示波器那些事兒--之測(cè)量參數(shù)

數(shù)字示波器具有很多測(cè)量參數(shù)，如上升時(shí)間、下降時(shí)間、峰峰值、幅值等。每種參數(shù)的含義在示波器的操作手冊(cè)上一般都有說(shuō)明。但是，如果深究每個(gè)參數(shù)底層算法的源頭是什么，答案其實(shí)并不簡(jiǎn)單。如果能深刻理解示波器的基本算法，這會(huì)有助于我們理解使用示波器過(guò)程中遇到的諸如示波器測(cè)量頻率為什么測(cè)不準(zhǔn)？示波器測(cè)量不規(guī)則的信號(hào)測(cè)量上升時(shí)間為什么跳變范圍很大？為什么光標(biāo)測(cè)量結(jié)果和參數(shù)測(cè)量結(jié)果差別很大？等等一些問(wèn)題。

●確定高電平和低電平是示波器垂直量測(cè)量的第一算法

峰-峰值表示所有采樣樣本中的最大樣本值減去最小樣本值，這好理解，在示波器算法中也好實(shí)現(xiàn)；而幅值表示被測(cè)信號(hào)“高電平”減去“低電平”。高電平和低電平分別在哪里？這就需要定義算法。這個(gè)算法的確定將不只是直接影響到“幅值”這個(gè)參數(shù)值，還將影響到絕大多數(shù)水平軸的參數(shù)值，如上升時(shí)間、下降時(shí)間、寬度、周期等，因?yàn)樗捷S的參數(shù)要依賴于垂直軸的參數(shù)。

不同示波器廠商給出的“高電平”和“低電平”算法可能不盡相同，但一般會(huì)采用公認(rèn)的IEEE定義的算法，如下圖所示。

首先對(duì)圖示中“LEFT CURSOR”(左光標(biāo))和“RIGHT CURSOR”(右光標(biāo))時(shí)間范圍內(nèi)的波形數(shù)據(jù)樣本向垂直方向做“軌跡直方圖”，從圖中看上去，軌跡直方圖的垂直方向和原始波形的各采樣點(diǎn)在垂直方向的位置一一對(duì)應(yīng)，水平方向則表示在各位置上采集到的數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)的個(gè)數(shù)。圖例中有兩個(gè)位置的數(shù)據(jù)樣本出現(xiàn)的概率最高，這兩個(gè)位置就分別被確定為“高電平（圖示中表示top的位置)”和“低電平(圖示中表示base的位置)”。

在示波器算法中，一般默認(rèn)是根據(jù)屏幕最左邊到最右邊的全部波形數(shù)據(jù)來(lái)確定“高電平”和“低電平”，因此，示波器每捕獲一次，僅能得到一個(gè)“高電平”和一個(gè)“低電平”的參數(shù)值。

在測(cè)量正弦波時(shí)，在采樣率足夠的情況下，示波器上捕獲盡可能多的波形，測(cè)量得到的高電平和低電平更穩(wěn)定、更準(zhǔn)確，相應(yīng)由之影響的水平軸參數(shù)上升時(shí)間、下降時(shí)間、周期、頻率等也就更準(zhǔn)確。對(duì)于正弦波測(cè)量，還可利用正弦插值或等效采樣模式來(lái)提高待分析的樣本數(shù)，測(cè)量得到的結(jié)果可能也會(huì)更準(zhǔn)確。

在測(cè)量一個(gè)脈沖方波和測(cè)量多個(gè)脈沖方波得到的“高電平”和“低電平”的結(jié)果可能是不一樣的，因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)的樣本數(shù)不一樣，獲得的“軌跡直方圖”就會(huì)有些差異。如果信號(hào)上有一點(diǎn)點(diǎn)的過(guò)沖或下沖就可能影響到直方圖分布的最大概率狀態(tài)的確定，那么很多參數(shù)測(cè)量的結(jié)果都會(huì)受到影響。

●確定波形中任意一電壓閾值和波形交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸的位置是示波器水平量測(cè)量的第一算法

水平方向上常見(jiàn)的測(cè)量參數(shù)如上升時(shí)間定義為幅值的10%-90%。在具體算法上，就是先根據(jù)上述的垂直量第一算法，先確定高電平和低電平從而得到幅值，再由幅值的10%得到對(duì)應(yīng)的電壓閾值和幅值的90%得到另外一個(gè)電壓閾值，計(jì)算兩個(gè)電壓閾值和波形交叉點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平位置之間的時(shí)間差就是上升時(shí)間。

怎么確定某個(gè)電壓閾值和波形交叉位置處對(duì)應(yīng)的時(shí)間軸的位置？一種比較簡(jiǎn)單的算法是，在電壓閾值處劃一條線，以這條線和波形相交處最接近的那個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為時(shí)間軸的位置。但是，這種算法帶來(lái)的誤差可能會(huì)很大，特別是在上升沿一般只包括了幾個(gè)數(shù)據(jù)樣本點(diǎn)，采樣率不是特別高的情況下。

另外一種算法如下圖所示，在電壓閾值和波形交叉處相鄰的兩個(gè)采樣點(diǎn)之間進(jìn)行立方插值，然后連接最接近交叉點(diǎn)的上、下兩個(gè)插值點(diǎn)或采樣點(diǎn)，根據(jù)這兩個(gè)確定的點(diǎn)可以獲得y=ax+b這個(gè)二元一次方程的a和b，然后再根據(jù)交叉點(diǎn)已知的電壓閾值獲得x，即獲得了水平軸對(duì)應(yīng)的位置。這種看起來(lái)比較復(fù)雜的算法誤差顯然會(huì)小于前一種，但仍然會(huì)存在誤差，誤差的大小和采樣率大小及示波器本身的時(shí)基穩(wěn)定性有關(guān)。

電壓閾值是由幅值決定的，譬如周期表示上升沿50%到相鄰上升沿50%之間的時(shí)間間隔，上升沿的50%這個(gè)電壓閾值就是由幅值得來(lái)的。因此，垂直量的算法會(huì)對(duì)水平量的參數(shù)結(jié)果產(chǎn)生影響。