- 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(cè)試靈敏度
- 測(cè)試前將示波器恢復(fù)出廠值、設(shè)置通道等等是進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)量5mV的電壓用256個(gè)0和1來表征,測(cè)量 1000V的電壓也只能用256個(gè)0和1來表征。 測(cè)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(cè)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(cè)試1V的電壓帶來的誤差就如用一把米刻度去測(cè)量頭發(fā)絲的直徑!
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(cè)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。
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。
圖七顯示了在不同量程下,測(cè)試同樣信號(hào)的峰-峰值的結(jié)果對(duì)比。
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(cè)試規(guī)范中應(yīng)定義好在多大的量程下進(jìn)行測(cè)試。否則,測(cè)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)。
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(zhǎng)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。
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(zhǎng)的存儲(chǔ)深度的好處。
圖十一 WaveStream模式
圖十二 順序模式
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(cè)量和分析的操作步驟比較簡(jiǎn)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(zhǎng)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。