如何玩轉(zhuǎn)示波器？汪進(jìn)進(jìn)的訣竅是掌握高保真捕獲信號的6大原則！汪進(jìn)進(jìn)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：m.hiighwire.com/seminar/94/review 歡迎指導(dǎo)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(jìn)更高端的測試器設(shè)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(shí)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(jié)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(zhì)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(biāo)的是時間，縱坐標(biāo)是電壓。這個是本質(zhì)。所以我們測量的時候，要對橫縱坐標(biāo)進(jìn)行區(qū)別。
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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(fù)習(xí)一下示波器的基本原理，把模擬信號變成影響點(diǎn)的各個。在數(shù)字空間里，永遠(yuǎn)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(jìn)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(dāng)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(jié)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(dāng)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(jié)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(jié)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(jié)果是多少？示波器的結(jié)果是取決于你的設(shè)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?yàn)榘雽?dǎo)體的制作工藝的原因就是這里。當(dāng)100伏/格的時候，正常測量的范圍是800伏除以256，最終結(jié)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(yīng)該怎么做？如果是測量3.3伏的電流波，永遠(yuǎn)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?yàn)楹芏嗵筋^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(jī)噪聲，遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于你的被測信號的噪聲，測量的結(jié)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(diǎn)？我們的高端的示波器上，有效的ADC的倍數(shù)可以達(dá)到7位，到這個指標(biāo)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(shí)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(biāo)是6位，而我們可以做到7位。因?yàn)槲覀兪歉呒壒こ處?，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(shí)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(jìn)入示波器的市場，我們設(shè)計出單核的芯片，達(dá)到了10個G，這個是不可思議的成就。所以我們可以實(shí)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(dāng)我們測量一個信號，在不同采樣情況之下，采樣的結(jié)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(zhǔn)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(xì)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(diǎn)，可能誤差只有1%。我們希望我們采的信號，感興趣的細(xì)節(jié)可以采到3到5個點(diǎn)，最好是5個點(diǎn)，當(dāng)然采更多點(diǎn)的意義就不大了。為什么采更多點(diǎn)意義不大呢？因?yàn)椴蓸勇食瞬蓸訒r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(diǎn)太多，這個波形時間就太短，所以一般建議采到3到5個點(diǎn)。
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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(biāo)。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(yīng)的，所謂示波器的上升時間本身的指標(biāo)，表示的是放大器的間接響應(yīng)，就表示我對示波器趨于一個無限小、無限快的上升點(diǎn)。理論上來講，是通過高斯的函數(shù)來推導(dǎo)出0.35的關(guān)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?nèi)魏我粋€人參加過示波器的設(shè)計都知道的數(shù)據(jù)。實(shí)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(guān)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(dǎo)出來的。問題是我們?nèi)魏螘r候都要考慮到性價比，因?yàn)槭静ㄆ鞑皇抢硐氲膬x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(yīng)很多的噪聲，當(dāng)示波器和探頭感應(yīng)了噪聲信號的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)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?yàn)槲覀冎廊魏我粋€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(dāng)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?yàn)槲艺f了，當(dāng)示波器本身的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號能量的時候，要注意這一點(diǎn)。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(yīng)的，所謂示波器的上升時間本身的指標(biāo)，表示的是放大器的間接響應(yīng)，就表示我對示波器趨于一個無限小、無限快的上升點(diǎn)。理論上來講，是通過高斯的函數(shù)來推導(dǎo)出0.35的關(guān)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?nèi)魏我粋€人參加過示波器的設(shè)計都知道的數(shù)據(jù)。實(shí)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(guān)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(dǎo)出來的。問題是我們?nèi)魏螘r候都要考慮到性價比，因?yàn)槭静ㄆ鞑皇抢硐氲膬x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(yīng)很多的噪聲，當(dāng)示波器和探頭感應(yīng)了噪聲信號的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(jié)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?yàn)槲覀冎廊魏我粋€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(dāng)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?yàn)槲艺f了，當(dāng)示波器本身的噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于信號能量的時候，要注意這一點(diǎn)。所以帶寬并不是越高越好。
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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(xùn)，可以少走彎路。我們過去幾年測試的結(jié)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(jié)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?yàn)橛?20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(yīng)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(fù)載效應(yīng)。
示波器沒有用好，很多時候都是因?yàn)樘筋^的影響。探頭里面的故事是非常多了，可以講三個小時。因?yàn)闀r間的關(guān)系就不細(xì)說了。我想說的一個觀點(diǎn)是任何一個測量的本質(zhì)都是差度測量，這個觀點(diǎn)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(shí)把示波器遞減掉，只是把示波器參考點(diǎn)放在你的機(jī)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?yàn)槭静ㄆ髡嬲槿氲讲遄系牡?，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(dǎo)，第二個是輻射，這個是所有問題的本質(zhì)。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(yuǎn)離輻射源和干擾源。還有一點(diǎn)，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(dá)到10兆歐姆，但是交易質(zhì)量非常多，測量結(jié)果非常大，因?yàn)闀央娐防瓕?。因?yàn)樘筋^本質(zhì)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(yīng)應(yīng)用，要注意其優(yōu)缺點(diǎn)。
