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示波器也会犯错?深入分析示波器的假波现象

导读: 在工程师使用示波器测量信号时,可能会发现不同的时基档下所测到的波形频率不同。如果这个信号并非是叠加信号,那么可能就是示波器出现假波现象了。本文重点分享示波器假波现象的形成原因以及处理方法。

在工程师使用示波器测量信号时,可能会发现不同的时基档下所测到的波形频率不同。如果这个信号并非是叠加信号,那么可能就是示波器出现假波现象了。本文重点分享示波器假波现象的形成原因以及处理方法。

数字示波器的假波现象

图1 数字示波器观察到的假波现象

在使用数字示波器时,是否会遇到输入信号频率为10MHz,而示波器测量出来却是远小于10MHz频率的信号波形,你可能会认为这是一个高频率小信号叠加低频率大信号,请不要急着做这样的结论,可能此时已经出现了假波现象了。

图1给出信号实际波形和假波的图形,从图中可以直观的看出假波和实际波形的区别。随后会讨论假波形成原因、特征以及如何判断测量中是否出现假波现象。

假波现象形成的原因

了解假波现象如何形成,就得要知道数字示波器的工作原理。图2是数字示波器工作原理框图,与模拟示波器不同,数字示波器通过模数转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值,并对样值进行存储,存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。对样值存储后,数字示波器再重构波形。显然示波器是否能重现真实的信号波形,其中关键的步骤就是采样。

根据奈奎斯特抽样定律,要保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真,采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上。可想而知,如果示波器采样速率不高,无法建立起精确的波形记录时,就会出现假波现象,如图1所示显示为低频信号波形,或者触发显示为不稳定的波形。

图2 数字示波器工作原理框图

假波现象的判断方法

在实际测量中可以通过以下4个方法判断示波器测量的波形是否为假波。

注:测试输入为10MHz,峰峰值800mV的正弦波信号。所用示波器是ZLG致远电子自主研发的ZDS1104,带宽100MHz,最大采样率1GSa/s,最大储存深度28MKpts,支持4通道输入。

1、旋转“t/div”旋钮改变水平时基档,如果波形形状剧烈变化,则可能出现假波现象。

图3 水平时基20us/div、采样率50MSa/s

图4 水平时基100us/div、采样率10MSa/s

从图3和图4中可以看出,当水平时基档从“20us/div”增加到“100us/div”时,波形发生剧烈变化,频率为10MHz的信号示波器测量为4.98KHz,可以判断时基档在“100us/div”出现波形为假波。

数字示波器采样率fs和水平时基档(t/div)有如下关系:

fs=N/((t/div))

其中数字示波器最大采样速率N是一个定值,可知水平时基档越大,采样率越小。水平时基档增加到“100us /div”时,采样率也从50MSa/s减小到10MSa/s,根据奈奎斯特抽样定律,此时的采样率小于信号频率的2倍,也就不能正确的重现波形了。

2、选择“峰值”捕获模式,如果波形形状剧烈变化,则可能有假波现象。

图5 标准捕获模式

图6 峰值捕获模式

“峰值”捕获模式,示波器将对最大值和最小值进行取样,因此可以检测更快的信号。图6中,捕获模式由“标准”改为“峰值”,采样率同样是10MSa/s,示波器显示的波形形状剧烈变化。可判断出图5中示波器显示波形为假波。

3、改变储存深度大小,如果波形形状剧烈变化,则可能有假波现象。

图7 储存深度14Kpts

图8 储存深度700Kpts

示波器的储存就是把经过A/D数字化后的二进制波形信息存储到示波器的高速CMOS内存中,内存的容量就是储存深度。储存深度M与采样率fs有这样的关系:

M=fs×(t/div)

由以上关系可知,提高示波器的储存深度可以间接提高示波器的采样率。图8中,储存深度由14Kpts改为700Kpts,波形形状发生剧烈变化,可判断出图7示波器显示波形为假波现象。仔细观察图5、图6和图7,都是由于示波器设置储存深度过小,导致采样率不足造成假波的产生。

4、选择“峰峰值测量”,在改变水平时基档、储存深度或者选择“峰值捕获”,当波形出现剧烈变化时,若峰峰值不改变,则出现假波现象。

图3至图8中都标出了峰峰值测量“PK-PK”,当水平时基档、储存深度和捕获模式改变,无论示波器显示信号波形怎么变化,但是峰峰值800mV并没有发生变化,可以说明示波器显示的波形为假波现象。

总结

1、假波现象只会出现在数字示波器中,现在市场上基本都是数字示波器。

2、假波现象是由于采样率不足导致的。示波器最大的采样率是固定的,实际采样率是可变的,通过选择合适的时基档位和储存深度可以提高实际采样率,有效避免假波的产生。

3、示波器测量同一信号在不同时基档显示不相同频率波形时,请用以上4种方法判断是否为假波现象。

致远电子介绍

广州致远电子有限公司成立于2001年,是国家级高新技术认证企业,广东省高端工控测量仪器工程技术研究开发中心。

愿景:成为工业互联网生态系统领导企业

采用“芯片+AWorks软件平台”设计高附加值的模块、板卡和高端测量仪器,通过有线和无线接口,接入ZWS IoT云端,实现大数据处理,构成工业互联网生态系统。

使命:以领先技术推进中国工业互联网进程

价值观:专业?专注成就梦想

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