示波器捕获信号的基本原则及基本操作步骤

很多初学示波器的工程师最关心的是“怎么让波形出来”，这时候我们一般都被教会了要用“AutoSet”键。 但如果AutoSet之后波形还是出不来，我们往往不知所措了; 或者是即使Auto Set能使波形出来，就可以往下进行测量和分析了吗？ 只有很初级的工程师会用AutoSet，所以我们很低端示波器WaveJet系列设计的AutoSet反应速度全世界最快，按一下Auto Set，1秒左右就有波形出来。但AutoSet不能保证信号被准确地高保真地捕获。 高保真地捕获信号是操作示波器的第一要著，否则再继续一些测量和分析就没有什么意义了。为实现高保真地捕获信号，我们需要掌握设置示波器的一些基本原则。 捕获信号的基本原则是：第一，最小化量化误差; 第二，时刻警惕采样率; 第三，至少捕获感兴趣的一个周期的低频成分; 第四，在有些时候使用一些特别的获取模式或处理方法。 首先，我们要了解示波器的屏幕显示。示波器是人机交互的工具，每一个操作会带来屏幕上显示的变化，这变化代表什么含义？这是基础之基础呵。如图一所示，示波器的水平轴有十大格，捕获时间=10 x [Time/Div]，调节面板上的水平时基旋钮，就会相应增加或减小捕获的时间。展开波形可以看到波形有一个个的点组成，这相邻两点之间的时间间隔就是采样周期，是采样率的倒数。屏幕上显示的全部点的个数就表示为示波器的存储深度。 采样率x 采样时间= 存储深度。这是示波器的第一关系式，非常重要。如图一右下边显示的是力科示波器的一次菜单Timebase，上面显示的三个数值，右边的两个数相乘再乘以10就等于左边的数。在调节时基的时候我们要“keep an eye on the sample rate”——时刻警惕采样率。示波器的垂直轴有8大格，垂直范围=8 x [Volts/Div]?? 256二进制码，对应8位的ADC。示波器的ADC只有8位，这是数字示波器的第一局限性。 这也就是说，如果我们需要测量5mV的电压用256个0和1来表征，测量 1000V的电压也只能用256个0和1来表征。 测5mV电压时可以设置为2mV/div，那么最小步进，即最后一位由0跳变到1代表的电压大小是多少？(8 x 2mV)/256=62.5uV，62.5uV代表的是最小步进（量化误差）。但如果是测量1000V的电压，垂直灵敏度设置为125V/div,那么最小步进是(8 x 125V/div)/256=3.9V,量化误差很大！ 如果用这个量程去测试1V的电压带来的误差就如用一把米刻度去测量头发丝的直径！关于量化误差，大家可以参考《力科第一季》第20集谈到的关于电源纹波的测量。

图一 示波器的屏幕显示及Timebase菜单显示

图二 8位ADC的物理含义

下面我们按示波器捕获波形的操作步骤来强调上面的四个基本原则。 很多时候我们打开示波器看到屏幕上显示的波形和测量参数很多，譬如图三所示。这时候我建议的第一个操作步骤是，恢复出厂设置将之前的设置都清楚掉。 清除掉再开始从头设置反而效率更高。恢复出厂设置的菜单在File下的Recall Default按钮，如图四所示。在进行这一



图三 多波形多参数的显示屏幕

图四 恢复出厂默认设置

操作之后，如果示波器的第一和第二通道没有接任何探头，屏幕上看到的是两条零电平的线，图四中的C2没有接探头，显示的就是一条零线。 这个操作之后，如果没有看到这两条线，这说明示波器的通道工作不正常了，这也是判断示波器好坏的一个方法。 第二个操作步骤是接上探头，选择示波器的通道。 有时侯接上探头之后应做探头的校准和通道之间延时的校准，但在非严格的测量中有时侯忽略了这个步骤。本文的图例中，我的实验环境是一个力科的DEMO板通过BNC线接到通道1，所以需要将通道2关掉。选择通道通过按示波器面板上标识为1,2,3,4的按钮就可以了。 第三个步骤是设置示波器的垂直通道。垂直通道设置的第一步是选择耦合方式。低带宽的示波器通常有四种耦合方式，DC 50Ω，DC 1MΩ，AC 1MΩ,Ground。 本例中因为是接BNC线，需要将耦合方式设置为DC 50Ω，如图五所示。 垂直通道设置的第二步是调节垂直偏置和垂直灵敏度，尽量使波形占满屏幕，使得量化误差最校这是捕获信号的第一个基本原则。调节垂直偏置和垂直灵敏度虽然可以通过一次菜单来设置，但也可以通过面板来快捷操作。如图六所示，上面的四个旋钮为调节垂直偏置，改变波形在屏幕中的位置,垂直按该旋钮可以使offset自动归零。 下面的四个旋钮来改变量程。 为使波形占满屏幕7.5栅格以上，有时需要微调旋钮，选中垂直通道设置菜单中的Variable Gain就可以微调。力科的第四代示波器按这个旋钮就可以直接微调了。图七显示了在不同量程下，测试同样信号的峰-