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2021年03月24日 | 示波器的使用以及基本原理

2021-03-24 来源：eefocus

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

1. 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

2. 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)

3. 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*

1. 串口参数

波特率115200，8位数据位，1位停止位

2. 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

3. 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。

4. 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。

5. 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。

6. 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

1. 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。

2. 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！

示波器使用基本原理

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