玩轉示波器不是夢，掌握高保真捕獲信號的6大原則

如何玩轉示波器？汪進進的訣竅是掌握高保真捕獲信號的6大原則！汪進進現(xiàn)場演講PPT連同Bourns， Amazing，3CTest，新唐科技，Sunlord等專家的演講資料都已上線，下載鏈接： 歡迎指導與互動。

安防電子在測試測量方面的需求呈現(xiàn)快速增長的趨勢。大的安防電子公司，都在引進更高端的測試器設備。我今天分享的是每一位工程師每一天都要使用的工具示波器，可以稱之為每一家公司的眼睛，是每一家公司剛性需求的儀器，怎么用才能用好呢？

其實不難，掌握高保真捕獲信號的6大原則就能行！這6大原則中，有兩條最重要，我總結成14個字原則，前7個字是最小化量化誤差，后7個字是時刻警惕采樣率。

示波器的本質是看電壓識別時間變化的儀器，它的原理很簡單，信號通過探頭采集之后，經(jīng)過放大、提高，離散化，最后顯示給你看。橫坐標的是時間，縱坐標是電壓。這個是本質。所以我們測量的時候，要對橫縱坐標進行區(qū)別。

第一個原則是最小化量化誤差，盡量讓波形占滿柵格，充分利用ADC范圍。

我們復習一下示波器的基本原理，把模擬信號變成影響點的各個。在數(shù)字空間里，永遠都有0和1，每一個0和1代表的電壓的大小是多少呢？通常是8位的0和1組成一個電壓。電阻里的電源的電壓是400伏，還是低壓5毫伏，都可以進行量化。每一個0和1代表的電壓是多少呢？這個是最小有利的比特位。特殊講，就是示波器的每一個路徑，示波器乘1111111，變成了11111110，最后一位從1變成0的跳變，代表了電壓的大小是多少呢？是取決于平時用示波級的量程。如果示波器1伏每格的時候，你0和1的跳變大約是30毫伏的變化。這個是示波器外邊的電壓的變化，30毫伏的電壓對示波器是沒有影響的，示波器感覺不到。這個就像平時用1厘米的刻度尺來測量頭發(fā)的時候發(fā)現(xiàn)無法測量，這個是基本的道理。

示波器是一個帶有波形顯示的電壓表，當我們用一個萬用表來測量電壓的時候，如果測量是18毫伏的電壓，量程是200伏的檔位，測量是0.01伏，就是這個道理。所以在我們用萬用表的時候，我們會下意識的用工程師的本能把量程拉小。示波角也是這個道理。測量電壓的時候，我們有正選波，這個是1/2的話，這個放大之后就是我們說的誤差。左邊測的結果可能是100伏，右邊可能是98伏，有時候差得會更大。

舉個例子，當我們把示波器的探頭和地上短路的時候，示波器放在全封閉的環(huán)境里，這個時候示波器的結果就是理論上的零伏電路。這個時候你測的電壓，示波器測的結果的峰值是多少，示波器加上探頭，探頭短路，這個時候示波器的結果是多少？示波器的結果是取決于你的設置，可能是30伏，我想30伏可能很多人不相信，我剛好賣的10年的示波器，有一次我遇到了一個客戶，他買了探頭回去之后，探頭一短路，就發(fā)現(xiàn)了30伏的值，老板有說要退貨，我后來花半個小時給他解釋原理，我說這個是原理問題，這個故事是經(jīng)常發(fā)生的。

很多人覺得不可思議，為什么零伏的測試信號是30伏呢？就是這個原因。因為半導體的制作工藝的原因就是這里。當100伏/格的時候，正常測量的范圍是800伏除以256，最終結果差不多是30。這個是高壓測量的例子。所以平時用示波器測量電源的文波的時候，我們應該怎么做？如果是測量3.3伏的電流波，永遠要把探頭在地上的帽子拔掉，這個用短的地環(huán)。如果測1.8伏以下的電流波，紋波只有3豪伏以下的時候怎么做？勇敢要把探頭拔掉。為什么？因為很多探頭插上去之后，最小是1毫伏/格，直接就變成了10毫伏/格，你的示波器的量化、噪聲，加上隨機噪聲，遠遠的大于你的被測信號的噪聲，測量的結果就失去意義了。所以我們講的第一個原則就是量化最小測量誤差。

我們公司的示波器有什么特點？我們的高端的示波器上，有效的ADC的倍數(shù)可以達到7位，到這個指標的時候，如果不再做下面的闡述，下面就沒有概念，剛才講的示波器只有7位，其實大家知道一個示波器理論上是沒有8位，對于一個20倍的示波器，可以做到5到6之間，很難做到6位。第一代的示波器，通常做到的指標是6位，而我們可以做到7位。因為我們是高級工程師，在示波器里面有非常多的積累。傳統(tǒng)的示波器是10個G，但是實際上是由N個25兆的單個晶元的ADC合成的。我們公司花了8年的時間進入示波器的市場，我們設計出單核的芯片，達到了10個G，這個是不可思議的成就。所以我們可以實現(xiàn)位數(shù)是7位。

相同的情況下，我們的示波器比傳統(tǒng)的示波器好一半，傳統(tǒng)的可能是厘米的刻度尺，我們是毫米的刻度尺。

當我們測量一個信號，在不同采樣情況之下，采樣的結果誤差特別大。采樣率不夠，就是你帶寬不夠，看到的是上面的濾波的效果，所以我們要時刻提出采樣率，對于采樣率而言非常著名人提出的定理，這個老先生告訴我們，采樣率是信號的兩倍，才能保證你的信號的準確率。采樣率決定捕獲信號的時間分辨率，時間分辨率越高，可以察看的波形細節(jié)越多，但可以捕獲的時間窗口會下降。我的個人經(jīng)歷是取決于你想要采集什么樣的信號，采集到什么程度。如果我測量的是發(fā)波，我就要看它的周期，你的采樣率是6個點，可能誤差只有1%。我們希望我們采的信號，感興趣的細節(jié)可以采到3到5個點，最好是5個點，當然采更多點的意義就不大了。為什么采更多點意義不大呢？因為采樣率乘采樣時間，等于示波器的產(chǎn)品的深度，產(chǎn)品太大了，會消耗你很多的時間，單位時間采的點太多，這個波形時間就太短，所以一般建議采到3到5個點。

捕獲的第三個原則，選擇合適得帶寬，并不是越高越好。

很多公司買示波器會考慮到未來3年的情況，我們平時用示波器的時候，適度的限制帶寬，帶寬是示波器的第一個指標。示波器帶寬通常是指模擬帶寬。

示波器的上升時間和帶寬是一一對應的，所謂示波器的上升時間本身的指標，表示的是放大器的間接響應，就表示我對示波器趨于一個無限小、無限快的上升點。理論上來講，是通過高斯的函數(shù)來推導出0.35的關系，就是帶寬等于0.35乘以時間。因此帶寬越高，上升時間越小。這個地方也是我們任何一個人參加過示波器的設計都知道的數(shù)據(jù)。實際測量的時間和正常的時間會存在這樣的一個平方和的關系，這個會產(chǎn)生接近5%的誤差。這個是非常有名的公示，這個是通過高斯來推導出來的。問題是我們任何時候都要考慮到性價比，因為示波器不是理想的儀器，示波器本身，以及示波器的探頭，示波器本身有一個底照，探頭是一個全照，和空間輻射耦合的方式，會感應很多的噪聲，當示波器和探頭感應了噪聲信號的能量遠遠大于真正的被測的信號能量的時候，這個時候性價比太小，帶寬越高，測的結果越差。這個就是很多公司代代相傳告訴帶寬要限制20兆的原因。測量一個3.15G的波形信號的時候，也是用這個，就是這個道理。因為我們知道任何一個信號都可以分解成N次諧波的疊加。所以我們看這個N等于多少的時候，你的帶寬可以覆蓋你信號能量的99.99%，當示波器的帶寬已經(jīng)可以覆蓋99.99%的時候，你非要更高的帶寬，這個時候就得不償失了。因為我說了，當示波器本身的噪聲遠遠高于信號能量的時候，要注意這一點。所以帶寬并不是越高越好。

示波器的上升時間和帶寬是一一對應的，所謂示波器的上升時間本身的指標，表示的是放大器的間接響應，就表示我對示波器趨于一個無限小、無限快的上升點。理論上來講，是通過高斯的函數(shù)來推導出0.35的關系，就是帶寬等于0.35乘以時間。因此帶寬越高，上升時間越小。這個地方也是我們任何一個人參加過示波器的設計都知道的數(shù)據(jù)。實際測量的時間和正常的時間會存在這樣的一個平方和的關系，這個會產(chǎn)生接近5%的誤差。這個是非常有名的公示，這個是通過高斯來推導出來的。問題是我們任何時候都要考慮到性價比，因為示波器不是理想的儀器，示波器本身，以及示波器的探頭，示波器本身有一個底照，探頭是一個全照，和空間輻射耦合的方式，會感應很多的噪聲，當示波器和探頭感應了噪聲信號的能量遠遠大于真正的被測的信號能量的時候，這個時候性價比太小，帶寬越高，測的結果越差。這個就是很多公司代代相傳告訴帶寬要限制20兆的原因。測量一個3.15G的波形信號的時候，也是用這個，就是這個道理。因為我們知道任何一個信號都可以分解成N次諧波的疊加。所以我們看這個N等于多少的時候，你的帶寬可以覆蓋你信號能量的99.99%，當示波器的帶寬已經(jīng)可以覆蓋99.99%的時候，你非要更高的帶寬，這個時候就得不償失了。因為我說了，當示波器本身的噪聲遠遠高于信號能量的時候，要注意這一點。所以帶寬并不是越高越好。

捕獲的第四個原則，捕獲待測信號的全貌，保證捕獲信號的時間長度包含完整頻率成分。

示波器的使用經(jīng)過半個小時到一個小時的培訓，可以少走彎路。我們過去幾年測試的結果都是7、8微伏。過去怎么測都沒有意義，都是錯的，如果量程打到15億秒/格，這個就是測量的現(xiàn)狀。如果你的采樣率沒有打到250MS/S以上，這個時候結果也會偏小。所以測量紋波的時候，要保證打到250MS/S。為了你把電源紋波整體測出來，要看整個電源完整的包，這個是一個100赫茲的波，因為有220伏的交流電經(jīng)過整流之后的波。所以220伏交流的變化，使閉環(huán)控制來源在前端不能完全遇到。如果是220伏變成400伏，整個的包看起來都不明顯。但是零散而言，應該把完整的包看清楚。

捕獲的第五個原則，我們要盡可能減少探頭的影響，主要是減少地線環(huán)路，同時要考慮到探頭的負載效應。

示波器沒有用好，很多時候都是因為探頭的影響。探頭里面的故事是非常多了，可以講三個小時。因為時間的關系就不細說了。我想說的一個觀點是任何一個測量的本質都是差度測量，這個觀點大家都要記住，哪怕你拿出一個無源探頭，這個地還是這個地，這個地只是我對探頭分壓的參考電。

其實把示波器遞減掉，只是把示波器參考點放在你的機殼，示波器的電源有一個外電源，這個外電源是兩個電源串聯(lián)，中間接到220伏的，地減之后，示波器本身不是這個概念的地。但是很多時候因為示波器真正介入到插座上的地，不是概念上的地，很多時候再做一個接口會更好。任何的測量都是差度測量。因此我們要記住，所有問題都是線纜的問題。探頭的問題解決幾個問題，第一個是傳導，第二個是輻射，這個是所有問題的本質。我們在使用的時候，要盡可能的減少地環(huán)的地，第二個是盡可能讓探頭遠離輻射源和干擾源。還有一點，我們知道任何一個探頭，我們希望輸出電源越小越好，但是找不到這樣的探頭，一個探頭可以達到10兆歐姆，但是交易質量非常多，測量結果非常大，因為會把電路拉寬。因為探頭本質上是你的探頭的等效電路，并聯(lián)在電路上面，會吸收電，打垮電路。大家要注意這個影響。

捕獲的第六個原則，利用測量統(tǒng)計功能，波形去噪算法。波形特別捕獲模式：適應應用，要注意其優(yōu)缺點。