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 數字存儲示波器(digital storage oscilloscope)

## 名詞解釋

1. 數字是相對于模擬而言，將連續的模擬信號轉換為離散的數字信號

2. 存儲是表征AD采集后的數據可以進行存儲(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，經由前端的放大器進行放大，之后由模數轉換單元進行轉換，進而存儲到采集內存中，然后顯示到顯示器上。

下文中的參數設置 也就是在設置各個環節中需要調整的參數，以達到正確匹配所測波形的目的。

**其中采樣轉化的速度，采集數據的高速存儲處理是示波器的核心技術。**

# 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，以及在觀測波形的過程中需要設置示波器的參數。那么如何設置參數呢？示波器有哪些性能參數？

## 示波器的性能參數

以下參數關乎示波器的性能，參數越高，性能越好，當然價格也就越貴。

**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秒鐘的時間內采樣的次數。根據采樣定理，只要采樣率高于信號頻率的2倍，即可還原被采樣信號。當然，為了更加準確，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，所有的數字示波器在經過AD采集后，被觸發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 = 當前時基 * 10格 * 采樣率**。

**4. 通道數**

也就是同時可測量的信號路數，不同通道之間可以對比分析。

**TDS2000的參數：**

*帶寬 200MHz

采樣率 2Gs/s

存儲深度 2.4K

通道數 2*

## 抓取串口波形

*以抓取串口波形為例，簡述需要設置的參數*

1. 串口參數

波特率115200，8位數據位，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

通道參數中的輸入耦合方式需要注意，分為**AC/DC/GND耦合**

直流模式標注是DC，信號直流部分會經過處理并顯示，對應的顯示波形是信號全狀態；

交流模式標注是AC，信號直流部分不會顯示，對應的顯示波形是交流部分；

接地標注是GND，實際是斷開輸入并把輸入接地，目的是消除干擾，方便找零點。

5. 觸發參數

觸發參數的選取比較關鍵：

觸發源：選擇通道1 ，CH1

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

**觸發模式：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，進行分析，所以模式可以選擇SINGLE，也可以選擇NORMAL,區別在于SINGLE一次觸發后，需要手動再設置下，才能進入下一次觸發。這里選擇SINGLE模式。

6. 串口發送數據

串口發出數據，可以看到示波器上完美抓取到TX波形：

將時基調整為10us，同時調整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 存儲深度 = 當前時基 * 10格 * 采樣率，帶入參數計算：

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，進而出現波形失真。

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

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

總結

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