，示(shì)波器就(jiù)能(néng)更迅(xùn)速地顯(xiǎn)示被測信號。更新速率越(yuè)低(dī)，示波器(qì)就會花費(fèi)更(gēng)長(cháng)時(shí)間顯示與(yǔ)特(tè)定波(bō)形相(xiāng)關的細節。目前，示波(bō)器的(dí)更新(xīn)速(sù)率(shuài)範(fàn)圍是在每(měi)秒(miǎo)鐘 100 萬個波形到幾(jī)秒鐘 1 個(gè)波形(xíng)。隻(zhī)需更改(gǎi)示波(bō)器的設(shè)置(zhì)，同(tóng)一(yī)款(kuǎn)示波器(qì)就(jiù)能顯示(shì)不一樣(yàng)的速率範(fàn)圍(wéi)。更新速(sù)率會受到(dào)多個(gè)示波器(qì)設置的影響(xiǎng)，包括(kuò)更(gēng)改采(cǎi)集存儲器(qì)的深度，這會對存(cún)儲(chǔ)器(qì)深度帶(dài)來極大(dà)影(yǐng)響。

讓(ràng)我們看(kàn)一個簡(jiǎn)單(dān)示(shì)例(lì)。圖 1 的上半部分顯(xiǎn)示了(liǎo)兩(liǎng)款(kuǎn)廠(chǎng)商生(shēng)產的帶寬(kuān)相等(děng)的示波器(qì)，示(shì)波(bō)器(qì)持(chí)續(xù)運(yùn)行(háng)並(bìng)與*相同的(dí) 10 MHz 正弦波連接。其(qí)中(zhōng)一(yī)款(kuǎn)示波器(qì)顯(xiǎn)示了較粗的波形，另一(yī)款(kuǎn)顯(xiǎn)示(shì)了(liǎo)較(jiào)細的波形(xíng)。這會導致測(cè)量值的不同。哪(nǎ)一(yī)種(zhǒng)更(gēng)加？兩(liǎng)款(kuǎn)示(shì)波(bō)器(qì)的zui大區別(bié)之一就是(shì)更(gēng)新速率。使用(yòng)相(xiāng)同的設(shè)置，其中(zhōng)一(yī)款示(shì)波器的更(gēng)新(xīn)速率(shuài)為每(měi)秒鐘(zhōng) 100 萬個(gè)波形，比另(lìng)一(yī)款示波器(qì)的更新(xīn)速率快(kuài) 16,000 倍。

這(zhè)一(yī)點對波形有(yǒu)何(hé)影響(xiǎng)？圖 1 的下半部(bù)分顯(xiǎn)示(shì)了當開啟無限(xiàn)餘(yú)輝(huī)時(shí)，連(lián)接同(tóng)一個(gè)信(xìn)號的兩(liǎng)款示(shì)波(bō)器(qì)會(huì)如何(hé)顯示。兩款(kuǎn)示波器都會(huì)構建(jiàn)更長持續時間(jiān)的(dí)圖像(xiàng)。10 秒鐘後，示波(bō)器顯(xiǎn)示(shì)了相同的(dí)波(bō)形形狀(zhuàng)與波形粗細。在(zài)這(zhè)種(zhǒng)情(qíng)況(kuàng)下，數(shù)據速率(shuài)更高(gāo)的初始示波器能夠顯示更(gēng)粗(cū)的波形(xíng)，更清(qīng)晰(xī)地表現(xiàn)每(měi)個(gè)示(shì)波器的(dí)顯(xiǎn)示內容。通過開啟無(wú)限餘(yú)輝，我們能夠快(kuài)速(sù)進(jìn)行評(píng)估。
 
圖 1. 兩款(kuǎn)具有同等帶寬(kuān)和近(jìn)似噪(zào)聲(shēng)的(dí)示波(bō)器連接到(dào)同(tóng)一個信(xìn)號。兩款示(shì)波器的(dí)噪聲類似。上麵截圖顯示了 Tek DPO5104A，它具有(yǒu)極窄的波(bō)形，提供更(gēng)多細節(jié)。Agilent DSOX4104A 顯示(shì)的(dí)波(bō)形(xíng)較(jiào)寬。為什麼(mó)有(yǒu)這種區(qū)別？原(yuán)因在於更新(xīn)速率。
開啟(qǐ)無限(xiàn)餘輝(huī)並等(děng)待 10 秒(miǎo)。兩款示波器顯示同樣粗(cū)細(xì)的波形。安捷(jié)倫(lún)示波(bō)器(qì)的(dí)更(gēng)新(xīn)速率為 100 萬個波形/秒，而(ér) Tek 示波器在(zài)常(cháng)規(guī)模(mó)式下(xià)的更(gēng)新速率僅為 60 個波形(xíng)/秒(miǎo)。波形粗細(xì)與(yǔ)示(shì)波器(qì)向初始信號中添加(jiā)的(dí)噪聲(shēng)數(shù)量有關。

示(shì)波器噪(zào)聲對(duì)波(bō)形(xíng)粗細(xì)的影響
示(shì)波(bō)器測(cè)量的精度如(rú)何？通常(cháng)從(cóng)水(shuǐ)平時(shí)基的角(jiǎo)度(dù)看，示波器的測量精度(dù)*，但從(cóng)垂(chuí)直時基的角度上看(kàn)，精度就(jiù)會(huì)顯著(zhù)降低。原因是(shì)什麼？一個(gè)主要原(yuán)因(yīn)是(shì)噪(zào)聲(shēng)對測(cè)量帶來的幹(gān)擾(rǎo)。示波(bō)器(qì)生成的內部噪聲與(yǔ)被(bèi)測(cè)信號耦合，由此(cǐ)造(zào)成(chéng)信號卷(juàn)積(jī)，噪聲在(zài)連續樣本(běn)中進行數字(zì)化，存儲，處理(lǐ)和顯(xiǎn)示(shì)。示波器的模(mó)數(shù)轉(zhuǎn)換器(qì)無法區分由示(shì)波器產生的噪(zào)聲(shēng)和(hé)由實際(jì)目標(biāo)信(xìn)號產(chǎn)生(shēng)的(dí)噪聲。但是(shì)，您可(kě)以運行(háng)一個簡單的(dí)測試(shì)，以確(què)定您(nín)的(dí)示(shì)波(bō)器(qì)對(duì)信號(hào)添加(jiā)了(liǎo)多少噪(zào)聲(shēng)。采(cǎi)取(qǔ)特定(dìng)的設(shè)置組(zǔ)合(hé)，快速確(què)定(dìng)您的(dí)示(shì)波器將(jiāng)會產生多少噪(zào)聲(shēng)，並對(duì)兩(liǎng)款示波器進(jìn)行簡(jiǎn)單(dān)對比。
 
圖(tú) 2. 更(gēng)新速(sù)率相(xiāng)同的兩(liǎng)款(kuǎn)示(shì)波(bō)器(qì)連接(jiē)到同(tóng)一(yī)個(gè)信號(hào)。兩者(zhě)所顯示的(dí)波形(xíng)粗細大(dà)為(wéi)不同(tóng)。原因何在？4 GHz 示波(bō)器(qì)的噪聲(shēng)高於 500 MHz 示波器。粗(cū)細不同(tóng)的(dí)原(yuán)因在於噪聲。
圖(tú) 2 顯示(shì)了(liǎo)兩款示波器正(zhèng)在查(chá)看同一個(gè) 10 MHz 正(zhèng)弦(xián)波。其中一個示(shì)波器顯示(shì)了(liǎo)更(gēng)粗(cū)的波(bō)形。根據前(qián)文(wén)的示(shì)例，示波(bō)器是否因(yīn)為(wéi)具備更(gēng)快(kuài)的(dí)更新(xīn)速率(shuài)才能(néng)顯示更(gēng)粗的(dí)波形(xíng)？答(dá)案(àn)是否定的(dí)。兩(liǎng)款示波器(qì)在(zài)開啟無限(xiàn)餘(yú)輝(huī)時具備相(xiāng)同的更(gēng)新速率(shuài)，其中(zhōng)一款(kuǎn)示波器(qì)仍(réng)將(jiāng)顯示(shì)更(gēng)粗(cū)的波形，而另一(yī)款(kuǎn)則是(shì)顯(xiǎn)示較(jiào)細波形。區(qū)別在(zài)於(yú)，其中(zhōng)一款示波(bō)器的噪聲遠遠(yuǎn)高於(yú)另一款(kuǎn)示波(bō)器，噪聲(shēng)差(chà)值(zhí)會生(shēng)成(chéng)更(gēng)寬(kuān)的信(xìn)號。其它的(dí)噪聲(shēng)源(yuán)包(bāo)括位於測試(shì)設(shè)置中的有源(yuán)和(hé)無(wú)源(yuán)探頭。有源探(tàn)頭(tóu)一般(bān)使(shǐ)用(yòng)示(shì)波(bō)器通(tōng)道(dào)中(zhōng)的(dí) 50 Ω 信號路徑，這些路徑的(dí)噪聲(shēng)低(dī)於(yú) 1 MΩ 信(xìn)號(hào)路徑。
如何快速了解某個示(shì)波(bō)器(qì)會(huì)產生(shēng)多少噪(zào)聲？大部分示波器廠商會對(duì)特(tè)定型號(hào)進行噪聲(shēng)表征，並在產(chǎn)品技術(shù)資料(liào)中包含這些(xiē)數(shù)值。如(rú)果廠商未(wèi)提供，您可(kě)以(yǐ)主動申請或(huò)自(zì)行(háng)查(chá)找。幾秒(miǎo)鐘即(jí)可完成測量。
斷開(kāi)所有輸入(rù)端與示(shì)波(bō)器(qì)前端的(dí)連接(jiē)，將(jiāng)示波器(qì)設(shè)在 50 Ω 輸入路徑。您(nín)還可(kě)以(yǐ)在 1MΩ 路徑上測(cè)試(shì)。啟用適(shì)量(liáng)的采集(jí)存(cún)儲器，100Kpts 至 1Mpts 就(jiù)足(zú)夠了。示(shì)波器(qì)啟用無限(xiàn)餘輝(huī)，測量波形的高(gāo)度(dù)。波(bō)形越粗，示(shì)波(bō)器產生的(dí)內部(bù)噪聲(shēng)就越多(duō)。示(shì)波(bō)器(qì)在每(měi)個垂直(zhí)設(shè)置(zhì)中(zhōng)具(jù)有(yǒu)*的噪(zào)聲質量。您能夠通(tōng)過(guò)觀(guān)察(chá)波形粗細查看噪聲，還能借(jiè)助電壓(yā) AC 真有效值(zhí)測量(liáng)來量(liáng)化噪聲，以進(jìn)行更多的(dí)分析。把垂直設置更改為(wéi)更(gēng)容(róng)易敏(mǐn)感(gǎn)的數(shù)值——100 mV 至 10 mv/格(gé)——您(nín)就能夠看(kàn)到噪聲按照(zhào)全量程垂(chuí)直數值的(dí)百(bǎi)分比(bǐ)增長(cháng)，如圖 3 所示(shì)。
 
圖(tú) 3. 快(kuài)速表(biǎo)征(zhēng)示(shì)波(bō)器的噪聲(shēng)。斷開(kāi)所(suǒ)有輸(shū)入端。針對每個(gè)垂直(zhí)設置(zhì)中的通道進(jìn)行 Vrms
如(rú)果初(chū)始信(xìn)號(hào)過窄，那麼示波器就(jiù)會(huì)降低噪聲並顯(xiǎn)示較窄(zhǎi)波形，可(kě)生(shēng)成(chéng)更好的視圖(tú)和測量結果(guǒ)。更改(gǎi)您(nín)的示(shì)波(bō)器(qì)設(shè)置(zhì)以(yǐ)降(jiàng)低(dī)帶寬，由此(cǐ)消(xiāo)除(chú)了可導致(zhì)信號過窄的寬帶(dài)噪(zào)聲(shēng)。示波(bō)器廠商采取(qǔ)各種方法降低(dī)示(shì)波(bō)器固有噪聲(shēng)，例如(rú)求(qiú)平(píng)均值，高分辨率模式，帶寬(kuān)限製。噪聲(shēng)緩(huǎn)解設(shè)置非常(cháng)適(shì)合那些具(jù)有低噪(zào)聲的示波器(qì)。

目標信號(hào)
目標信號(hào)既(jì)可以具備(bèi)低噪聲(shēng)也可(kě)以(yǐ)具有(yǒu)很高(gāo)的噪(zào)聲。有時很難確定示波(bō)器上(shàng)顯示的信號(hào)噪(zào)聲(shēng)來自於(yú)目標信(xìn)號還是示波器(qì)的(dí)內部噪聲。當(dāng)示波(bō)器(qì)的 ADC 進(jìn)行(háng)信號(hào)數字化時，ADC 無(wú)法區分(fēn)信號噪聲與(yǔ)示(shì)波(bō)器(qì)內(nèi)部(bù)噪聲(shēng)。它(tā)保存 ADC 輸(shū)出信(xìn)號並顯示(shì)相關數值。較粗(cū)波形(xíng)能否(fǒu)表示您的測試信號或示(shì)波器？有(yǒu)幾(jī)種方法可(kě)以(yǐ)獲得解(jiě)答(dá)。首先(xiān)，使用前(qián)文提(tí)到(dào)的方(fāng)法對(duì)示波(bō)器(qì)的內(nèi)部噪(zào)聲進行快速評估。預計在每(měi)個(gè)采樣(yàng)點上添(tiān)加這種偏差(chà)。開啟無(wú)限餘輝(huī)，查(chá)看波形(xíng)形(xíng)狀是否變(biàn)粗(cū)或者不變(biàn)。
有(yǒu)趣的是，無限(xiàn)餘(yú)輝(huī)還能展示示(shì)波(bō)器(qì)噪(zào)聲(shēng)對目標信號有何影響。對(duì)已(yǐ)知波形進行快(kuài)速(sù)測(cè)試，觀察(chá)示波(bō)器的(dí)波形(xíng)在正(zhèng)常(cháng)顯示模式(shì)和無限餘輝模式(shì)下有(yǒu)何(hé)不(bù)同(tóng)，由此(cǐ)簡單了(liǎo)解(jiě)一(yī)下(xià)示波(bō)器(qì)的噪聲和更(gēng)新(xīn)速(sù)率(shuài)。如(rú)圖(tú) 4 所示(shì)，具(jù)有高噪聲，低更(gēng)新速率的示波器一(yī)開(kāi)始會(huì)顯示(shì)細(xì)波形，當開啟(qǐ)無限(xiàn)餘輝(huī)時，它會生成粗波(bō)形。具有高噪(zào)聲(shēng)，高更(gēng)新速(sù)率(shuài)的(dí)示(shì)波(bō)器(qì)將會(huì)立即顯(xiǎn)示一個粗波形(xíng)——無論被(bèi)測信(xìn)號是窄還是(shì)寬。具(jù)有低噪(zào)聲，低更新(xīn)速率(shuài)的(dí)示波器一(yī)開始會(huì)顯(xiǎn)示(shì)細(xì)信號，當(dāng)開啟無限餘輝(huī)時，信號保(bǎo)持不(bù)變(biàn)或者變(biàn)粗(cū)（如(rú)果(guǒ)目(mù)標信號(hào)也產生噪聲(shēng)）。具有低噪聲(shēng)，高更(gēng)新(xīn)速率的示波器(qì)一開(kāi)始(shǐ)會(huì)正確(què)顯(xiǎn)示(shì)目(mù)標信(xìn)號(hào)，當(dāng)開啟無限餘輝時，已顯(xiǎn)示(shì)波形的(dí)粗(cū)細保(bǎo)持(chí)不變。
 
圖 4. 啟用放大數(shù)學(xué)函(hán)數在波(bō)形(xíng)上方(fāng)垂(chuí)直(zhí)縮(suō)放，用戶(hù)通(tōng)過(guò)查(chá)看垂直範圍包絡即(jí)可確(què)定(dìng)信(xìn)號的噪聲(shēng)大小(xiǎo)。
平(píng)均(jūn)值(zhí)模式(shì)一(yī)般通(tōng)過降(jiàng)低噪聲(shēng)使波(bō)形變細。平(píng)均(jūn)值模式(shì)可(kě)使示(shì)波(bō)器(qì)進行(háng)連(lián)續采(cǎi)集(jí)，對每個(gè)已捕獲的點(diǎn)求平(píng)均(jūn)值，如圖 5 所示。這種方(fāng)法通(tōng)過多(duō)次(cì)采(cǎi)集求取噪(zào)聲平均(jūn)值，能夠降低示(shì)波(bō)器整(zhěng)體噪(zào)聲。平(píng)均值權衡包括：平均(jūn)值(zhí)法還(huán)會(huì)求取目標信(xìn)號(hào)值的平(píng)均(jūn)值，並且僅(jǐn)針對重(zhòng)復信號。
高(gāo)分辨(biàn)率(shuài)模式(shì)能(néng)夠(gòu)降低噪聲(shēng)，使波形(xíng)更清晰(xī)地顯(xiǎn)示被測信(xìn)號，如圖 5 所(suǒ)示。該模(mó)式(shì)既支持重復(fù)信號(hào)，也支持單次捕獲(huò)信號(hào)。在(zài)高分(fēn)辨(biàn)率模式中，示(shì)波器對鄰近樣本求平均值(zhí)，因(yīn)而(ér)能(néng)夠降低(dī)整體噪(zào)聲。高分(fēn)辨率(shuài)模式需(xū)要權(quán)衡的(dí)一點(diǎn)是(shì)：示波器必須對(duì)樣本求平均(jūn)值，由(yóu)此(cǐ)得到的(dí)平(píng)均采(cǎi)樣點的出現(xiàn)頻(pín)率會低於比初始(shǐ)采樣點。這會(huì)降低有效(xiào)采樣率(shuài)和(hé)整體帶(dài)寬。
 
圖(tú) 5. 平均值模(mó)式適用於重復信(xìn)號(hào)，顯著(zhù)降(jiàng)低噪(zào)聲，可(kě)獲得的窄波形。
您(nín)是否還(huán)在思(sī)考細波(bō)形和粗(cū)波(bō)形的(dí)優(yōu)劣？您(nín)現在擁(yōng)有一(yī)定的(dí)專業知(zhī)識(shí)和(hé)技術，能夠選擇一款更忠(zhōng)實再現(xiàn)您(nín)的目標信號波形的示波器。或者，您已經選(xuǎn)定某款示波器，您可(kě)以利用(yòng)這(zhè)些(xiē)方(fāng)法(fǎ)確定示(shì)波(bō)器如何(hé)顯(xiǎn)示被測(cè)信號的細(xì)波形(xíng)或粗(cū)波(bō)形(xíng)。