示波器是我們的眼睛 ---電子工程師

本文以泰克TDS2000系列示波器為例

# 1 數(shù)字存儲示波器(digital storage oscilloscope)

## 名詞解釋

1. 數(shù)字是相對于模擬而言，將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號

2. 存儲是表征AD采集后的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行存儲(有存儲深度一說)

3. 示波器的根本目的是展示(顯示)波形

# 2 基本原理

波形首先要通過探頭，經(jīng)由前端的放大器進(jìn)行放大，之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而存儲到采集內(nèi)存中，然后顯示到顯示器上。

下文中的參數(shù)設(shè)置 也就是在設(shè)置各個環(huán)節(jié)中需要調(diào)整的參數(shù)，以達(dá)到正確匹配所測波形的目的。

**其中采樣轉(zhuǎn)化的速度，采集數(shù)據(jù)的高速存儲處理是示波器的核心技術(shù)。**

# 3 基本使用

使用示波器的目的是為了觀測波形，在使用之前需要了解示波器的性能參數(shù)，以及在觀測波形的過程中需要設(shè)置示波器的參數(shù)。那么如何設(shè)置參數(shù)呢？示波器有哪些性能參數(shù)？

## 示波器的性能參數(shù)

以下參數(shù)關(guān)乎示波器的性能，參數(shù)越高，性能越好，當(dāng)然價格也就越貴。

**1. 帶寬**

帶寬是指信號幅值降低為原來的0.707倍(功率跌落一半)時的截止頻率。也就是增益降低-3dB。

計(jì)算：-3dB = 10 * log(1/2)。

**帶寬越大，能夠測量的信號的頻率就越高，否則高頻信號就被濾掉了。

2. 采樣率**

采樣率是指AD在1秒鐘的時間內(nèi)采樣的次數(shù)。根據(jù)采樣定理，只要采樣率高于信號頻率的2倍，即可還原被采樣信號。當(dāng)然，為了更加準(zhǔn)確，一般采樣率 = （5~10）* 信號頻率。

**3. 存儲深度**

記錄長度也叫存儲深度，所有的數(shù)字示波器在經(jīng)過AD采集后，被觸發(fā)的信號都會存在一個存儲空間里，這個存儲空間的大小就是存儲深度，并且，**存儲深度 = 當(dāng)前時基 * 10格 * 采樣率**。

**4. 通道數(shù)**

也就是同時可測量的信號路數(shù)，不同通道之間可以對比分析。

**TDS2000的參數(shù)：**

*帶寬 200MHz

采樣率 2Gs/s

存儲深度 2.4K

通道數(shù) 2*

## 抓取串口波形

*以抓取串口波形為例，簡述需要設(shè)置的參數(shù)*

1. 串口參數(shù)

波特率115200，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位

2. 通道1

使用示波器的通道1探頭+ 連接串口的TX，探頭- 連接GND

3. 時基選擇

時基選擇約10倍波形的周期，便于觀察波形。115200的波特率，周期約為17.36us。這里選擇250us的時基檔位。

4. 通道參數(shù)

通道參數(shù)中的輸入耦合方式需要注意，分為**AC/DC/GND耦合**

直流模式標(biāo)注是DC，信號直流部分會經(jīng)過處理并顯示，對應(yīng)的顯示波形是信號全狀態(tài)；

交流模式標(biāo)注是AC，信號直流部分不會顯示，對應(yīng)的顯示波形是交流部分；

接地標(biāo)注是GND，實(shí)際是斷開輸入并把輸入接地，目的是消除干擾，方便找零點(diǎn)。

5. 觸發(fā)參數(shù)

觸發(fā)參數(shù)的選取比較關(guān)鍵：

觸發(fā)源：選擇通道1 ，CH1

觸發(fā)方式：有上升沿/下降沿，這里選擇空閑狀態(tài)下輸出高電平，所以選擇下降沿觸發(fā)

**觸發(fā)模式：有AUTO/NORMAL/SINGLE，也即是自動，正常，單序列**

由于我們需要抓取單次的波形，進(jìn)行分析，所以模式可以選擇SINGLE，也可以選擇NORMAL,區(qū)別在于SINGLE一次觸發(fā)后，需要手動再設(shè)置下，才能進(jìn)入下一次觸發(fā)。這里選擇SINGLE模式。

6. 串口發(fā)送數(shù)據(jù)

串口發(fā)出數(shù)據(jù)，可以看到示波器上完美抓取到TX波形：

將時基調(diào)整為10us，同時調(diào)整Position水平旋鈕。

**可以測量波形的周期為17.39us，與理論值17.36us幾乎一致。**

# 4 問題與展望

1. 為什么時基較大時，采樣的波形要失真？

根據(jù) 存儲深度 = 當(dāng)前時基 * 10格 * 采樣率，帶入?yún)?shù)計(jì)算：

時基選擇100ms:

2.4K = 10 * 100ms * 采樣率。可得采樣率為：2.4Ks/s

時基選擇100us:

2.4K = 10 * 100us * 采樣率。可得采樣率為：2.4Ms/s

顯然，根據(jù)采樣定理，對于串口115200bps的67.5K頻率的信號，2.4Ks/s的采樣率是無法還原波形的，進(jìn)而出現(xiàn)波形失真。

2. ADC的采樣速度高達(dá)2Gs/s(高端示波器可達(dá)100Gs/s)，數(shù)據(jù)如何高速采樣，存儲和處理？

這算是高端示波器的核心技術(shù)了，首先是高速ADC芯片的制作，再是高速數(shù)據(jù)的存儲處理(串行還是并行？串行如何提高速度？并行如何校準(zhǔn)/對齊數(shù)據(jù)？)，這部分國內(nèi)還是沒法突破的地方，高端ADC芯片禁運(yùn)，高精尖儀器的生產(chǎn)受阻，自主研發(fā)之路任重而道遠(yuǎn)！

總結(jié)

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