- 如何高保真的捕獲信號(hào)
- 示波器的操作步驟
- 選擇合適的測(cè)試靈敏度
- 測(cè)試前將示波器恢復(fù)出廠值、設(shè)置通道等等是進(jìn)行測(cè)試的良好習(xí)慣
高保真地捕獲信號(hào)是操作示波器的第一要著，否則再繼續(xù)一些測(cè)量和分析就沒(méi)有什么意義了。為實(shí)現(xiàn)高保真地捕獲信號(hào)，我們需要掌握設(shè)置示波器的一些基本原則。
捕獲信號(hào)的基本原則是：
第一，最小化量化誤差；
第二，時(shí)刻警惕采樣率；
第三，至少捕獲感興趣的一個(gè)周期的低頻成分；
第四，在有些時(shí)候使用一些特別的獲取模式或處理方法。
首先，我們要了解示波器的屏幕顯示。示波器是人機(jī)交互的工具，每一個(gè)操作會(huì)帶來(lái)屏幕上顯示的變化。如圖一所示，示波器的水平軸有十大格，捕獲時(shí)間=10 x [Time/Div]，調(diào)節(jié)面板上的水平時(shí)基旋鈕，就會(huì)相應(yīng)增加或減小捕獲的時(shí)間。展開(kāi)波形可以看到波形有一個(gè)個(gè)的點(diǎn)組成，這相鄰兩點(diǎn)之間的時(shí)間間隔就是采樣周期，是采樣率的倒數(shù)。屏幕上顯示的全部點(diǎn)的個(gè)數(shù)就表示為示波器的存儲(chǔ)深度。
采樣率x 采樣時(shí)間= 存儲(chǔ)深度
這是示波器的第一關(guān)系式，非常重要。如圖一右下邊顯示的是力科示波器的一次菜單Timebase，上面顯示的三個(gè)數(shù)值，右邊的兩個(gè)數(shù)相乘再乘以10就等于左邊的數(shù)。在調(diào)節(jié)時(shí)基的時(shí)候我們要“keep an eye on the sample rate”——時(shí)刻警惕采樣率。
示波器的垂直軸有8大格，垂直范圍=8 x [Volts/Div]?» 256二進(jìn)制碼，對(duì)應(yīng)8位的ADC。
示波器的ADC只有8位，這是數(shù)字示波器的第一局限性。 這也就是說(shuō)，如果我們需要測(cè)量5mV的電壓用256個(gè)0和1來(lái)表征，測(cè)量 1000V的電壓也只能用256個(gè)0和1來(lái)表征。 測(cè)5mV電壓時(shí)可以設(shè)置為2mV/div，那么最小步進(jìn)，即最后一位由0跳變到1代表的電壓大小是多少？(8 x 2mV)/256=62.5uV，62.5uV代表的是最小步進(jìn)（量化誤差）。但如果是測(cè)量1000V的電壓，垂直靈敏度設(shè)置為125V/div,那么最小步進(jìn)是(8 x 125V/div)/256=3.9V,量化誤差很大！ 如果用這個(gè)量程去測(cè)試1V的電壓帶來(lái)的誤差就如用一把米刻度去測(cè)量頭發(fā)絲的直徑！
圖一 示波器的屏幕顯示及Timebase菜單顯示
圖二 8位ADC的物理含義
[page]下面我們按示波器捕獲波形的操作步驟來(lái)強(qiáng)調(diào)上面的四個(gè)基本原則。 很多時(shí)候我們打開(kāi)示波器看到屏幕上顯示的波形和測(cè)量參數(shù)很多，如圖三所示。
圖三 多波形多參數(shù)的顯示屏幕
這時(shí)候建議第一個(gè)操作步驟是，恢復(fù)出廠設(shè)置，將之前的設(shè)置都清除掉。清除掉再開(kāi)始從頭設(shè)置反而效率更高?；謴?fù)出廠設(shè)置的菜單在File下的Recall Default按鈕，如圖四所示。
圖四 恢復(fù)出廠默認(rèn)設(shè)置
在進(jìn)行這一操作之后，如果示波器的第一和第二通道沒(méi)有接任何探頭，屏幕上看到的是兩條零電平的線，如圖四中的C2沒(méi)有接探頭，顯示的就是一條零線。 這個(gè)操作之后，如果沒(méi)有看到這兩條線，這說(shuō)明示波器的通道工作不正常了，這也是判斷示波器好壞的一個(gè)方法。
第二個(gè)操作步驟是接上探頭，選擇示波器的通道。 有時(shí)侯接上探頭之后應(yīng)做探頭的校準(zhǔn)和通道之間延時(shí)的校準(zhǔn)，但在非嚴(yán)格的測(cè)量中有時(shí)侯忽略了這個(gè)步驟。本文的圖例中，我的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)力科的DEMO板通過(guò)BNC線接到通道1，所以需要將通道2關(guān)掉。選擇通道通過(guò)按示波器面板上標(biāo)識(shí)為1,2,3,4的按鈕就可以了。
第三個(gè)步驟是設(shè)置示波器的垂直通道。垂直通道設(shè)置的第一步是選擇耦合方式。低帶寬的示波器通常有四種耦合方式，DC 50Ω，DC 1MΩ，AC 1MΩ,Ground。 本例中因?yàn)槭墙覤NC線，需要將耦合方式設(shè)置為DC 50Ω，如圖五所示。
第二個(gè)操作步驟是接上探頭，選擇示波器的通道。 有時(shí)侯接上探頭之后應(yīng)做探頭的校準(zhǔn)和通道之間延時(shí)的校準(zhǔn)，但在非嚴(yán)格的測(cè)量中有時(shí)侯忽略了這個(gè)步驟。本文的圖例中，我的實(shí)驗(yàn)環(huán)境是一個(gè)力科的DEMO板通過(guò)BNC線接到通道1，所以需要將通道2關(guān)掉。選擇通道通過(guò)按示波器面板上標(biāo)識(shí)為1,2,3,4的按鈕就可以了。
第三個(gè)步驟是設(shè)置示波器的垂直通道。垂直通道設(shè)置的第一步是選擇耦合方式。低帶寬的示波器通常有四種耦合方式，DC 50Ω，DC 1MΩ，AC 1MΩ,Ground。 本例中因?yàn)槭墙覤NC線，需要將耦合方式設(shè)置為DC 50Ω，如圖五所示。
圖五 垂直通道設(shè)置菜單
垂直通道設(shè)置的第二步是調(diào)節(jié)垂直偏置和垂直靈敏度，盡量使波形占滿屏幕，使得量化誤差最小。這是捕獲信號(hào)的第一個(gè)基本原則。
調(diào)節(jié)垂直偏置和垂直靈敏度雖然可以通過(guò)一次菜單來(lái)設(shè)置，但也可以通過(guò)面板來(lái)快捷操作。如圖六所示，上面的四個(gè)旋鈕為調(diào)節(jié)垂直偏置，改變波形在屏幕中的位置,垂直按該旋鈕可以使offset自動(dòng)歸零，下面的四個(gè)旋鈕來(lái)改變量程。為使波形占滿屏幕7.5柵格以上，有時(shí)需要微調(diào)旋鈕，選中垂直通道設(shè)置菜單中的Variable Gain就可以微調(diào)。力科的第四代示波器按這個(gè)旋鈕就可以直接微調(diào)了。
圖六 垂直通道設(shè)置面板
圖七顯示了在不同量程下，測(cè)試同樣信號(hào)的峰-峰值的結(jié)果對(duì)比。
圖七 不同的量程下的測(cè)試結(jié)果，608.81mV / 569.67mV
在200mV/div量程下的結(jié)果為608.81mV（平均值），在80mV/div量程下為569.67mV。在關(guān)于幅值相關(guān)的測(cè)試規(guī)范中應(yīng)定義好在多大的量程下進(jìn)行測(cè)試。否則，測(cè)試結(jié)果沒(méi)有可比性。垂直通道設(shè)置菜單中的其它各項(xiàng)的含義也都一目了然，不再一一介紹了。
[page]在完成垂直設(shè)置之后，進(jìn)行第四個(gè)操作步驟，調(diào)節(jié)時(shí)基。調(diào)節(jié)時(shí)基時(shí)要注意兩點(diǎn)，第一是時(shí)刻警惕采樣率。第二是至少捕獲感興趣的一個(gè)周期的低頻成份，使能看到信號(hào)的全貌。時(shí)基可以通過(guò)圖八所示的面板調(diào)節(jié)。
圖八 時(shí)基設(shè)置面板
在示波器的出廠默認(rèn)設(shè)置下，存儲(chǔ)深度是固定在100KS的，向左調(diào)節(jié)旋鈕捕獲時(shí)間越長(zhǎng)時(shí)，采樣率越低，這時(shí)候按面板上的局部放大鍵并使放大后的波形展開(kāi)能看清楚上升沿的細(xì)節(jié)，通過(guò)觀察上升沿上有沒(méi)有五個(gè)以上的采樣點(diǎn)來(lái)判斷信號(hào)有沒(méi)有失真。
圖九所示的信號(hào)捕獲時(shí)間為500us，當(dāng)前實(shí)時(shí)采樣率為200MS/s，這兩個(gè)數(shù)字相乘的結(jié)果是100KS，這時(shí)候上升沿才兩個(gè)點(diǎn)，信號(hào)已嚴(yán)重欠采樣，波形嚴(yán)重失真。
圖九 時(shí)基設(shè)置菜單
圖十 捕獲足夠長(zhǎng)的時(shí)間才能觀察清楚信號(hào)全貌
對(duì)于力科WaveRunner系列以上的示波器，可以設(shè)置固定采樣率,這樣在知道被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)之后先固定在一個(gè)過(guò)采樣的采樣率，再調(diào)節(jié)采樣時(shí)基，只會(huì)改變捕獲的時(shí)間，信號(hào)不會(huì)失真。對(duì)于圖九所示的信號(hào)，如果捕獲的時(shí)間太短甚至觀察不到有欠幅，所以要捕獲較長(zhǎng)的時(shí)間才發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。
而對(duì)于圖十的上面的圖示信號(hào)，雖然捕獲的時(shí)間已達(dá)到5ms，看到的波形讓我們以為是隔1.5ms有一段脈沖信號(hào)，但其實(shí)在捕獲20ms之后，我們才看清楚了這信號(hào)的真正特點(diǎn)。 這時(shí)候采樣率被降到1GS/s，其實(shí)波形已經(jīng)有點(diǎn)失真。這說(shuō)明需要更長(zhǎng)的存儲(chǔ)深度的好處。
而對(duì)于圖十的上面的圖示信號(hào)，雖然捕獲的時(shí)間已達(dá)到5ms，看到的波形讓我們以為是隔1.5ms有一段脈沖信號(hào)，但其實(shí)在捕獲20ms之后，我們才看清楚了這信號(hào)的真正特點(diǎn)。 這時(shí)候采樣率被降到1GS/s，其實(shí)波形已經(jīng)有點(diǎn)失真。這說(shuō)明需要更長(zhǎng)的存儲(chǔ)深度的好處。
對(duì)于圖九的信號(hào)，其中的欠幅出現(xiàn)得很有規(guī)律，中間間隔的時(shí)間并不長(zhǎng)，但假如該欠幅很長(zhǎng)時(shí)間才出現(xiàn)一次，我們就要使用一些特別的獲取模式了。如圖十一中利用WaveStream模式來(lái)快速查看有沒(méi)有欠幅，圖十二利用順序模式（參見(jiàn)第十講 示波器基礎(chǔ)之順序模式）來(lái)定位欠幅的出現(xiàn)規(guī)律。
圖十一 WaveStream模式
圖十二 順序模式
[page]完成了前面的這些步驟之后，進(jìn)入信號(hào)捕獲操作的第五步，設(shè)置合適的觸發(fā)方式（請(qǐng)參見(jiàn)第三講 示波器基礎(chǔ)之觸發(fā)功能（上）和第四講 示波器基礎(chǔ)之觸發(fā)功能（下））。我們要選擇好觸發(fā)源，觸發(fā)點(diǎn)，觸發(fā)電平，觸發(fā)方式，觸發(fā)模式等。對(duì)于圖七所示的有欠幅的信號(hào)，我們通過(guò)欠幅觸發(fā)，寬度觸發(fā)，時(shí)間間隔觸發(fā)等觸發(fā)方式都可以隔離出來(lái)。圖十三是用欠幅觸發(fā)的方式隔離出該欠幅的。
圖十三 設(shè)置合適的觸發(fā)方式隔離感興趣的事件
通過(guò)上面的五大步驟就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高保真捕獲，接下來(lái)的測(cè)量和分析的操作步驟比較簡(jiǎn)單。
現(xiàn)代的示波器都是基于PC平臺(tái)，操作示波器就如操作Office軟件一樣，鼠標(biāo)點(diǎn)擊幾下就熟悉了操作，但要理解很多操作的物理意義是有很長(zhǎng)的路要走的，特別是示波器的分析軟件包越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，涉及到的知識(shí)背景很多，需要勤奮學(xué)習(xí)。
示波器是工程師的眼睛，熟悉捕獲信號(hào)這一基本操作是新手起步之第一步。希望此文能起到拋磚引玉之作用，冀于大家多多交流。
