如何玩轉示波器-全面認識示波器

在科技發(fā)達信息化社會示波器可以說是任何設計、制造或是維修電子設備的必備之物。從設計研發(fā)到檢測使用，工程師們需要一雙“慧眼”，這雙眼能夠快速而精確發(fā)現(xiàn)問題以幫助工程師們更好的解決測量疑難。面對當今各種測量挑戰(zhàn)，示波器當之無愧的被工程師們稱為能夠滿足要求并且能夠勝任工作的最佳關鍵工具。 示波器的用途不僅僅局限于電子領域。示波器利用信號變換器，適用于各種各樣的物理現(xiàn)象。信號變換器能夠響應各種物理激勵源，使之轉變?yōu)殡娦盘?，包括聲音、機械應力、壓力、光、熱。麥克風屬于信號變換器，它實現(xiàn)把聲音轉變?yōu)殡娦盘枴奈锢韺W家到電視維修人員，各種人士都使用示波器。汽車工程師使用示波器來測量發(fā)動機的振動。醫(yī)師使用示波器測量腦電波。描述示波器的用途是沒有止境的。如何選擇和評判一個示波器的優(yōu)劣也成了工程師們一個不可不知的常識，玩轉好示波器不可不知一些很基本但很重要的知識。接下來先對示波器的三大關鍵指標進行簡單介紹說明。 帶寬 帶寬、采樣率和存儲深度是數(shù)字示波器的三大關鍵指標。帶寬一直被稱作示波器的第一性能指標，也成了決定示波器價格很重要的因素，市場上也把帶寬作為一個劃分依據(jù)，通常所說的帶寬在無特別說明情況下一般指模擬放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點。示波器面板上標稱的帶寬就是我們常說的示波器帶寬。究竟什么是示波器的帶寬我們可以這樣來理解：在示波器輸入端輸入正弦波信號時，幅度衰減至原信號幅度的0.707倍的那個頻率點，稱之為示波器帶寬。也就是說，假如一個示波器的帶寬為100MHz的話，用它測試一個頻率為100MHz，振幅為1Vpp的信號時，最后所測的信號幅度只有100MHz，0.707Vpp了。 帶寬限制對信號的捕獲、重構信號和信號的完整性會產(chǎn)生很大影響，具體體現(xiàn)在：被測信號的上升沿變緩；信號的頻率分量會減少；信號的相位會失真。示波器帶寬通常是被測信號頻率的3-5倍，這樣才能保證被測信號不失真，具體用多大帶寬的示波器取決于被測信號的類型和您做希望的準確度。 采樣率 計算機處理的是離散的數(shù)字信號，同樣模擬電壓信號進入示波器后也要進行模數(shù)轉換變成數(shù)字信號，我們把從連續(xù)信號到離散信號的轉化過程叫作采樣。模擬信號只有經(jīng)過采樣、量化、編碼才能被計算機識別和處理。采樣是數(shù)字示波器分析處理信號的基礎。通過測量等時間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉化為用八位二進制代碼表示的數(shù)字信息，這就是數(shù)字存儲示波器的采樣。示波器采樣率越快，那么重建出來的波形就越接近原始信號，重要信息和事件丟失的概率就越小。采樣率（samplingrate）就是采樣時間間隔。比如，如果示波器的采樣率是每秒10G次（10GSa/s），則意味著每100ps進行一次采樣。根據(jù)Nyquist采樣定理，當對一個最高頻率為f的帶限信號進行采樣時，采樣頻率SF必須大于f的兩倍以上（SF≥2f）才能確保從采樣值完全重構原來的信號。而這個定理是機遇無限長時間和連續(xù)的信號，通常采用兩倍于最高頻率成分的采樣速率是不夠的。 當我們選擇使用示波器時，對于特定的帶寬選取多大的采樣率還取決于采樣模式，現(xiàn)在的數(shù)字示波器通常采用兩種基本的采樣方式：實時采樣和等效采樣。等效采樣進一步又可分為隨即和重復兩類，等效采樣這兩類采樣都要求信號時重復并且能夠穩(wěn)定觸發(fā)的。在這兩大類模式下也有其它采樣模式的分法，如麥科信公司生產(chǎn)的MS500系列示波器支持四種采樣模式（有的也稱捕獲模式）：正常、平均、峰值和包絡。正常采樣模式是指示波器按照相等的時間間隔對信號進行采樣建立波形；平均采樣是指示波器對多次采樣的波形作平均處理，然后產(chǎn)生最后的波形。平均采樣模式可以減少顯示信號中隨機或不相關的噪音；峰值采樣模式是指示波器使用兩個連續(xù)捕獲間隔中包含的所有取樣的最高點和最低點，并把這些值當做相關的波形點，這種模式可以有效的獲取可能丟失的窄脈沖和毛刺探測，但顯示的噪聲比較大；包絡模式是指示波器對多次采樣的波形重新組合進行疊加，在指定的N此采集中，對每個相同位置捕獲其最大值和最小值并加以顯示。 存儲深度 作為數(shù)字示波器的第三大關鍵指標，存儲深度是不可不提到的，存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。對于數(shù)字存儲示波器最大存儲深度是一定的，但是在實際測試中所使用的存儲深度是可調的。 存儲深度等于存儲速率和存儲時間的乘積，提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率，如果在存儲深度固定的情況下，如果要采集長時間段的波形，只能以降低采樣率作為代價，可這又會導致波形質量的下降，如果提高存儲深度，可以提高采樣率以獲取不失真的波形。MS500系列采用240K高存儲深度，對高速和長時間信號依然能夠可以保持1G/s的采樣率，保證信號的準確度，具備同時分析高頻和低頻現(xiàn)象的能力，高存儲深度使得該款示波器在FFT和高速串行信號能夠應付自如。 為了更好的理解示波器，一些性能術語的理解也是相當重要的，下面對于示波器的性能術語加以簡單介紹。 觸發(fā) 說到示波器不得不提到觸發(fā)的概念，正確的理解觸發(fā)概念對于更好更正確的使用示波器至關重要，數(shù)字示波器與很多豐富的觸發(fā)功能，國產(chǎn)手持式多功能示波器Micsig品牌MS500系列支持的觸發(fā)類型包括邊沿、脈寬、邏輯、視頻和串行總線。用戶可通過對觸發(fā)條件的設置觀察到觸發(fā)前或者觸發(fā)后的波形，測量低速信號中的干擾和奇怪信號就要通過觸發(fā)來隔離。觸發(fā)的功能簡單地說就是隔離波形和同步波形兩種作用，隔離就是在觸發(fā)位置隔離的波形是滿足觸發(fā)的波形，同步就是穩(wěn)定輸出波形，讓波形不再晃動，網(wǎng)上有一篇專門介紹觸發(fā)的文章說的很通俗，更好更清楚的理解觸發(fā)就得對觸發(fā)有關的觸發(fā)源、觸發(fā)點、觸發(fā)電平和觸發(fā)模式有所了解。 觸發(fā)源就是選擇哪條通道作為觸發(fā)對象，觸發(fā)源可以選擇示波器的任一通道也可以設置外部信號作為觸發(fā)信號源；觸發(fā)點也就是所說的觸發(fā)位置，調節(jié)觸發(fā)位置可以觀察觸發(fā)之前或者觸發(fā)之后的波形，按一下MS500示波器上的“50%”快捷鍵可以快速把觸發(fā)位置調節(jié)到水平中央位置；觸發(fā)電平是設定觸發(fā)點所對應的信號電壓，信號只有達到所設定的觸發(fā)電平才能被觸發(fā)。 觸發(fā)模式一般有自動（Auto）、正常（Normal）和單次（Single），有些人會把停止（Stop）作為第四種觸發(fā)模式。正常模式是指不論是否滿足觸發(fā)條件都有波形顯示，都實時刷新顯示波形；正常模式指僅在有效觸發(fā)事件時才觸發(fā)顯示，否則波形會靜止在上一次捕獲的波形圖上，對于麥科信手持式示波器MS500系列示波器屏幕右上角會顯示“等待觸發(fā)”提示。單次模式就是捕獲第一次滿足觸發(fā)條件的信號波形，捕獲后就顯示停止狀態(tài)，停止模式就是讓信號強制靜止狀態(tài)。 此外還有觸發(fā)耦合方式和觸發(fā)抑制時間，麥科信示波器的觸發(fā)耦合方式有直流、交流、高頻抑制、低頻抑制、噪聲抑制耦合方式。觸發(fā)抑制時間是指示波器重新觸發(fā)所等待的時間。在抑制結束之前，示波器不會再觸發(fā)。 波形刷新率 波形刷新率也就是波形捕獲率是指示波器每秒鐘可以顯示多少條波形，示波器的“死區(qū)”時間指示波器對已采集到的波形進行處理和顯示的時間，在此時間，示波器不采集信號。普通示波器的“死區(qū)”時間遠遠大于“顯示區(qū)”的時間，這就讓絕大部分時間的信號沒被顯示，導致無法觀察到異常信號。而MS500系列的手持式示波器的刷新率可以達到19萬次/秒，高刷新率示波器則大大減少了死區(qū)時間，從而能夠迅速準確的發(fā)現(xiàn)異常信號，真正實現(xiàn)“看見”一般示波器“看不見”的事件。 垂直分辨率 數(shù)字示波器的垂直分辨率指的是模數(shù)轉換器的垂直分辨率，用來衡量示波器將輸入電壓轉化為數(shù)字值的精確程度，通常用A/D的位數(shù)來表示，比起工程師談的更多的是示波器的帶寬和采樣率，一般很少談到分辨率。一般各個廠家生產(chǎn)的實時示波器ADC位數(shù)大都為8位，故而極少提及垂直分辨率，MS500系列是9位的垂直分辨率，一般實時示波器由于采樣率高，ADC位數(shù)很難提高，在需要高分辨率測量的場合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)。而Micsig示波器在具備1G/s的采樣率情況下，其ADC位數(shù)達到9位，使其在測量和分析微笑變化的信號也能盡可能減小量化誤差。而且整個機器尺寸才是254mm×160mm×60mm，重量包括電池也僅有1.66kg，在便攜式的前提下完全可以替代所有同帶寬臺式示波器并具有臺式示波器無法比擬的性能及優(yōu)點。 關于示波器還有其他一些性能指標，讀者可以參照其他相關資料，并且可以從各示波器生產(chǎn)廠商那里找到關于介紹示波器的文章，初學者若能把本文介紹這些概念能夠深刻理解并能加以消化吸收，對于理解示波器原理和更好的使用示波器，樹立正確的使用示波器的觀念和掌握選擇示波器的權衡方法都具有指導作用。也深知自己水平有限，難免有疏忽錯漏之處，寫下這篇文章，我也是誠惶誠恐，也借鑒了一些有關專家的觀點，只希望對初學者能夠準確快速地題解示波器起到拋磚引玉的效果，同時也希望我的拙文能夠成為初學者乃至工程師們茅塞頓開的啟蒙之作。