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你真的懂示波器吗?工作面试中会用到的示波器知识

2017-2-8 17:01 575 0

记得我2013年去EMC面试硬件工程师的时候,整个面试过程表现都还不错,最后问了我一些示波器的东西,提到了一个问题说,用一个带宽50M的示波器去采样一个100M的信号,结果是怎么样的?我当时没啥概念,不太会,幸好面试的工程师是我本科的校友,给了我一些提示,问题算是回答出来了。在之后的一段时间的,我特意做了这个实验,然后对示波器进行了一些研究与学习。贴出一部分基本重要的东西出来。对这个问题有兴趣的也可以亲自做做实验看看具体结果。


采样率是数字上的,每秒采样多少个样点每秒采样多少个样点。而带宽则是模拟上的,能够测试信号频率的范围。


如果一个ADC的采样频率为5G,但是前面搞一个100M的低通滤波器,那采样 率就是5G,带宽就是100M了。 带宽反映了这个示波器能够测试的频率范围,如果超过这个频率范围,就不准确了。 但是有一条最基本的原则:采样频率不得低于信号带宽的2倍。



  1. 示波器应用市场对带宽和采样率的需求

    示波器对带宽和采样率提出了越来越高的要求。

    示波器_1


一般来说,示波器的采样率至少为带宽的2倍。

示波器_2


一个示波器写带宽是40Mhz,40MHZ是指示波器能测量标准正弦波的能力.但因为平时用示波器测试时基本不是正弦波,所以我们在考虑示波器带宽时,通常会按被测信号频率的三倍来考虑,更高倍当然最好.所以一定要注意,不是40 MHZ的示波器就能测40MHZ的所有信号.如果是数字示波器要注意存储深度\采样率等都是很重要的。

示波器_3



  1. 示波器的原理框图

    要熟练了解示波器必须知道示波器的内部结构,示波器包括放大器,放大器限制了示波器的带宽;模数转换器,采集存储器,决定了示波器的存储深度;数据处理以及最后的显示。

    示波器_4


示波器_5


示波器_6



  1. 信号的带宽和信号的频率不是直接相关,而是和信号的上升时间相关

    示波器_7


示波器是测试设备,它的带宽应当比被测信号的带宽大,这样才不会失真,不会漏掉你想观察的东西。


比如一个方波的频率是一兆赫,它有效的谐波却超过5兆赫,你用一个带宽只有一兆赫的示波器去显示,得到的是一个差不多是正弦波的显示,你用30兆赫的示波器一看,方波就是方波了。


首先第一个概念是,信号的带宽和信号的频率不是直接相关,而是和信号的上升时间相关。


比如方波,是一个频谱分量众多的信号,其包括了基波和高次谐波。它可以由很多个正弦波叠加而成。?而示波器的带宽是有限的,?所以使用示波器观察方波时,如果带宽不够,会把高次的谐波滤掉,方波看起来就像正弦波了。

示波器_8


示波器_9


那么怎么计算信号的带宽,怎么选择示波器的带宽呢?信号的带宽可以根据0.35/Tr来计算,其中Tr为其上升时间。当然示波器带宽越大,信号测出来约接近实际值,但一般选择示波器带宽为其3倍即可。

示波器_10


那么这个0.35/Tr是怎么得来的呢?通常谈到的示波器带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽,也就是常说的-3dB截止频率点。示波器的前端放大电路,可以等效为一个RC低通滤波器,如图:


至此,我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。根据放大器的等效模型,我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式,即我们常提到的0.35的关系:上升时间=0.35/带宽。需要说明的是,0.35是基于高斯响应的理论值,实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。



  1. 示波器的频谱范围和分辨带宽

    示波器_11

    示波器_12


这些是一些常用的结论,熟悉这些结论可以让我们使用示波器更得心应手。


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