- 如何高保真的捕獲信號
- 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出廠值、設置通道等等是進行測試的良好習慣
高保真地捕獲信號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。為實現高保真地捕獲信號，我們需要掌握設置示波器的一些基本原則。
捕獲信號的基本原則是：
第一，最小化量化誤差；
第二，時刻警惕采樣率；
第三，至少捕獲感興趣的一個周期的低頻成分；
第四，在有些時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。示波器是人機交互的工具，每一個操作會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，捕獲時間=10 x [Time/Div]，調節(jié)面板上的水平時基旋鈕，就會相應增加或減小捕獲的時間。展開波形可以看到波形有一個個的點組成，這相鄰兩點之間的時間間隔就是采樣周期，是采樣率的倒數。屏幕上顯示的全部點的個數就表示為示波器的存儲深度。
采樣率x 采樣時間= 存儲深度
這是示波器的第一關系式，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，上面顯示的三個數值，右邊的兩個數相乘再乘以10就等于左邊的數。在調節(jié)時基的時候我們要“keep an eye on the sample rate”——時刻警惕采樣率。
示波器的垂直軸有8大格，垂直范圍=8 x [Volts/Div]?» 256二進制碼，對應8位的ADC。
示波器的ADC只有8位，這是數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0和1來表征，測量 1000V的電壓也只能用256個0和1來表征。 測5mV電壓時可以設置為2mV/div，那么最小步進，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（量化誤差）。但如果是測量1000V的電壓，垂直靈敏度設置為125V/div,那么最小步進是(8 x 125V/div)/256=3.9V,量化誤差很大！ 如果用這個量程去測試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調上面的四個基本原則。 很多時候我們打開示波器看到屏幕上顯示的波形和測量參數很多，如圖三所示。
圖三 多波形多參數的顯示屏幕
這時候建議第一個操作步驟是，恢復出廠設置，將之前的設置都清除掉。清除掉再開始從頭設置反而效率更高?；謴统鰪S設置的菜單在File下的Recall Default按鈕，如圖四所示。
圖四 恢復出廠默認設置
在進行這一操作之后，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方法。
第二個操作步驟是接上探頭，選擇示波器的通道。 有時侯接上探頭之后應做探頭的校準和通道之間延時的校準，但在非嚴格的測量中有時侯忽略了這個步驟。本文的圖例中，我的實驗環(huán)境是一個力科的DEMO板通過BNC線接到通道1，所以需要將通道2關掉。選擇通道通過按示波器面板上標識為1,2,3,4的按鈕就可以了。
第三個步驟是設置示波器的垂直通道。垂直通道設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。 本例中因為是接BNC線，需要將耦合方式設置為DC 50Ω，如圖五所示。
第二個操作步驟是接上探頭，選擇示波器的通道。 有時侯接上探頭之后應做探頭的校準和通道之間延時的校準，但在非嚴格的測量中有時侯忽略了這個步驟。本文的圖例中，我的實驗環(huán)境是一個力科的DEMO板通過BNC線接到通道1，所以需要將通道2關掉。選擇通道通過按示波器面板上標識為1,2,3,4的按鈕就可以了。
第三個步驟是設置示波器的垂直通道。垂直通道設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。 本例中因為是接BNC線，需要將耦合方式設置為DC 50Ω，如圖五所示。
圖五 垂直通道設置菜單
垂直通道設置的第二步是調節(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。這是捕獲信號的第一個基本原則。
調節(jié)垂直偏置和垂直靈敏度雖然可以通過一次菜單來設置，但也可以通過面板來快捷操作。如圖六所示，上面的四個旋鈕為調節(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自動歸零，下面的四個旋鈕來改變量程。為使波形占滿屏幕7.5柵格以上，有時需要微調旋鈕，選中垂直通道設置菜單中的Variable Gain就可以微調。力科的第四代示波器按這個旋鈕就可以直接微調了。
圖六 垂直通道設置面板
圖七顯示了在不同量程下，測試同樣信號的峰-峰值的結果對比。
圖七 不同的量程下的測試結果，608.81mV / 569.67mV
在200mV/div量程下的結果為608.81mV（平均值），在80mV/div量程下為569.67mV。在關于幅值相關的測試規(guī)范中應定義好在多大的量程下進行測試。否則，測試結果沒有可比性。垂直通道設置菜單中的其它各項的含義也都一目了然，不再一一介紹了。
[page]在完成垂直設置之后，進行第四個操作步驟，調節(jié)時基。調節(jié)時基時要注意兩點，第一是時刻警惕采樣率。第二是至少捕獲感興趣的一個周期的低頻成份，使能看到信號的全貌。時基可以通過圖八所示的面板調節(jié)。
圖八 時基設置面板
在示波器的出廠默認設置下，存儲深度是固定在100KS的，向左調節(jié)旋鈕捕獲時間越長時，采樣率越低，這時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節(jié)，通過觀察上升沿上有沒有五個以上的采樣點來判斷信號有沒有失真。
圖九所示的信號捕獲時間為500us，當前實時采樣率為200MS/s，這兩個數字相乘的結果是100KS，這時候上升沿才兩個點，信號已嚴重欠采樣，波形嚴重失真。
圖九 時基設置菜單
圖十 捕獲足夠長的時間才能觀察清楚信號全貌
對于力科WaveRunner系列以上的示波器，可以設置固定采樣率,這樣在知道被測信號的特點之后先固定在一個過采樣的采樣率，再調節(jié)采樣時基，只會改變捕獲的時間，信號不會失真。對于圖九所示的信號，如果捕獲的時間太短甚至觀察不到有欠幅，所以要捕獲較長的時間才發(fā)現問題所在。
而對于圖十的上面的圖示信號，雖然捕獲的時間已達到5ms，看到的波形讓我們以為是隔1.5ms有一段脈沖信號，但其實在捕獲20ms之后，我們才看清楚了這信號的真正特點。 這時候采樣率被降到1GS/s，其實波形已經有點失真。這說明需要更長的存儲深度的好處。
而對于圖十的上面的圖示信號，雖然捕獲的時間已達到5ms，看到的波形讓我們以為是隔1.5ms有一段脈沖信號，但其實在捕獲20ms之后，我們才看清楚了這信號的真正特點。 這時候采樣率被降到1GS/s，其實波形已經有點失真。這說明需要更長的存儲深度的好處。
對于圖九的信號，其中的欠幅出現得很有規(guī)律，中間間隔的時間并不長，但假如該欠幅很長時間才出現一次，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 示波器基礎之順序模式）來定位欠幅的出現規(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，進入信號捕獲操作的第五步，設置合適的觸發(fā)方式（請參見第三講 示波器基礎之觸發(fā)功能（上）和第四講 示波器基礎之觸發(fā)功能（下））。我們要選擇好觸發(fā)源，觸發(fā)點，觸發(fā)電平，觸發(fā)方式，觸發(fā)模式等。對于圖七所示的有欠幅的信號，我們通過欠幅觸發(fā)，寬度觸發(fā)，時間間隔觸發(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現信號的高保真捕獲，接下來的測量和分析的操作步驟比較簡單。
現代的示波器都是基于PC平臺，操作示波器就如操作Office軟件一樣，鼠標點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，越來越復雜，涉及到的知識背景很多，需要勤奮學習。
示波器是工程師的眼睛，熟悉捕獲信號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。
