玩轉(zhuǎn)示波器不是夢(mèng)，掌握高保真捕獲信號(hào)的6大原則

如何玩轉(zhuǎn)示波器？汪進(jìn)進(jìn)的訣竅是掌握高保真捕獲信號(hào)的6大原則！汪進(jìn)進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)演講PPT連同Bourns， Amazing，3CTest，新唐科技，Sunlord等專家的演講資料都已上線，下載鏈接： 歡迎指導(dǎo)與互動(dòng)。

安防電子在測(cè)試測(cè)量方面的需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。大的安防電子公司，都在引進(jìn)更高端的測(cè)試器設(shè)備。我今天分享的是每一位工程師每一天都要使用的工具示波器，可以稱之為每一家公司的眼睛，是每一家公司剛性需求的儀器，怎么用才能用好呢？

其實(shí)不難，掌握高保真捕獲信號(hào)的6大原則就能行！這6大原則中，有兩條最重要，我總結(jié)成14個(gè)字原則，前7個(gè)字是最小化量化誤差，后7個(gè)字是時(shí)刻警惕采樣率。

示波器的本質(zhì)是看電壓識(shí)別時(shí)間變化的儀器，它的原理很簡(jiǎn)單，信號(hào)通過(guò)探頭采集之后，經(jīng)過(guò)放大、提高，離散化，最后顯示給你看。橫坐標(biāo)的是時(shí)間，縱坐標(biāo)是電壓。這個(gè)是本質(zhì)。所以我們測(cè)量的時(shí)候，要對(duì)橫縱坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)別。

第一個(gè)原則是最小化量化誤差，盡量讓波形占滿柵格，充分利用ADC范圍。

我們復(fù)習(xí)一下示波器的基本原理，把模擬信號(hào)變成影響點(diǎn)的各個(gè)。在數(shù)字空間里，永遠(yuǎn)都有0和1，每一個(gè)0和1代表的電壓的大小是多少呢？通常是8位的0和1組成一個(gè)電壓。電阻里的電源的電壓是400伏，還是低壓5毫伏，都可以進(jìn)行量化。每一個(gè)0和1代表的電壓是多少呢？這個(gè)是最小有利的比特位。特殊講，就是示波器的每一個(gè)路徑，示波器乘1111111，變成了11111110，最后一位從1變成0的跳變，代表了電壓的大小是多少呢？是取決于平時(shí)用示波級(jí)的量程。如果示波器1伏每格的時(shí)候，你0和1的跳變大約是30毫伏的變化。這個(gè)是示波器外邊的電壓的變化，30毫伏的電壓對(duì)示波器是沒(méi)有影響的，示波器感覺(jué)不到。這個(gè)就像平時(shí)用1厘米的刻度尺來(lái)測(cè)量頭發(fā)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)無(wú)法測(cè)量，這個(gè)是基本的道理。

示波器是一個(gè)帶有波形顯示的電壓表，當(dāng)我們用一個(gè)萬(wàn)用表來(lái)測(cè)量電壓的時(shí)候，如果測(cè)量是18毫伏的電壓，量程是200伏的檔位，測(cè)量是0.01伏，就是這個(gè)道理。所以在我們用萬(wàn)用表的時(shí)候，我們會(huì)下意識(shí)的用工程師的本能把量程拉小。示波角也是這個(gè)道理。測(cè)量電壓的時(shí)候，我們有正選波，這個(gè)是1/2的話，這個(gè)放大之后就是我們說(shuō)的誤差。左邊測(cè)的結(jié)果可能是100伏，右邊可能是98伏，有時(shí)候差得會(huì)更大。

舉個(gè)例子，當(dāng)我們把示波器的探頭和地上短路的時(shí)候，示波器放在全封閉的環(huán)境里，這個(gè)時(shí)候示波器的結(jié)果就是理論上的零伏電路。這個(gè)時(shí)候你測(cè)的電壓，示波器測(cè)的結(jié)果的峰值是多少，示波器加上探頭，探頭短路，這個(gè)時(shí)候示波器的結(jié)果是多少？示波器的結(jié)果是取決于你的設(shè)置，可能是30伏，我想30伏可能很多人不相信，我剛好賣(mài)的10年的示波器，有一次我遇到了一個(gè)客戶，他買(mǎi)了探頭回去之后，探頭一短路，就發(fā)現(xiàn)了30伏的值，老板有說(shuō)要退貨，我后來(lái)花半個(gè)小時(shí)給他解釋原理，我說(shuō)這個(gè)是原理問(wèn)題，這個(gè)故事是經(jīng)常發(fā)生的。

很多人覺(jué)得不可思議，為什么零伏的測(cè)試信號(hào)是30伏呢？就是這個(gè)原因。因?yàn)榘雽?dǎo)體的制作工藝的原因就是這里。當(dāng)100伏/格的時(shí)候，正常測(cè)量的范圍是800伏除以256，最終結(jié)果差不多是30。這個(gè)是高壓測(cè)量的例子。所以平時(shí)用示波器測(cè)量電源的文波的時(shí)候，我們應(yīng)該怎么做？如果是測(cè)量3.3伏的電流波，永遠(yuǎn)要把探頭在地上的帽子拔掉，這個(gè)用短的地環(huán)。如果測(cè)1.8伏以下的電流波，紋波只有3豪伏以下的時(shí)候怎么做？勇敢要把探頭拔掉。為什么？因?yàn)楹芏嗵筋^插上去之后，最小是1毫伏/格，直接就變成了10毫伏/格，你的示波器的量化、噪聲，加上隨機(jī)噪聲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于你的被測(cè)信號(hào)的噪聲，測(cè)量的結(jié)果就失去意義了。所以我們講的第一個(gè)原則就是量化最小測(cè)量誤差。

我們公司的示波器有什么特點(diǎn)？我們的高端的示波器上，有效的ADC的倍數(shù)可以達(dá)到7位，到這個(gè)指標(biāo)的時(shí)候，如果不再做下面的闡述，下面就沒(méi)有概念，剛才講的示波器只有7位，其實(shí)大家知道一個(gè)示波器理論上是沒(méi)有8位，對(duì)于一個(gè)20倍的示波器，可以做到5到6之間，很難做到6位。第一代的示波器，通常做到的指標(biāo)是6位，而我們可以做到7位。因?yàn)槲覀兪歉呒?jí)工程師，在示波器里面有非常多的積累。傳統(tǒng)的示波器是10個(gè)G，但是實(shí)際上是由N個(gè)25兆的單個(gè)晶元的ADC合成的。我們公司花了8年的時(shí)間進(jìn)入示波器的市場(chǎng)，我們?cè)O(shè)計(jì)出單核的芯片，達(dá)到了10個(gè)G，這個(gè)是不可思議的成就。所以我們可以實(shí)現(xiàn)位數(shù)是7位。

相同的情況下，我們的示波器比傳統(tǒng)的示波器好一半，傳統(tǒng)的可能是厘米的刻度尺，我們是毫米的刻度尺。

當(dāng)我們測(cè)量一個(gè)信號(hào)，在不同采樣情況之下，采樣的結(jié)果誤差特別大。采樣率不夠，就是你帶寬不夠，看到的是上面的濾波的效果，所以我們要時(shí)刻提出采樣率，對(duì)于采樣率而言非常著名人提出的定理，這個(gè)老先生告訴我們，采樣率是信號(hào)的兩倍，才能保證你的信號(hào)的準(zhǔn)確率。采樣率決定捕獲信號(hào)的時(shí)間分辨率，時(shí)間分辨率越高，可以察看的波形細(xì)節(jié)越多，但可以捕獲的時(shí)間窗口會(huì)下降。我的個(gè)人經(jīng)歷是取決于你想要采集什么樣的信號(hào)，采集到什么程度。如果我測(cè)量的是發(fā)波，我就要看它的周期，你的采樣率是6個(gè)點(diǎn)，可能誤差只有1%。我們希望我們采的信號(hào)，感興趣的細(xì)節(jié)可以采到3到5個(gè)點(diǎn)，最好是5個(gè)點(diǎn)，當(dāng)然采更多點(diǎn)的意義就不大了。為什么采更多點(diǎn)意義不大呢？因?yàn)椴蓸勇食瞬蓸訒r(shí)間，等于示波器的產(chǎn)品的深度，產(chǎn)品太大了，會(huì)消耗你很多的時(shí)間，單位時(shí)間采的點(diǎn)太多，這個(gè)波形時(shí)間就太短，所以一般建議采到3到5個(gè)點(diǎn)。

捕獲的第三個(gè)原則，選擇合適得帶寬，并不是越高越好。

很多公司買(mǎi)示波器會(huì)考慮到未來(lái)3年的情況，我們平時(shí)用示波器的時(shí)候，適度的限制帶寬，帶寬是示波器的第一個(gè)指標(biāo)。示波器帶寬通常是指模擬帶寬。

示波器的上升時(shí)間和帶寬是一一對(duì)應(yīng)的，所謂示波器的上升時(shí)間本身的指標(biāo)，表示的是放大器的間接響應(yīng)，就表示我對(duì)示波器趨于一個(gè)無(wú)限小、無(wú)限快的上升點(diǎn)。理論上來(lái)講，是通過(guò)高斯的函數(shù)來(lái)推導(dǎo)出0.35的關(guān)系，就是帶寬等于0.35乘以時(shí)間。因此帶寬越高，上升時(shí)間越小。這個(gè)地方也是我們?nèi)魏我粋€(gè)人參加過(guò)示波器的設(shè)計(jì)都知道的數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)量的時(shí)間和正常的時(shí)間會(huì)存在這樣的一個(gè)平方和的關(guān)系，這個(gè)會(huì)產(chǎn)生接近5%的誤差。這個(gè)是非常有名的公示，這個(gè)是通過(guò)高斯來(lái)推導(dǎo)出來(lái)的。問(wèn)題是我們?nèi)魏螘r(shí)候都要考慮到性價(jià)比，因?yàn)槭静ㄆ鞑皇抢硐氲膬x器，示波器本身，以及示波器的探頭，示波器本身有一個(gè)底照，探頭是一個(gè)全照，和空間輻射耦合的方式，會(huì)感應(yīng)很多的噪聲，當(dāng)示波器和探頭感應(yīng)了噪聲信號(hào)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的被測(cè)的信號(hào)能量的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候性價(jià)比太小，帶寬越高，測(cè)的結(jié)果越差。這個(gè)就是很多公司代代相傳告訴帶寬要限制20兆的原因。測(cè)量一個(gè)3.15G的波形信號(hào)的時(shí)候，也是用這個(gè)，就是這個(gè)道理。因?yàn)槲覀冎廊魏我粋€(gè)信號(hào)都可以分解成N次諧波的疊加。所以我們看這個(gè)N等于多少的時(shí)候，你的帶寬可以覆蓋你信號(hào)能量的99.99%，當(dāng)示波器的帶寬已經(jīng)可以覆蓋99.99%的時(shí)候，你非要更高的帶寬，這個(gè)時(shí)候就得不償失了。因?yàn)槲艺f(shuō)了，當(dāng)示波器本身的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)能量的時(shí)候，要注意這一點(diǎn)。所以帶寬并不是越高越好。

示波器的上升時(shí)間和帶寬是一一對(duì)應(yīng)的，所謂示波器的上升時(shí)間本身的指標(biāo)，表示的是放大器的間接響應(yīng)，就表示我對(duì)示波器趨于一個(gè)無(wú)限小、無(wú)限快的上升點(diǎn)。理論上來(lái)講，是通過(guò)高斯的函數(shù)來(lái)推導(dǎo)出0.35的關(guān)系，就是帶寬等于0.35乘以時(shí)間。因此帶寬越高，上升時(shí)間越小。這個(gè)地方也是我們?nèi)魏我粋€(gè)人參加過(guò)示波器的設(shè)計(jì)都知道的數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)量的時(shí)間和正常的時(shí)間會(huì)存在這樣的一個(gè)平方和的關(guān)系，這個(gè)會(huì)產(chǎn)生接近5%的誤差。這個(gè)是非常有名的公示，這個(gè)是通過(guò)高斯來(lái)推導(dǎo)出來(lái)的。問(wèn)題是我們?nèi)魏螘r(shí)候都要考慮到性價(jià)比，因?yàn)槭静ㄆ鞑皇抢硐氲膬x器，示波器本身，以及示波器的探頭，示波器本身有一個(gè)底照，探頭是一個(gè)全照，和空間輻射耦合的方式，會(huì)感應(yīng)很多的噪聲，當(dāng)示波器和探頭感應(yīng)了噪聲信號(hào)的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于真正的被測(cè)的信號(hào)能量的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候性價(jià)比太小，帶寬越高，測(cè)的結(jié)果越差。這個(gè)就是很多公司代代相傳告訴帶寬要限制20兆的原因。測(cè)量一個(gè)3.15G的波形信號(hào)的時(shí)候，也是用這個(gè)，就是這個(gè)道理。因?yàn)槲覀冎廊魏我粋€(gè)信號(hào)都可以分解成N次諧波的疊加。所以我們看這個(gè)N等于多少的時(shí)候，你的帶寬可以覆蓋你信號(hào)能量的99.99%，當(dāng)示波器的帶寬已經(jīng)可以覆蓋99.99%的時(shí)候，你非要更高的帶寬，這個(gè)時(shí)候就得不償失了。因?yàn)槲艺f(shuō)了，當(dāng)示波器本身的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號(hào)能量的時(shí)候，要注意這一點(diǎn)。所以帶寬并不是越高越好。

捕獲的第四個(gè)原則，捕獲待測(cè)信號(hào)的全貌，保證捕獲信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度包含完整頻率成分。

示波器的使用經(jīng)過(guò)半個(gè)小時(shí)到一個(gè)小時(shí)的培訓(xùn)，可以少走彎路。我們過(guò)去幾年測(cè)試的結(jié)果都是7、8微伏。過(guò)去怎么測(cè)都沒(méi)有意義，都是錯(cuò)的，如果量程打到15億秒/格，這個(gè)就是測(cè)量的現(xiàn)狀。如果你的采樣率沒(méi)有打到250MS/S以上，這個(gè)時(shí)候結(jié)果也會(huì)偏小。所以測(cè)量紋波的時(shí)候，要保證打到250MS/S。為了你把電源紋波整體測(cè)出來(lái)，要看整個(gè)電源完整的包，這個(gè)是一個(gè)100赫茲的波，因?yàn)橛?20伏的交流電經(jīng)過(guò)整流之后的波。所以220伏交流的變化，使閉環(huán)控制來(lái)源在前端不能完全遇到。如果是220伏變成400伏，整個(gè)的包看起來(lái)都不明顯。但是零散而言，應(yīng)該把完整的包看清楚。

捕獲的第五個(gè)原則，我們要盡可能減少探頭的影響，主要是減少地線環(huán)路，同時(shí)要考慮到探頭的負(fù)載效應(yīng)。

示波器沒(méi)有用好，很多時(shí)候都是因?yàn)樘筋^的影響。探頭里面的故事是非常多了，可以講三個(gè)小時(shí)。因?yàn)闀r(shí)間的關(guān)系就不細(xì)說(shuō)了。我想說(shuō)的一個(gè)觀點(diǎn)是任何一個(gè)測(cè)量的本質(zhì)都是差度測(cè)量，這個(gè)觀點(diǎn)大家都要記住，哪怕你拿出一個(gè)無(wú)源探頭，這個(gè)地還是這個(gè)地，這個(gè)地只是我對(duì)探頭分壓的參考電。

其實(shí)把示波器遞減掉，只是把示波器參考點(diǎn)放在你的機(jī)殼，示波器的電源有一個(gè)外電源，這個(gè)外電源是兩個(gè)電源串聯(lián)，中間接到220伏的，地減之后，示波器本身不是這個(gè)概念的地。但是很多時(shí)候因?yàn)槭静ㄆ髡嬲槿氲讲遄系牡?，不是概念上的地，很多時(shí)候再做一個(gè)接口會(huì)更好。任何的測(cè)量都是差度測(cè)量。因此我們要記住，所有問(wèn)題都是線纜的問(wèn)題。探頭的問(wèn)題解決幾個(gè)問(wèn)題，第一個(gè)是傳導(dǎo)，第二個(gè)是輻射，這個(gè)是所有問(wèn)題的本質(zhì)。我們?cè)谑褂玫臅r(shí)候，要盡可能的減少地環(huán)的地，第二個(gè)是盡可能讓探頭遠(yuǎn)離輻射源和干擾源。還有一點(diǎn)，我們知道任何一個(gè)探頭，我們希望輸出電源越小越好，但是找不到這樣的探頭，一個(gè)探頭可以達(dá)到10兆歐姆，但是交易質(zhì)量非常多，測(cè)量結(jié)果非常大，因?yàn)闀?huì)把電路拉寬。因?yàn)樘筋^本質(zhì)上是你的探頭的等效電路，并聯(lián)在電路上面，會(huì)吸收電，打垮電路。大家要注意這個(gè)影響。

捕獲的第六個(gè)原則，利用測(cè)量統(tǒng)計(jì)功能，波形去噪算法。波形特別捕獲模式：適應(yīng)應(yīng)用，要注意其優(yōu)缺點(diǎn)。