上(shang)海堅融實(shi)業技(ji)術(shu)答疑(yi)-示波(bo)器波形粗(cu)細(xi)跟信號(hao)的關(guan)系

上(shang)海堅融實(shi)業技(ji)術(shu)答疑(yi)-示波(bo)器波形粗(cu)細(xi)跟信號(hao)的關(guan)系
示波(bo)器波形展(zhan)示了真(zhen)實(shi)的電(dian)子信號(hao)。在評估示波(bo)器性(xing)能時(shi)，可以(yi)考察(cha)它(ta)顯示與目標(biao)信號(hao)形狀(zhuang)相同(tong)的(de)波(bo)形的(de)能力。假設(she)示波(bo)器具備(bei)足(zu)夠(gou)的基本(ben)技(ji)術(shu)指(zhi)標(biao)——例如帶(dai)寬、采樣(yang)率和(he)等頻(pin)率響(xiang)應(ying)，示波(bo)器應當(dang)顯(xian)示粗(cu)波(bo)形還(hai)是細(xi)波形更(geng)好壹些(xie)？這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)的(de)答案(an)與大部(bu)分工(gong)程(cheng)學問(wen)題(ti)壹(yi)樣(yang)：“視具體情(qing)況(kuang)而(er)定(ding)”。
現在我們研究壹下(xia)示波(bo)器和信號(hao)的屬(shu)性(xing)，這些(xie)屬(shu)性(xing)有(you)助於用戶(hu)確(que)定是粗波(bo)形還(hai)是細(xi)波形。兩(liang)個(ge)關(guan)鍵(jian)屬(shu)性(xing)可使用戶(hu)了解他們(men)的(de)示波(bo)器顯示目(mu)標(biao)信號(hao)的能(neng)力，分別(bie)是更新(xin)速率(lv)和(he)噪(zao)聲。

更(geng)新(xin)速率(lv)對波(bo)形粗(cu)細(xi)的影響(xiang)
更(geng)新(xin)速率(lv)表(biao)示示波(bo)器在 1 秒鐘(zhong)內(nei)采集(ji)、處(chu)理與顯示的(de)波(bo)形數(shu)目。更新(xin)速率(lv)越(yue)高，示波(bo)器就(jiu)能更(geng)迅速地顯示被測信號(hao)。更新(xin)速率(lv)越(yue)低，示波(bo)器就(jiu)會花費(fei)更(geng)長(chang)時(shi)間(jian)顯示與特(te)定波(bo)形相關(guan)的(de)細(xi)節。目前，示波(bo)器的更新(xin)速率(lv)範(fan)圍(wei)是在每(mei)秒(miao)鐘(zhong) 100 萬(wan)個(ge)波(bo)形到幾秒(miao)鐘(zhong) 1 個(ge)波(bo)形。只需(xu)更(geng)改示波(bo)器的設(she)置(zhi)，同(tong)壹(yi)款示波(bo)器就(jiu)能顯(xian)示不(bu)壹(yi)樣(yang)的速(su)率(lv)範(fan)圍(wei)。更(geng)新(xin)速率(lv)會受到多(duo)個(ge)示波(bo)器設(she)置(zhi)的影響(xiang)，包(bao)括更改采集(ji)存(cun)儲(chu)器的深度，這(zhe)會對存(cun)儲(chu)器深度帶(dai)來極(ji)大(da)影響(xiang)。

讓(rang)我們(men)看壹(yi)個(ge)簡(jian)單(dan)示例。圖 1 的(de)上(shang)半(ban)部分顯(xian)示了兩(liang)款廠(chang)商(shang)生(sheng)產(chan)的(de)帶(dai)寬相等的(de)示波(bo)器，示波(bo)器持(chi)續(xu)運行(xing)並與*相同(tong)的(de) 10 MHz 正(zheng)弦(xian)波連接。其(qi)中(zhong)壹(yi)款示波(bo)器顯示了較(jiao)粗的(de)波形，另(ling)壹款顯(xian)示了較(jiao)細(xi)的波形。這(zhe)會導致測量(liang)值(zhi)的(de)不(bu)同(tong)。哪(na)壹(yi)種更加？兩款示波(bo)器的zui大區別(bie)之(zhi)壹(yi)就(jiu)是更新(xin)速率(lv)。使用相同(tong)的(de)設(she)置(zhi)，其(qi)中(zhong)壹(yi)款示波(bo)器的更新(xin)速率(lv)為(wei)每(mei)秒(miao)鐘(zhong) 100 萬(wan)個(ge)波(bo)形，比(bi)另壹(yi)款示波(bo)器的更新(xin)速率(lv)快(kuai) 16,000 倍。

這壹點對波(bo)形有(you)何(he)影響(xiang)？圖(tu) 1 的下(xia)半(ban)部分顯(xian)示了當(dang)開啟(qi)無(wu)限余輝時(shi)，連接同(tong)壹(yi)個(ge)信號(hao)的兩(liang)款示波(bo)器會如(ru)何(he)顯示。兩(liang)款示波(bo)器都會構(gou)建更長(chang)持(chi)續(xu)時(shi)間(jian)的圖像。10 秒鐘(zhong)後(hou)，示波(bo)器顯示了相同(tong)的(de)波(bo)形形狀(zhuang)與波形粗(cu)細(xi)。在這種情況下，數(shu)據(ju)速率更高的初始(shi)示波(bo)器能夠(gou)顯示更(geng)粗(cu)的波(bo)形，更(geng)清晰地(di)表現每(mei)個(ge)示波(bo)器的顯示內(nei)容(rong)。通過開啟(qi)無(wu)限余輝，我(wo)們(men)能夠(gou)快(kuai)速(su)進(jin)行(xing)評估(gu)。
 
圖 1. 兩款具有(you)同(tong)等帶(dai)寬和近似(si)噪(zao)聲的(de)示波(bo)器連接到同(tong)壹(yi)個(ge)信號(hao)。兩款示波(bo)器的噪(zao)聲類(lei)似(si)。上(shang)面(mian)截(jie)圖顯(xian)示了 Tek DPO5104A，它(ta)具有(you)極(ji)窄(zhai)的波形，提(ti)供(gong)更多(duo)細(xi)節。Agilent DSOX4104A 顯示的(de)波(bo)形較(jiao)寬。為(wei)什麽有(you)這(zhe)種區別(bie)？原(yuan)因在於更新(xin)速率(lv)。
開啟(qi)無(wu)限余輝並(bing)等待(dai) 10 秒(miao)。兩款示波(bo)器顯示同(tong)樣(yang)粗細(xi)的波形。安捷(jie)倫示波(bo)器的更新(xin)速率(lv)為(wei) 100 萬(wan)個(ge)波(bo)形/秒(miao)，而 Tek 示波(bo)器在常(chang)規模(mo)式(shi)下的(de)更新(xin)速率(lv)僅(jin)為(wei) 60 個(ge)波(bo)形/秒(miao)。波形粗(cu)細(xi)與示波(bo)器向初始(shi)信號(hao)中添(tian)加的(de)噪(zao)聲數(shu)量(liang)有(you)關(guan)。

示波(bo)器噪(zao)聲對波(bo)形粗(cu)細(xi)的影響(xiang)
示波(bo)器測量(liang)的(de)精(jing)度如(ru)何(he)？通常(chang)從水(shui)平(ping)時(shi)基的(de)角度看，示波(bo)器的測量(liang)精(jing)度*，但(dan)從垂直(zhi)時(shi)基的(de)角度上(shang)看，精(jing)度就(jiu)會顯(xian)著(zhu)降(jiang)低。原(yuan)因是什麽？壹(yi)個(ge)主(zhu)要原因(yin)是噪(zao)聲對測量(liang)帶(dai)來的(de)幹(gan)擾。示波(bo)器生成(cheng)的(de)內(nei)部(bu)噪(zao)聲與被測信號(hao)耦(ou)合(he)，由此造(zao)成(cheng)信號(hao)卷積(ji)，噪(zao)聲在連續(xu)樣(yang)本(ben)中進(jin)行(xing)數字(zi)化、存(cun)儲(chu)、處理(li)和顯(xian)示。示波(bo)器的模數轉換器無(wu)法區分由示波(bo)器產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲和(he)由實(shi)際目(mu)標(biao)信號(hao)產(chan)生(sheng)的(de)噪(zao)聲。但(dan)是，您可(ke)以運行(xing)壹個(ge)簡(jian)單(dan)的(de)測試(shi)，以(yi)確(que)定您(nin)的示波(bo)器對信號(hao)添加(jia)了多(duo)少噪(zao)聲。采取(qu)特(te)定的(de)設(she)置(zhi)組(zu)合(he)，快(kuai)速(su)確(que)定您(nin)的示波(bo)器將(jiang)會產(chan)生(sheng)多(duo)少噪(zao)聲，並(bing)對兩(liang)款示波(bo)器進行(xing)簡(jian)單(dan)對比(bi)。
 
圖 2. 更(geng)新(xin)速率(lv)相同(tong)的(de)兩(liang)款示波(bo)器連接到同(tong)壹(yi)個(ge)信號(hao)。兩者(zhe)所(suo)顯示的(de)波(bo)形粗(cu)細(xi)大為(wei)不(bu)同(tong)。原(yuan)因(yin)何(he)在？4 GHz 示波(bo)器的噪(zao)聲高(gao)於 500 MHz 示波(bo)器。粗細(xi)不同(tong)的(de)原(yuan)因在於噪(zao)聲。
圖(tu) 2 顯示了兩(liang)款示波(bo)器正在查看同(tong)壹(yi)個(ge) 10 MHz 正(zheng)弦(xian)波。其(qi)中(zhong)壹(yi)個(ge)示波(bo)器顯示了更(geng)粗的(de)波形。根(gen)據(ju)前文的示例，示波(bo)器是否(fou)因(yin)為(wei)具備(bei)更(geng)快(kuai)的(de)更(geng)新(xin)速率(lv)才(cai)能顯示更(geng)粗(cu)的波(bo)形？答案(an)是否(fou)定(ding)的(de)。兩款示波(bo)器在開啟(qi)無(wu)限余輝時(shi)具備(bei)相同(tong)的(de)更(geng)新(xin)速率(lv)，其(qi)中(zhong)壹(yi)款示波(bo)器仍將(jiang)顯(xian)示更(geng)粗(cu)的波(bo)形，而(er)另壹款則是顯示較(jiao)細(xi)波形。區(qu)別(bie)在於，其(qi)中(zhong)壹(yi)款示波(bo)器的噪(zao)聲遠(yuan)遠高(gao)於另壹(yi)款示波(bo)器，噪(zao)聲差(cha)值會生(sheng)成(cheng)更(geng)寬的信號(hao)。其(qi)它(ta)的(de)噪(zao)聲源包(bao)括位於測試(shi)設(she)置(zhi)中的有(you)源和(he)無(wu)源探(tan)頭(tou)。有(you)源探(tan)頭(tou)壹(yi)般(ban)使用示波(bo)器通道中的 50 Ω 信號(hao)路徑(jing)，這些(xie)路徑(jing)的噪(zao)聲低(di)於 1 MΩ 信號(hao)路徑(jing)。
如何(he)快(kuai)速(su)了解某(mou)個(ge)示波(bo)器會產(chan)生(sheng)多(duo)少噪(zao)聲？大(da)部分示波(bo)器廠(chang)商(shang)會對特(te)定型號進行(xing)噪(zao)聲表(biao)征，並在產(chan)品(pin)技(ji)術(shu)資(zi)料中(zhong)包(bao)含這(zhe)些(xie)數(shu)值。如果(guo)廠(chang)商(shang)未(wei)提(ti)供(gong)，您可(ke)以主(zhu)動申請(qing)或自行(xing)查找。幾(ji)秒(miao)鐘(zhong)即可(ke)完成(cheng)測量(liang)。
斷開所(suo)有(you)輸(shu)入(ru)端(duan)與示波(bo)器前端的連接，將(jiang)示波(bo)器設(she)在 50 Ω 輸入(ru)路徑(jing)。您還(hai)可(ke)以(yi)在 1MΩ 路徑(jing)上(shang)測試(shi)。啟(qi)用適量(liang)的(de)采集(ji)存(cun)儲(chu)器，100Kpts 至 1Mpts 就(jiu)足(zu)夠(gou)了。示波(bo)器啟(qi)用無(wu)限余輝，測量(liang)波(bo)形的(de)高度。波(bo)形越(yue)粗，示波(bo)器產(chan)生(sheng)的(de)內部噪(zao)聲就(jiu)越多(duo)。示波(bo)器在每(mei)個(ge)垂直(zhi)設(she)置(zhi)中具有(you)*的(de)噪(zao)聲質(zhi)量(liang)。您(nin)能(neng)夠(gou)通過觀(guan)察(cha)波形粗(cu)細(xi)查看噪(zao)聲，還(hai)能(neng)借(jie)助電壓(ya) AC 真有(you)效(xiao)值測量(liang)來量(liang)化(hua)噪(zao)聲，以(yi)進行(xing)更多(duo)的(de)分析(xi)。把垂直(zhi)設(she)置(zhi)更改為(wei)更(geng)容(rong)易(yi)敏感(gan)的數(shu)值(zhi)——100 mV 至(zhi) 10 mv/格(ge)——您就(jiu)能夠(gou)看到噪(zao)聲按(an)照全量(liang)程(cheng)垂直(zhi)數值(zhi)的(de)百(bai)分比(bi)增長(chang)，如(ru)圖(tu) 3 所(suo)示。
 
圖(tu) 3. 快(kuai)速(su)表(biao)征示波(bo)器的噪(zao)聲。斷開所(suo)有(you)輸(shu)入(ru)端(duan)。針對每(mei)個(ge)垂直(zhi)設(she)置(zhi)中的通道進行(xing) Vrms
如果(guo)初(chu)始(shi)信號(hao)過窄(zhai)，那(na)麽示波(bo)器就(jiu)會降(jiang)低(di)噪(zao)聲並(bing)顯示較(jiao)窄(zhai)波形，可(ke)生成(cheng)更(geng)好(hao)的(de)視圖和(he)測量(liang)結(jie)果(guo)。更(geng)改您(nin)的示波(bo)器設(she)置(zhi)以降低帶(dai)寬，由此消(xiao)除(chu)了可(ke)導致信號(hao)過窄(zhai)的寬帶(dai)噪(zao)聲。示波(bo)器廠(chang)商(shang)采取(qu)各種方法降(jiang)低示波(bo)器固(gu)有(you)噪(zao)聲，例如求平均值、高(gao)分辨(bian)率模(mo)式(shi)、帶(dai)寬限制(zhi)。噪(zao)聲緩解設(she)置(zhi)非(fei)常(chang)適(shi)合(he)那(na)些(xie)具有(you)低(di)噪(zao)聲的(de)示波(bo)器。

目標信號(hao)
目標(biao)信號(hao)既可(ke)以具備(bei)低(di)噪(zao)聲也(ye)可以(yi)具有(you)很(hen)高的噪(zao)聲。有(you)時(shi)很難(nan)確(que)定示波(bo)器上(shang)顯(xian)示的(de)信號(hao)噪(zao)聲來自(zi)於目標(biao)信號(hao)還(hai)是示波(bo)器的內部噪(zao)聲。當(dang)示波(bo)器的 ADC 進行(xing)信號(hao)數字(zi)化時(shi)，ADC 無(wu)法區分信號(hao)噪(zao)聲與示波(bo)器內部噪(zao)聲。它(ta)保存(cun) ADC 輸(shu)出信號(hao)並顯(xian)示相關(guan)數(shu)值。較粗波(bo)形能(neng)否(fou)表(biao)示您(nin)的(de)測試(shi)信號(hao)或示波(bo)器？有(you)幾(ji)種方法可(ke)以獲(huo)得(de)解答。首(shou)先(xian)，使用前文(wen)提(ti)到的方法對示波(bo)器的內部噪(zao)聲進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)評(ping)估(gu)。預(yu)計在每(mei)個(ge)采樣(yang)點上(shang)添(tian)加這種偏差(cha)。開啟(qi)無(wu)限余輝，查(zha)看波(bo)形形狀(zhuang)是否(fou)變(bian)粗(cu)或者(zhe)不變(bian)。
有(you)趣的是，無(wu)限余輝還(hai)能(neng)展(zhan)示示波(bo)器噪(zao)聲對目(mu)標信號(hao)有(you)何(he)影響(xiang)。對已(yi)知波形進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)測試(shi)，觀(guan)察(cha)示波(bo)器的波形在正常(chang)顯(xian)示模(mo)式(shi)和無(wu)限余輝模(mo)式(shi)下有(you)何(he)不同(tong)，由此簡(jian)單(dan)了解壹下(xia)示波(bo)器的噪(zao)聲和(he)更新(xin)速率(lv)。如(ru)圖 4 所(suo)示，具有(you)高(gao)噪(zao)聲、低(di)更新(xin)速率(lv)的(de)示波(bo)器壹開始(shi)會顯(xian)示細(xi)波形，當(dang)開啟(qi)無(wu)限余輝時(shi)，它會生(sheng)成(cheng)粗(cu)波(bo)形。具有(you)高(gao)噪(zao)聲、高(gao)更新(xin)速率(lv)的(de)示波(bo)器將(jiang)會立即顯(xian)示壹(yi)個(ge)粗(cu)波(bo)形——無(wu)論被測信號(hao)是窄(zhai)還(hai)是寬。具有(you)低(di)噪(zao)聲、低(di)更新(xin)速率(lv)的(de)示波(bo)器壹開始(shi)會顯(xian)示細(xi)信號(hao)，當(dang)開啟(qi)無(wu)限余輝時(shi)，信號(hao)保持(chi)不(bu)變或者(zhe)變粗(cu)（如(ru)果(guo)目(mu)標信號(hao)也產(chan)生(sheng)噪(zao)聲）。具有(you)低(di)噪(zao)聲、高(gao)更新(xin)速率(lv)的(de)示波(bo)器壹開始(shi)會正(zheng)確(que)顯示目(mu)標(biao)信號(hao)，當(dang)開啟(qi)無(wu)限余輝時(shi)，已顯(xian)示波(bo)形的(de)粗細(xi)保持(chi)不(bu)變。
 
圖 4. 啟(qi)用放大(da)數(shu)學函數在波形上(shang)方垂直(zhi)縮放(fang)，用戶(hu)通過查看垂直(zhi)範(fan)圍(wei)包(bao)絡(luo)即可(ke)確(que)定信號(hao)的噪(zao)聲大(da)小。
平(ping)均值模式(shi)壹(yi)般(ban)通過降低噪(zao)聲使波形變(bian)細(xi)。平均值(zhi)模(mo)式(shi)可使示波(bo)器進行(xing)連續(xu)采集(ji)，對每(mei)個(ge)已(yi)捕(bu)獲(huo)的(de)點求平均值，如(ru)圖 5 所(suo)示。這(zhe)種方法通過多(duo)次(ci)采集(ji)求取(qu)噪(zao)聲平(ping)均值(zhi)，能夠(gou)降低示波(bo)器整(zheng)體噪(zao)聲。平(ping)均值(zhi)權衡(heng)包括：平均(jun)值法(fa)還(hai)會求取(qu)目(mu)標信號(hao)值的(de)平均(jun)值(zhi)，並且僅(jin)針對重復(fu)信號(hao)。
高分辨(bian)率模(mo)式(shi)能夠(gou)降低噪(zao)聲，使波形更(geng)清晰地(di)顯示被測信號(hao)，如圖(tu) 5 所(suo)示。該(gai)模式(shi)既(ji)支(zhi)持(chi)重復(fu)信號(hao)，也支(zhi)持(chi)單(dan)次捕(bu)獲(huo)信號(hao)。在高分辨(bian)率模(mo)式(shi)中，示波(bo)器對鄰(lin)近樣(yang)本(ben)求平均值，因(yin)而能夠(gou)降低整(zheng)體噪(zao)聲。高(gao)分辨(bian)率模(mo)式(shi)需要權衡(heng)的壹(yi)點是：示波(bo)器必(bi)須(xu)對樣(yang)本(ben)求平均值，由此得(de)到的平(ping)均(jun)采樣(yang)點的出(chu)現頻(pin)率會低(di)於比(bi)初始(shi)采樣(yang)點。這會降(jiang)低(di)有(you)效(xiao)采樣(yang)率和(he)整(zheng)體帶(dai)寬。
 
圖 5. 平(ping)均值(zhi)模(mo)式適(shi)用於重復(fu)信號(hao)，顯著(zhu)降低(di)噪(zao)聲，可(ke)獲(huo)得(de)的窄(zhai)波形。
您(nin)是否(fou)還(hai)在思考細(xi)波形和(he)粗波形的(de)優劣？您現在擁有(you)壹(yi)定的專業(ye)知(zhi)識(shi)和技(ji)術(shu)，能夠(gou)選(xuan)擇壹款更(geng)忠實(shi)再(zai)現您的目標(biao)信號(hao)波形的(de)示波(bo)器。或者(zhe)，您已(yi)經(jing)選(xuan)定某(mou)款示波(bo)器，您可以利用這些(xie)方法確(que)定示波(bo)器如何(he)顯示被測信號(hao)的細(xi)波形或(huo)粗波形。