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敲黑板:示波器硬知识第一波!不懂这些,你的车随时会翻!

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Freeman_2016 发表于 2019-10-28 10:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
今天就为大家扒一扒示波器是个什么鬼,它的各项参数又是怎样定义的呢?虽然很多人都或多或少有了解,但是肯定没这么全!阅读本文,起码你装逼的时候不会翻车!
【百科】:示波器(英语:oscilloscope)是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。它能够将时变的电压信号,转换为时间域上的曲线,原来不可见的电气信号,就此转换为在二维平面上直观可见光信号,因此能够分析电气信号的时域性质。更高级的示波器,甚至能够对输入的时间信号,进行频谱分析,反映输入信号的频域特性。
示波器的基本参数:
带宽
在模拟信号系统中,带宽用来标识传输信号所占有的频率宽度,这个宽度由传输信号的最高频率和最低频率决定,两者之差就是带宽值,因此又被称为信号带宽或者载频带宽,单位为Hz。
带宽其实就是信号所占用的频谱的度量,可以看做是一种与空间相关的量。与之相比,信号的传输速率就是一种与空间和时间都相关的物理量,定义为单位时间内在信道上传输的数据量。
带宽是示波器最重要的参数,它决定了这台设备能够准确测量的信号上限;同时它也在很大程度上决定了你需要为这台示波器支付的价钱。一般来说,买的示波器带宽是你当前预算和预期内使用的需求的平衡点;并不是越高的带宽越适合你,就像每个妹子都渴望白马王子,而最终选择的往往是经济适用男。
1.jpg 示波器的带宽是频域上从0开始的窗口
采样率
也称为采样速度, 定义了每秒从连续信号中提取并组成离散信号的采样个数,它用赫兹(Hz)来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间,它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个信号样本。
无论测量什么信号,示波器都将其视作时间上连续的波形信号,而采样过程则是在时间上,以T为单位间隔来测量连续信号的值。T称为采样间隔。在实际中,如果信号是时间的函数,通常他们的采样间隔都很小,一般在毫秒、微秒的量级。采样过程产生一系列的数字,称为样本。每一个样本都对应着示波器在该时间点测量这个信号的结果。
2.jpg
示波器的采样率取决于ADC的性能
根据 奈奎斯特抽样定理: 若频带宽度有限的,要从抽样信号中无失真地恢复原信号,抽样频率应大于2倍信号最高频率。而实际上,要较好的还原被测信号,采样率都要数倍以上的被测信号。如果不考虑硬件设计的模拟通道限制,上述的示波器带宽定义其实是关联示波器采样率来标的的;因为一个链路即使它能通过10G的信号,而示波器的采样率只有100M,也是然并卵。
通道数
这个是很显浅的数据,就是告诉你这台示波器可以同时测量多少个信号。一般示波器提供的通道数都是2的倍数,2、4、8等。
3.jpg
示波器的通道
当然,实际销售的示波器种类很多;部分的型号对通道的参数有不同定义,比如有些单通道采样的速度较快,但是同时使用多通道测试的时候,采样率就成倍下降了。这是在单通道采样模式的时候将其他通道的资源调用的原因;这也往往是厂商的噱头之一。
存储深度
当你使用示波器的时候,它采样到的数据会经过内部的处理器显示到显示屏上面;你看到的就是一动一动的线条。这中间就涉及到数据处理及显示的问题了,前面提到,示波器测量的是时间上连续的信号,理论上它是一条无线长的线条,那么怎么在有限的显示屏(小则几英寸,大则十几英寸)上显示呢?每采一个点就显示一个点,像挤牙膏一样“拉”出来?这显然不是事实。
里面就涉及到“帧”和“存储深度”的问题;帧是显示器的概念,它代表了每次刷新界面时的像素空间与时间长度。而存储深度则代表了示波器A/D转换后二进制数据在存储器件中保存的空间大小;所以 存储深度=采样率*采样时间;即示波器“每次”采样的长度。通常来说,示波器每帧显示的是每次采样的全部或者部分数据。
触发功能
触发是示波器一个非常重要的打开方式;它在很大程度上决定了你发现异常信号的能力。一个示波器基本包含边沿触发(上升沿触发、下降沿触发),电平触发(高电平触发、低电平触发);还有提供脉宽触发、外部触发、视频触发、延迟触发、顺序触发、间隔触发等多种方式。这个都是厂家为了方便用户提供的功能。
示波器的触发其实是提供了将异常信号在众多采样数据里面隔离出来的能力;例如,在一个实际测试中发现一个信号链路偶尔会出现误码,而这个误码表现就是每隔一段时间出现一个数据位恒为“1”;这就需要查看信号在走线上传输的时候实际的波形情况,选择不同的触发方式能够发现不同的问题:选择电平触发的话可以发现外来的高电平冲击导致可能的误码情况;选择脉宽触发的话就能发现是否存在毛刺干扰了信号的传输。
4.jpg
发现异常信号是示波器的基本应用
采样模式
其实示波器显示的波形不一定就ADC直接转换出来的结果;因为实际的影响,示波器测量的信号一定会带上噪声,除去信号本身进来的噪声外(这可能是你想要测量的),还有示波器硬件及探头,ADC精度等等固有干扰。而示波器厂商会根据实际情况优化显示的效果,似的用户可以看到想要看到的信息,而不会淹没在各种噪声里面。这就需要示波器进行必要的算法处理,包括滤波、插值、平均等。
一般示波器都有提供菜单选择显示的效果,用户可以根据自己的意愿查看原始数据、滤波后数据、求平均次数等。
5.jpg
无线示波器的采集模式
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