- 如何高保真的捕獲信號(hào)
- 示波器的操作步驟
- 選擇合適的測試靈敏度
- 測試前將示波器恢復(fù)出廠值、設(shè)置通道等等是進(jìn)行測試的良好習(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)一些測量和分析就沒有什么意義了。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，如果我們需要測量5mV的電壓用256個(gè)0和1來表征，測量 1000V的電壓也只能用256個(gè)0和1來表征。 測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)量程去測試1V的電壓帶來的誤差就如用一把米刻度去測量頭發(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強(qiáng)調(diào)上面的四個(gè)基本原則。 很多時(shí)候我們打開示波器看到屏幕上顯示的波形和測量參數(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沒有接探頭，顯示的就是一條零線。 這個(gè)操作之后，如果沒有看到這兩條線，這說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BNC線接到通道1，所以需要將通道2關(guān)掉。選擇通道通過按示波器面板上標(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BNC線接到通道1，所以需要將通道2關(guān)掉。選擇通道通過按示波器面板上標(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一次菜單來設(shè)置，但也可以通過面板來快捷操作。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)的測試規(guī)范中應(yīng)定義好在多大的量程下進(jìn)行測試。否則，測試結(jié)果沒有可比性。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能看清楚上升沿的細(xì)節(jié)，通過觀察上升沿上有沒有五個(gè)以上的采樣點(diǎn)來判斷信號(hào)有沒有失真。
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,這樣在知道被測信號(hào)的特點(diǎn)之后先固定在一個(gè)過采樣的采樣率，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，所以要捕獲較長的時(shí)間才發(fā)現(xiàn)問題所在。
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。這說明需要更長的存儲(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。這說明需要更長的存儲(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，但假如該欠幅很長時(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模式來快速查看有沒有欠幅，圖十二利用順序模式（參見第十講 示波器基礎(chǔ)之順序模式）來定位欠幅的出現(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。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，接下來的測量和分析的操作步驟比較簡單。
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的路要走的，特別是示波器的分析軟件包越來越多，越來越復(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。
