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示波器知識百問四 示波器是如何工作的

時間:2020-08-05    來源:儀多多儀器網(wǎng)    作者:儀多多商城     
20. 在用泰克的示波器時,如何理解Holdoff這個參數(shù)? 

答:Holdoff(觸發(fā)釋抑)的含義是暫時將示波器的觸發(fā)電路封閉一段時間(即釋抑時間),在這段時間內(nèi),即使有滿足觸發(fā)條件的信號波形點示波器也不會觸發(fā)。在數(shù)字示波器中也會用百分比來表示,意義是整個記錄長度或者整個屏幕的百分比。 


示波器的觸發(fā)部分的作用就是穩(wěn)定的顯示波形,觸發(fā)釋抑也是為了穩(wěn)定顯示波形而設(shè)置的功能。主要針對大周期重復(fù)而在大周期內(nèi)有很多滿足觸發(fā)條件的不重復(fù)的波形點而專門設(shè)置的。比如圖中所示,圖中紅色的點都可以滿足觸發(fā)條件,如果不用釋抑功能,觸發(fā)點將不固定,造成顯示不穩(wěn)定,使用觸發(fā)釋抑后,每次都在同一個點觸發(fā),因此可以穩(wěn)定顯示。 

此外,對于調(diào)幅信號等也一樣要使用觸發(fā)釋抑。詳情請參見泰克文章《示波器XYZ》。 

21. 關(guān)于holdoff,所謂觸發(fā)與非觸發(fā),示波器對采集信號的處理有什么區(qū)別? 

答:對于數(shù)字示波器,不論是否觸發(fā),示波器實際上都是在不斷地采集波形,但是如果只有穩(wěn)定的觸發(fā)才能有穩(wěn)定的顯示。也會出現(xiàn)這種狀況,示波器觸發(fā)電路的模式出于“自動”模式,即不論是否滿足觸發(fā)條件都進行波形顯示。如果使用“通?!盢ormal模式,不滿足觸發(fā)條件就不會顯示波形。 

22. 關(guān)于holdoff,如果在水平時間分辨率不變的前提下,是否百分比設(shè)置越大(對應(yīng)信號顯示逐漸穩(wěn)定)那么就意味著信號的周期越長? 

答:是的,百分比越大,釋抑時間越長。 


23. 如何使用示波器測量差分信號? 

答:可以的方法是選用差分探頭,這時測到的信號較為真實客觀;若沒有差分探頭,可使用兩個差分探頭接到示波器的兩個通道上(如Ci, Ch2),然后用數(shù)學(xué)運算,得到ci-ch2的波形并進行分析,這時盡量保持兩根探頭完全一樣,示波器兩個通道的Vertical scale ( 每格多少伏)設(shè)置一樣,否則,誤差會較大。 

24. 怎樣用示波器測量出USB總線上的差分信號? 

答:USB 信號的測試分為2種情況: 

第一種是需要進行符合USB組織定義USB1.1/2.0總線的物理層測試規(guī)范,只有通過USB一致性測試后方可打上USB標(biāo)識。USB物理層一致性測試分為很多個測試項目,主要是考察USB信號的信號質(zhì)量如何,象 

Signal Quality Test 

Droop & Drop Test 

Inrush Current Test 

HS Specific Tests 

Chirp Test 

Monotonic Test 

Receiver sensitivity Test 

Impedance Test (TDR) 等等。 

第二種情況是僅觀測USB總線上的信號,可以選擇合適的差分探頭連接到D+, D-,直接進行USB信號的觀測。USB2.0信號速度比較快,上升時間為幾百皮秒,為了保證信號的包真度測試,需要選擇大于2GHz的示波器和差分探頭進行測試。  1 引言

虛擬儀器(VI-ViItuaIInstrument)是指通過應(yīng)用程序?qū)⑼ㄓ糜嬎銠C與功能化硬件結(jié)合起來,用戶可通過友好的圖形界面操作計算機,就像在操作自己定義、自己設(shè)計的單個儀器一樣,從而完成對被測量的采集、處理、分析、判斷、顯示、數(shù)據(jù)存儲等。在這種儀器系統(tǒng)中,各種復(fù)雜測試功能、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果顯示都完全由計算機軟件完成,在很多方面較傳統(tǒng)儀器有無法比擬的優(yōu)點,如使用靈活方便、測試功能豐富、價格低廉、一機多用等,這些使得虛擬儀器成為未來電子測量儀器發(fā)展的主要方向之一。

當(dāng)今虛擬儀器系統(tǒng)開發(fā)采用的總線包括傳統(tǒng)的Rs232串行總線、GPIB通用接口總線、VXI總線、PCI總線和IEEE 1394總線即Firewire(也叫做火線)。

本文介紹基于PCI總線接口的CompuS,cope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡和Visual C++編程工具的快速虛擬示波器試驗系統(tǒng),該系統(tǒng)集波形采集、數(shù)據(jù)分析、輸出、顯示為一體。為了保證數(shù)據(jù)采集和波形顯示的實時性,設(shè)計中還采用了多線程技術(shù)。


2 系統(tǒng)組成和采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)組成

虛擬示波器系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集卡、計算機和專用軟件組成,其中,數(shù)據(jù)采集卡完成對輸入測量信號的調(diào)理采集和緩存,并通過計算機PCI總線送入內(nèi)存;計算機在應(yīng)用程序控制下對數(shù)據(jù)進行處理、運算,最后完成各種電量測試并在屏幕上用圖形或數(shù)據(jù)形式顯示。這一切均在人機交互方式下完成。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡的硬件結(jié)構(gòu)

本虛擬示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速數(shù)據(jù)采集卡作為PCI接口。采集卡的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該數(shù)據(jù)采集卡主要由前置濾波器、可程控衰減器、可程控模擬放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、計數(shù),定時電路、振蕩電路、時序控制電路及PCI接口電路組成,其功能電路由數(shù)字控制邏輯電路統(tǒng)一控制。該卡是具有2個模擬量輸入通道的標(biāo)準的PCI總線插卡,卡上集成的2個高速8位ADC的工作頻率高達IGHz,在單通道工作模式下,2個ADC同時工作,分別在脈沖的上升沿和下降沿進行轉(zhuǎn)換,所以最高采樣頻率可以達到2GHz??ㄉ吓渲糜?6M的高速存儲器,解決了高采樣率和相對較低PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率的匹配問題。在使用之前必須對采集卡的硬件進行配置,這些控制程序用到相應(yīng)的底層DAQ驅(qū)動程序。通過采集卡自帶的DLL可以在程序中靈活地對硬件進行控制,比如輸入阻抗、輸入電壓范圍、放大器增益、采樣頻率、每次采樣點數(shù)等。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 虛擬示波器的軟件開發(fā)環(huán)境

虛擬儀器較為重要的技術(shù)是軟件技術(shù)。目前,用于虛擬儀器開發(fā)的軟件開發(fā)平臺主要有二大類:一類是通用的可視化軟件編程環(huán)境,主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等;另一類是一些公司推出的專用于虛擬儀器開發(fā)軟件的編程環(huán)境,主要有NI公司的圖形化編程環(huán)境LabView及文本編程環(huán)境IabWindows/CVI、Agilent公司的圖形化編程環(huán)境Agilent VEE??紤]到軟件的靈活性、高效性和可移植性,本設(shè)計中采用visual C++作為虛擬示波器的開發(fā)環(huán)境。

3.2 軟件功能模塊

該虛擬示波器有5大功能模塊:信號采集、用戶界面、頻譜分析、數(shù)字濾波、波形顯示。

3.2.1信號采集模塊

信號采集模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集,根據(jù)采集信號的不同選用不同的采樣頻率。該模塊中的應(yīng)用程序通過采集卡的驅(qū)動程序和硬件進行通信,如果把該模塊放在程序主線程中實現(xiàn),那么,當(dāng)應(yīng)用程序與驅(qū)動程序進行數(shù)據(jù)通信時主界面就會凍結(jié)。為了解決這個問題,本文直接創(chuàng)建一種子線程來單獨完成與驅(qū)動程序的通信任務(wù),讓主界面專用于響應(yīng)視窗界面的信息。在子線程中通過調(diào)用gage_start_capture()函數(shù)進行數(shù)據(jù)的采集。圖2示出數(shù)據(jù)采集流程。數(shù)據(jù)采集的主要代碼如下:

3.2.2用戶界面模塊

界面主要切分為3個視圖:主視圖基類為ScrollView,用于顯示波形;2個視圖基類為For-mView,1個用于動態(tài)顯示采集數(shù)據(jù)的特征參數(shù),另1個用于對示波器進行操作。整個軟件的主界面設(shè)計如圖3所示。

3.2.3頻譜分析模塊

本軟件利用快速傅里葉變換(FFT)進行頻譜分析。頻譜分析采用按時間抽取FFT算法,然后將幅值頻譜分析結(jié)果在用戶界面上以坐標(biāo)曲線形式顯示。進行FFT時可以選擇點數(shù),有1024、2048、4096 3種選擇,如果點數(shù)不夠,程序自動補零。

3.2.4數(shù)宇濾波模塊

本軟件可以對所采集的信號進行低通和高通濾波。首先根據(jù)給定通帶截止頻率、阻帶截止頻率、通帶衰減和阻帶衰減設(shè)計出巴特沃思(Butter-worth)模擬濾波器,再用雙線性變換法設(shè)計出數(shù)字濾波器。

3.2.5波形顯示模塊

虛擬示波器的工作原理是對信號波形進行高速采樣,采樣值被數(shù)字化后存儲起來,當(dāng)重建波形時便從緩沖區(qū)取數(shù),然后用清晰、均勻一致的軌跡映像在屏幕上。由于采集的模擬波形經(jīng)數(shù)字化后成為一串離散數(shù)據(jù),因此,如何重建信號波形是虛擬示波器設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。當(dāng)前的波形顯示主要有分段顯示和滾動顯示。這里采用滾動顯示,并且提出一種新的滾動顯示算法,突破了滾動顯示只能觀察變化緩慢的信號的限制。算法核心思想如下:

(1)得到所采集數(shù)據(jù)塊的第1個和最后1個數(shù)據(jù)點的橫坐標(biāo)m_xMin和rn_xMax,m_xMax-m_xMin為波形的邏輯寬度。

(2)m_xMax-m_xMin的值為邏輯坐標(biāo),把它轉(zhuǎn)化為設(shè)備坐標(biāo)cx,用cx設(shè)定整個滾動視圖的寬度。

(3)為了提高畫圖的效率,只需畫出滾動視圖可視部分的圖形,也就是剪裁區(qū)的圖形,因此要得到剪裁區(qū)。

(4)畫出坐標(biāo)及剪裁區(qū)內(nèi)的一段波形。

(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函數(shù),根據(jù)采樣間隔的大小決定斷滾動視圖速度的快慢。這樣視圖滾動以后相應(yīng)的剪裁區(qū)也會發(fā)生改變,促使動態(tài)畫出新的波形。

主要代碼如下:

4 實驗與討論

在實驗中使用該系統(tǒng)對正弦信號和鋸齒波信號進行了采集,并對2個通道的信號分別進行了頻譜分析。實驗時示波器參數(shù)設(shè)置如下:采樣模式為雙通道,其中通道1對正弦信號進行采樣,通道2對鋸齒波信號進行采樣;采樣率為120Ms/s;采樣深度為16 000點;觸發(fā)源為軟件觸發(fā);觸發(fā)時間極限為20ms;輸入信號電壓范圍為~5V。實驗結(jié)果如圖4所示。達到了預(yù)定的效果。

本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速數(shù)據(jù)采集卡,用Visual C++編程工具設(shè)計出一種快速虛擬示波器試驗系統(tǒng),實現(xiàn)了高速數(shù)據(jù)的采集和動態(tài)波形的顯示。同時提出一種新的波形滾動算法,大大改觀了滾動波形的動態(tài)顯示效果。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了傳統(tǒng)示波器無法實現(xiàn)的頻譜分析和數(shù)字濾波功能。采用Visual c++作為儀器編程語言使得編寫的程序通用性和可移植性強。
示波器的使用技巧

  1、示波器使用前一定要進行校準和補償。  校準主要是為了使當(dāng)前的測量值處于比較優(yōu)化的,不受外界溫度環(huán)境等的影響。校準的方法是調(diào)用示波器里面自行加載的校準文件進行校準,基本上就是按下校準鍵就可以了?! ⊙a償是為了使輸入示波器的信號不會因為阻抗不匹配而發(fā)生信號完整性問題。補償?shù)姆椒ㄊ菍⑻筋^接到示波器的方波發(fā)生信號引腳(這個引腳示波器都會有的,主要就是用來進行補償校準的),用小螺絲刀調(diào)整探頭的松緊,使方波信號呈現(xiàn)正確的形狀。補償過度會使波形上下沖,補償不足會使波形過緩。  2、調(diào)節(jié)示波器的量程,時基,觀察中心點坐標(biāo)等使波形達到較佳觀測狀態(tài)。  3、電源文波的測量  電源文波測量的正確方法: ?。?)將探頭的套帽摘掉以減少探頭引入的寄生電感 ?。?)將地線回路盡可能減小,地線纏繞在探頭上,或直接使用地線夾(很多示波器廠商都有,eg、R&W) ?。?)在測量端并入一個10uF和一個0、1uF的電容,同時將示波器的帶寬限制在20MHz,起到低通濾波的作用,防止高頻信號串?dāng)_使測量值不準 ?。?)根據(jù)奈奎斯特采樣率,時基選擇要使得測量頻率是開關(guān)頻率的2倍以上,(5)測試點要遠離干擾源?! ?、變壓器的原邊用差分探頭,副邊用普通探頭,不能同時用不同探頭,因為普通探頭之間的地是相通的,但是主副邊的地是有電壓差的,這樣會使示波器的地之間被短路,有燒壞示波器的風(fēng)險。

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