了解示波器波形粗细属性

示波器波形展示了真实的电子信号。在评估示波器性能时，可以考察它显示与目标信号形状相同的波形的能力。假设示波器具备足够的基本技术指标——例如带宽、采样率和等频率响应，示波器应当显示粗波形还是细波形更好一些？这个问题的答案与大部分工程学问题一样：“视具体情况而定”。 

现在我们研究一下示波器和信号的属性，这些属性有助于用户确定是粗波形还是细波形。两个关键属性可使用户了解他们的示波器显示目标信号的能力，分别是更新速率和噪声。

更新速率对波形粗细的影响

更新速率表示示波器在1 秒钟内采集、处理与显示的波形数目。更新速率越高，示波器就能更迅速地显示被测信号。更新速率越低，示波器就会花费更长时间显示与特定波形相关的细节。目前，示波器的更新速率范围是在每秒钟100 万个波形到几秒钟1 个波形。只需更改示波器的设置，同一款示波器就能显示不一样的速率范围。更新速率会受到多个示波器设置的影响，包括更改采集存储器的深度，这会对存储器深度带来极大影响。

让我们看一个简单示例。图1 的上半部分显示了两款知名厂商生产的带宽相等的示波器，示波器持续运行并与完全相同的10 MHz 正弦波连接。其中一款示波器显示了较粗的波形，另一款显示了较细的波形。这会导致测量值的不同。哪一种更加精确？两款示波器的最大区别之一就是更新速率。使用相同的设置，其中一款示波器的更新速率为每秒钟100 万个波形，比另一款示波器的更新速率快16,000 倍。 

这一点对波形有何影响？图1 的下半部分显示了当开启无限余辉时，连接同一个信号的两款示波器会如何显示。两款示波器都会构建更长持续时间的图像。10 秒钟后，示波器显示了相同的波形形状与波形粗细。在这种情况下，数据速率更高的初始示波器能够显示更粗的波形，更清晰地表现每个示波器的显示内容。通过开启无限余辉，我们能够快速进行评估。 

图1. 两款具有同等带宽和近似噪声的示波器连接到同一个信号。两款示波器的噪声类似。上面截图显示了Tek DPO5104A，它具有极窄的波形，提供更多细节。Agilent DSOX4104A 显示的波形较宽。为什么有这种区别？原因在于更新速率。

开启无限余辉并等待10 秒。两款示波器显示同样粗细的波形。安捷伦示波器的更新速率为100 万个波形/秒，而Tek 示波器在常规模式下的更新速率仅为60 个波形/秒。波形粗细与示波器向初始信号中添加的噪声数量有关。

图中文字中英对照

示波器噪声对波形粗细的影响

示波器测量的精度如何？通常从水平时基的角度看，示波器的测量精度极高，但从垂直时基的角度上看，精度就会显著降低。原因是什么？一个主要原因是噪声对测量带来的干扰。示波器生成的内部噪声与被测信号耦合，由此造成信号卷积，噪声在连续样本中进行数字化、存储、处理和显示。示波器的模数转换器无法区分由示波器产生的噪声和由实际目标信号产生的噪声。但是，您可以运行一个简单的测试，以确定您的示波器对信号添加了多少噪声。采取特定的设置组合，快速确定您的示波器将会产生多少噪声，并对两款示波器进行简单对比。

图2.  更新速率相同的两款示波器连接到同一个信号。两者所显示的波形粗细大为不同。原因何在？4 GHz 示波器的噪声高于500 MHz 示波器。粗细不同的原因在于噪声。

图中文字中英对照

图2 显示了两款示波器正在查看同一个10 MHz 正弦波。其中一个示波器显示了更粗的波形。根据前文的示例，示波器是否因为具备更快的更新速率才能显示更粗的波形？答案是否定的。两款示波器在开启无限余辉时具备相同的更新速率，其中一款示波器仍将显示更粗的波形，而另一款则是显示较细波形。区别在于，其中一款示波器的噪声远远高于另一款示波器，噪声差值会生成更宽的信号。其它的噪声源包括位于测试设置中的有源和无源探头。有源探头一般使用示波器通道中的50 Ω 信号路径，这些路径的噪声低于1 MΩ 信号路径。