示波器的使用以及基本原理
示波器是我们的眼睛 —电子工程师
本文以泰克TDS2000系列示波器为例
1 数字存储示波器(digital storage oscilloscope)
名词解释
- 数字是相对于模拟而言,将连续的模拟信号转换为离散的数字信号
- 存储是表征AD采集后的数据可以进行存储(有存储深度一说)
- 示波器的根本目的是展示(显示)波形
2 基本原理
波形首先要通过探头,经由前端的放大器进行放大,之后由模数转换单元进行转换,进而存储到采集内存中,然后显示到显示器上。
下文中的参数设置 也就是在设置各个环节中需要调整的参数,以达到正确匹配所测波形的目的。
其中采样转化的速度,采集数据的高速存储处理是示波器的核心技术。
3 基本使用
使用示波器的目的是为了观测波形,在使用之前需要了解示波器的性能参数,以及在观测波形的过程中需要设置示波器的参数。那么如何设置参数呢?示波器有哪些性能参数?
示波器的性能参数
以下参数关乎示波器的性能,参数越高,性能越好,当然价格也就越贵。
1. 带宽
带宽是指信号幅值降低为原来的0.707倍(功率跌落一半)时的截止频率。也就是增益降低-3dB。
计算:-3dB = 10 * log(1/2)。
带宽越大,能够测量的信号的频率就越高,否则高频信号就被滤掉了。
2. 采样率
采样率是指AD在1秒钟的时间内采样的次数。根据采样定理,只要采样率高于信号频率的2倍,即可还原被采样信号。当然,为了更加准确,一般采样率 = (5~10)* 信号频率。
3. 存储深度
记录长度也叫存储深度,所有的数字示波器在经过AD采集后,被触发的信号都会存在一个存储空间里,这个存储空间的大小就是存储深度,并且,存储深度 = 当前时基 * 10格 * 采样率。
4. 通道数
也就是同时可测量的信号路数,不同通道之间可以对比分析。
TDS2000的参数:
带宽 200MHz
采样率 2Gs/s
存储深度 2.4K
通道数 2
抓取串口波形
以抓取串口波形为例,简述需要设置的参数
- 串口参数
波特率115200,8位数据位,1位停止位 - 通道1
使用示波器的通道1探头+ 连接串口的TX,探头- 连接GND - 时基选择
时基选择约10倍波形的周期,便于观察波形。115200的波特率,周期约为17.36us。这里选择250us的时基档位。 - 通道参数
通道参数中的输入耦合方式需要注意,分为AC/DC/GND耦合
直流模式标注是DC,信号直流部分会经过处理并显示,对应的显示波形是信号全状态;
交流模式标注是AC,信号直流部分不会显示,对应的显示波形是交流部分;
接地标注是GND,实际是断开输入并把输入接地,目的是消除干扰,方便找零点。 - 触发参数
触发参数的选取比较关键:
触发源:选择通道1 ,CH1
触发方式:有上升沿/下降沿,这里选择空闲状态下输出高电平,所以选择下降沿触发
触发模式:有AUTO/NORMAL/SINGLE,也即是自动,正常,单序列
由于我们需要抓取单次的波形,进行分析,所以模式可以选择SINGLE,也可以选择NORMAL,区别在于SINGLE一次触发后,需要手动再设置下,才能进入下一次触发。这里选择SINGLE模式。 - 串口发送数据
串口发出数据,可以看到示波器上完美抓取到TX波形:
将时基调整为10us,同时调整Position水平旋钮。
可以测量波形的周期为17.39us,与理论值17.36us几乎一致。
4 问题与展望
为什么时基较大时,采样的波形要失真?
根据 存储深度 = 当前时基 * 10格 * 采样率,带入参数计算:
时基选择100ms:
2.4K = 10 * 100ms * 采样率。可得采样率为:2.4Ks/s
时基选择100us:
2.4K = 10 * 100us * 采样率。可得采样率为:2.4Ms/s
显然,根据采样定理,对于串口115200bps的67.5K频率的信号,2.4Ks/s的采样率是无法还原波形的,进而出现波形失真。ADC的采样速度高达2Gs/s(高端示波器可达100Gs/s),数据如何高速采样,存储和处理?
这算是高端示波器的核心技术了,首先是高速ADC芯片的制作,再是高速数据的存储处理(串行还是并行?串行如何提高速度?并行如何校准/对齐数据?),这部分国内还是没法突破的地方,高端ADC芯片禁运,高精尖仪器的生产受阻,自主研发之路任重而道远!
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