示波器捕獲信號的基本原則及基本操作步驟

很多初學(xué)示波器的工程師最關(guān)心的是“怎么讓波形出來”，這時(shí)候我們一般都被教會了要用“AutoSet”鍵。 但如果AutoSet之后波形還是出不來，我們往往不知所措了; 或者是即使Auto Set能使波形出來，就可以往下進(jìn)行測量和分析了嗎？ 只有很初級的工程師會用AutoSet，所以我們很低端示波器WaveJet系列設(shè)計(jì)的AutoSet反應(yīng)速度全世界最快，按一下Auto Set，1秒左右就有波形出來。但AutoSet不能保證信號被準(zhǔn)確地高保真地捕獲。 高保真地捕獲信號是操作示波器的第一要著，否則再繼續(xù)一些測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，我們需要掌握設(shè)置示波器的一些基本原則。 捕獲信號的基本原則是：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)操作會帶來屏幕上顯示的變化，這變化代表什么含義？這是基礎(chǔ)之基礎(chǔ)呵。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深度。 采樣率x 采樣時(shí)間= 存儲深度。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，如果我們需要測量5mV的電壓用256個(gè)0和1來表征，測量 1000V的電壓也只能用256個(gè)0和1來表征。 測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)量程去測試1V的電壓帶來的誤差就如用一把米刻度去測量頭發(fā)絲的直徑！關(guān)于量化誤差，大家可以參考《力科第一季》第20集談到的關(guān)于電源紋波的測量。

圖一 示波器的屏幕顯示及Timebase菜單顯示

圖二 8位ADC的物理含義