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Agitek工程师—如何判断示波器出现假波

本帖最后由 agitek安泰维修 于 2020-5-6 18:15 编辑

      示波器对于很多工程师而言堪比“眼睛”,工程师每天与示波器相伴的时间甚至超过了与家人相处的时间。相信对于电源工程师,示波器的功劳是不可替代的,一旦产品有问题就需要抓波形,抓时序,测试准确数值,以帮助工程师分析,处理,一切看波形说话。准确的数字能够帮助我们,而失真的波形和数值只能误导我们。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。那么假波现象是怎么形成的该如何处理呢?安泰仪器维修中心心得分享:

        数字示波器的假波现象
        工程师们在使用示波器的时候有可能遇到过输入信号频率为10MHz但是示波器测量出来的值却远小于10MHz的信号波形,那么问题来了,有的工程师会以为这是一个高频率小信号叠加低频率大信号,此时下此结论为时尚早,出现这种情况很有可能是此时出现了假波现象。
         
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        图1 数字示波器观察到的假波现象
       如图1所示,从图中可以很直观的看出假波和实际波形的区别,那么假波形究竟是怎么形成的?它有什么特征以及如何判断测量中是否出现了假波现象呢?
      假波现象形成的原因
      想要知道假波是如何形成的,首先就得要对数字示波器的工作原理熟练掌握。数字示波器与模拟示波器不同,它是通过模数转换器(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。因此示波器能否重现真实信号波形至关重要的步骤就是采样。
      根据奈奎斯特抽样定律,想要保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真,那么采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上。如果示波器采样率不高,无法建立起精确的波形记录时,就会出现假波现象,就会显示为低频信号波形,或者触发显示为不稳定的波形。数字示波器工作原理见图2
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      判断假波现象方法
      在实际测量中可以通过以下4种方法来判断示波器测量的波形是否为假波。
     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。

 

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        图3 水平时基20us/div、采样率50MSa/s
 
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           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。

 

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        图5 标准捕获模式
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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。

 

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        图7 储存深度14Kpts
 
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        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。
        根据以上总结一下:
        1、假波现象只会出现在数字示波器中;
        2、假波现象是由于示波器采样率不足导致的。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。

        本文由安泰示波器维修中心整理发布,更多有关仪器维修知识欢迎访问安泰维修网。


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