数字示波器输入连接、信号捕获和数据存储的使用探讨

中国工程物理研究院流体物理所 陈 敏 任 丹 王 兰



数字示波器输入连接、信号捕获和数据存储的使用探讨

中国工程物理研究院流体物理所 陈 敏 任 丹 王 兰

【摘要】根据数字示波器在物理测试与仪器调试中的实际应用，分析总结在探头选用、电缆连接匹配、信号捕获关键、存储速度几个方面的问题、重要性和准确理解。帮助使用者全面掌握发挥示波器的在实际中的使用，并给出了测试例子。

【关键词】数字示波器；输入连接；触发键；存储深度

示波器在科研生产上不可缺少的基本工具，新型示波器不断出现，功能不断扩大，尽管如此，提起示波器的使用，大多数使用者的回答是带宽、采样率，操作上也局限于垂直、水平刻度的设置和触发模式的选择。往往忽视示波器在输入连接重要性，使观测的信号不真实。轻视触发键的调节，使信号不能快速获取，忘记数字示波器是高速数据采集电路与计算机结合的产品［1］，没有充分意识到数据存储给信号的重现带来的便利。本文是示波器日常使用的常见问题总结，以期使用者能够把示波器能在科研中发挥更好的作用。

1 输入探头选择

精确的测量始于探头，与所用示波器匹配适当的探头，对于取得最高的信号保真度和测量精度尤其为重要［2］。从探头的使用功能来说电压探头和电流探头是数字示波器的两类基本探头，电压探头比较常见，电流探头，以泰克示波器为例，早期是TM520电流放电器配枪是的电流互感器，现在TCPA300配电流枪。从电路原理上讲分为有源探头和无源探头。现在进口示波器常用的无源探头多为高压探头，如泰克P6015A，其它的SMD无源探头、无源分配器探头等已不常见。有源探头是进口示波器基本探头配置，分为三个类别，有源（ FET ）普通电压探头、有源电流探头和差分探头如泰克P5210等。

所以要首先，了解示波器探头的分类，根据被测量信号的特点选择探头，再在使用中，看清探头的衰减比、带宽，才能使探头和示波器主机构成一个正确、准确的系统。

2 电缆适配器配置

除了探头外，在测试中，往往大量采用电缆与示波器的直接连接，使线缆匹配问题比较突出，这是由于信号源幅度和阻抗，电缆的阻抗、电缆头不尽相同。

在适配器上，特别是对高带宽的数字示波器，随意将BNC适配器连接在其输入端口进行测试，导致测量结果不正确或无效。使用前必须要了解所用示波器输入端口的结构，确认随机标配适配器的类型，针对通道的作用，才能正确选择合适的适配器。

对于匹配，一是与示波器输入的阻抗匹配，区分信号源的幅度，信号源的阻抗，连接电缆的阻抗，才不至于导致测量结果不正确。也就是说示波器的两种输入阻抗，高阻（1MΩ）和低阻（50Ω），除了对应不同信号源的阻抗，还要对应测量连接电缆的阻抗。二是幅度匹配，电缆直连适配器的另一个问题是，被测信号常常超出示波器的输入幅度要求，衰减器正是为解决这一问题设计。

需要注意的，适配器尽量采用原厂配置，因为还有带宽问题。

3 触发键的使用

测量从触发开始，但常被示波器使用者忽视，我们常常希望快速可靠地对已知信号串中，感兴趣事件进行检测和触发。

现代数字示波器，除传统的边沿触发外，还增加了自定义触发，捕获专门事件，无需把事件存储后，再处理，大大节约观测时间。增加了示波器灵活性和实时分析能力。因此有必要清楚各种触发的意义，才能对示波器使用得心应手［3］。

4 示波器存储深度认识

带宽、采样率和存储深度是确定数字示波器性能的三大主要指标。相对于带宽、采样率基本认知，存储深度往往在数字示波器的选型、评估和测试中常被忽视。

把波形信息存储到示波器的CMOS存储器中，虽然最大存储深度是一定的，但存储器的使用长度却是可变的。

存储长度 = 采样率 × 采样时间。

公式说明：当要测量时间较长的信号时，由于存储深度不变，只能降低采样率。但这样会降低波形质量；如果增加存储的长度，则意味着升高了采样率，从而获得信号波形的不失真。

图1是采样率、存储深度、采样时间三者的关系，及存储深度对数字示波器实际采样率的影响［4］。图中，当水平时间选10µs/ div，则示波器显示窗口时间是10µs/div ×10格=100us，如果存储深度为1Mpts，则实际采样率为：1M÷100µs=10Gs/s；如果只有250K的存储深度，实际采样率就降低到了2.5GS/s。

图1 采样率、存储深度、采样时间三者的关系

这说明，存储深度决定了数字示波器同时对高频和低频分析的能力，比如常遇到的低速波形上高频噪声，和低频对高速波形的调制。明白了采样率与存储深度的关系后，就明白掌握了这两个参数对测量的影响和应用。

举例，当使用数字示波器进行延迟同步机或连续高压脉冲发生器的输出抖动测试时，应注意存储深度，这决定了示波器在一次抖动测试中样本数的多少，抖动频率测试范围。如用20GSa/s采样率和1M存储深度的数字示波器捕获2.5Gb/s的信号，得到50μs长度的波形，能使一个 20kHz的抖动周期被捕获。上述存储长度取

100M，则可以捕获到200Hz的抖动周期。

4 结束语

数字示波器在科研的电子学测试中大量的应用，通过对数字示波器的基本功能在使用过程中进一步发掘与讨论，起到对使用者充分熟悉运用数字示波器的作用。由于高速数据采集电路与计算机结合的产品，我们在使用数字示波器的时候，不但要熟悉被测量对象的物理知识，还要了解计算机、网络及电子技术。还有必要了解示波器的原理、特性，才能够很好的掌握使用示波器。

参考文献

［1］周恩宜.数字示波器原理、基本特性和应用［J］.电子制作，2015（18）﹕006.

［2］张文娟.如何使用示波器探头［J］.宇航计测技术，2007（02）﹕56-59.

［3］吴怀选.示波器使用初探［J］.大学物理实验，2006（09）﹕29-32.

［4］李军.示波器的采样率和存储深度［J］.今日电子，2009（08）﹕53-55.

［5］Tektronix，Inc.MSO70000CDSA70000CDPO70000C MSO5000系列示波器用户手册［S］.2014.

［6］Lecroy，Inc.Getting Started Manual/WaveRunner6Zi and 12-Bid HRO Oscilloscopes.1013.

作者简介：

陈敏（1960—），女，江苏人，中国工程物理研究院流体物理研究所技师，研究方向：测试电子仪器计量标定。