玩轉(zhuǎn)示波器從這里開始

在科技發(fā)達(dá)信息化社會(huì)示波器可以說是任何設(shè)計(jì)、制造或是維修電子設(shè)備的必備之物。從設(shè)計(jì)研發(fā)到檢測(cè)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(cè)量疑難。面對(duì)當(dāng)今各種測(cè)量挑戰(zhàn)，示波器當(dāng)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(guān)鍵工具。

示波器的用途不僅僅局限于電子領(lǐng)域。示波器利用信號(hào)變換器，適用于各種各樣的物理現(xiàn)象。信號(hào)變換器能夠響應(yīng)各種物理激勵(lì)源，使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，包括聲音、機(jī)械應(yīng)力、壓力、光、熱。麥克風(fēng)屬于信號(hào)變換器，它實(shí)現(xiàn)把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。從物理學(xué)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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。醫(yī)師使用示波器測(cè)量腦電波。描述示波器的用途是沒有止境的。如何選擇和評(píng)判一個(gè)示波器的優(yōu)劣也成了工程師們一個(gè)不可不知的常識(shí)，玩轉(zhuǎn)好示波器不可不知一些很基本但很重要的知識(shí)。接下來先對(duì)示波器的三大關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹說明。

帶寬

帶寬、采樣率和存儲(chǔ)深度是數(shù)字示波器的三大關(guān)鍵指標(biāo)。帶寬一直被稱作示波器的第一性能指標(biāo)，也成了決定示波器價(jià)格很重要的因素，市場(chǎng)上也把帶寬作為一個(gè)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(diǎn)。示波器面板上標(biāo)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(hào)時(shí)，幅度衰減至原信號(hào)幅度的0.707倍的那個(gè)頻率點(diǎn)，稱之為示波器帶寬。也就是說，假如一個(gè)示波器的帶寬為100MHz的話，用它測(cè)試一個(gè)頻率為100MHz，振幅為1Vpp的信號(hào)時(shí)，最后所測(cè)的信號(hào)幅度只有100MHz，0.707Vpp了。

帶寬限制對(duì)信號(hào)的捕獲、重構(gòu)信號(hào)和信號(hào)的完整性會(huì)產(chǎn)生很大影響，具體體現(xiàn)在：被測(cè)信號(hào)的上升沿變緩;信號(hào)的頻率分量會(huì)減少;信號(hào)的相位會(huì)失真。示波器帶寬通常是被測(cè)信號(hào)頻率的3-5倍，這樣才能保證被測(cè)信號(hào)不失真，具體用多大帶寬的示波器取決于被測(cè)信號(hào)的類型和您做希望的準(zhǔn)確度。

采樣率

計(jì)算機(jī)處理的是離散的數(shù)字信號(hào)，同樣模擬電壓信號(hào)進(jìn)入示波器后也要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，我們把從連續(xù)信號(hào)到離散信號(hào)的轉(zhuǎn)化過程叫作采樣。模擬信號(hào)只有經(jīng)過采樣、量化、編碼才能被計(jì)算機(jī)識(shí)別和處理。采樣是數(shù)字示波器分析處理信號(hào)的基礎(chǔ)。通過測(cè)量等時(shí)間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉(zhuǎn)化為用八位二進(jìn)制代碼表示的數(shù)字信息，這就是數(shù)字存儲(chǔ)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(hào)，重要信息和事件丟失的概率就越小。采樣率(sampling rate)就是采樣時(shí)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(jìn)行一次采樣。根據(jù)Nyquist采樣定理，當(dāng)對(duì)一個(gè)最高頻率為f 的帶限信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，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(gòu)原來的信號(hào)。而這個(gè)定理是機(jī)遇無限長(zhǎng)時(shí)間和連續(xù)的信號(hào)，通常采用兩倍于最高頻率成分的采樣速率是不夠的。

當(dāng)我們選擇使用示波器時(shí)，對(duì)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(shí)時(shí)采樣和等效采樣。等效采樣進(jìn)一步又可分為隨即和重復(fù)兩類，等效采樣這兩類采樣都要求信號(hào)時(shí)重復(fù)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(luò)。正常采樣模式是指示波器按照相等的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣建立波形;平均采樣是指示波器對(duì)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(hào)中隨機(jī)或不相關(guān)的噪音;峰值采樣模式是指示波器使用兩個(gè)連續(xù)捕獲間隔中包含的所有取樣的最高點(diǎn)和最低點(diǎn)，并把這些值當(dāng)做相關(guān)的波形點(diǎn)，這種模式可以有效的獲取可能丟失的窄脈沖和毛刺探測(cè)，但顯示的噪聲比較大;包絡(luò)模式是指示波器對(duì)多次采樣的波形重新組合進(jìn)行疊加，在指定的N此采集中，對(duì)每個(gè)相同位置捕獲其最大值和最小值并加以顯示。

存儲(chǔ)深度

作為數(shù)字示波器的第三大關(guān)鍵指標(biāo)，存儲(chǔ)深度是不可不提到的，存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)多少的量度。對(duì)于數(shù)字存儲(chǔ)示波器最大存儲(chǔ)深度是一定的，但是在實(shí)際測(cè)試中所使用的存儲(chǔ)深度是可調(diào)的。

存儲(chǔ)深度等于存儲(chǔ)速率和存儲(chǔ)時(shí)間的乘積，提高示波器的存儲(chǔ)深度可以間接提高示波器的采樣率，如果在存儲(chǔ)深度固定的情況下，如果要采集長(zhǎng)時(shí)間段的波形，只能以降低采樣率作為代價(jià)，可這又會(huì)導(dǎo)致波形質(zhì)量的下降，如果提高存儲(chǔ)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(chǔ)深度，對(duì)高速和長(zhǎng)時(shí)間信號(hào)依然能夠可以保持1G/s的采樣率，保證信號(hào)的準(zhǔn)確度，具備同時(shí)分析高頻和低頻現(xiàn)象的能力，高存儲(chǔ)深度使得該款示波器在FFT和高速串行信號(hào)能夠應(yīng)付自如。

為了更好的理解示波器，一些性能術(shù)語的理解也是相當(dāng)重要的，下面對(duì)于示波器的性能術(shù)語加以簡(jiǎn)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(duì)于更好更正確的使用示波器至關(guān)重要，數(shù)字示波器與很多豐富的觸發(fā)功能，國(guó)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(duì)觸發(fā)條件的設(shè)置觀察到觸發(fā)前或者觸發(fā)后的波形，測(cè)量低速信號(hào)中的干擾和奇怪信號(hào)就要通過觸發(fā)來隔離。觸發(fā)的功能簡(jiǎn)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(dòng)，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(duì)觸發(fā)有關(guān)的觸發(fā)源、觸發(fā)點(diǎn)、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(duì)象，觸發(fā)源可以選擇示波器的任一通道也可以設(shè)置外部信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)源;觸發(fā)點(diǎn)也就是所說的觸發(fā)位置，調(diào)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(diào)節(jié)到水平中央位置;觸發(fā)電平是設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的信號(hào)電壓，信號(hào)只有達(dá)到所設(shè)定的觸發(fā)電平才能被觸發(fā)。

觸發(fā)模式一般有自動(dòng)(Auto)、正常(Normal)和單次(Single)，有些人會(huì)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(shí)時(shí)刷新顯示波形;正常模式指僅在有效觸發(fā)事件時(shí)才觸發(fā)顯示，否則波形會(huì)靜止在上一次捕獲的波形圖上，對(duì)于麥科信手持式示波器MS500系列示波器屏幕右上角會(huì)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(hào)波形，捕獲后就顯示停止?fàn)顟B(tài)，停止模式就是讓信號(hào)強(qiáng)制靜止?fàn)顟B(tài)。

此外還有觸發(fā)耦合方式和觸發(fā)抑制時(shí)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(shí)間是指示波器重新觸發(fā)所等待的時(shí)間。在抑制結(jié)束之前，示波器不會(huì)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(shí)間指示波器對(duì)已采集到的波形進(jìn)行處理和顯示的時(shí)間，在此時(shí)間，示波器不采集信號(hào)。普通示波器的“死區(qū)”時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于“顯示區(qū)”的時(shí)間，這就讓絕大部分時(shí)間的信號(hào)沒被顯示，導(dǎo)致無法觀察到異常信號(hào)。而MS500系列的手持式示波器的刷新率可以達(dá)到19萬次/秒，高刷新率示波器則大大減少了死區(qū)時(shí)間，從而能夠迅速準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)異常信號(hào)，真正實(shí)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(zhuǎn)換器的垂直分辨率，用來衡量示波器將輸入電壓轉(zhuǎn)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(gè)廠家生產(chǎn)的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(cè)量的場(chǎng)合經(jīng)常由低采樣率的數(shù)據(jù)采集卡實(shí)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(dá)到9位，使其在測(cè)量和分析微笑變化的信號(hào)也能盡可能減小量化誤差。而且整個(gè)機(jī)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(tái)式示波器并具有臺(tái)式示波器無法比擬的性能及優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)于示波器還有其他一些性能指標(biāo)，讀者可以參照其他相關(guān)資料，并且可以從各示波器生產(chǎn)廠商那里找到關(guān)于介紹示波器的文章，初學(xué)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(duì)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(quán)衡方法都具有指導(dǎo)作用。也深知自己水平有限，難免有疏忽錯(cuò)漏之處，寫下這篇文章，我也是誠(chéng)惶誠(chéng)恐，也借鑒了一些有關(guān)專家的觀點(diǎn)，只希望對(duì)初學(xué)者能夠準(zhǔn)確快速地題解示波器起到拋磚引玉的效果，同時(shí)也希望我的拙文能夠成為初學(xué)者乃至工程師們茅塞頓開的啟蒙之作。也誠(chéng)心希望大家多提寶貴意見。