玩转示波器不是梦，掌握高保真捕获信号的6大原则

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安防电子在测试测量方面的需求呈现快速增长的趋势。大的安防电子公司，都在引进更高端的测试器设备。我今天分享的是每一位工程师每一天都要使用的工具示波器，可以称之为每一家公司的眼睛，是每一家公司刚性需求的仪器，怎么用才能用好呢？

其实不难，掌握高保真捕获信号的6大原则就能行！这6大原则中，有两条最重要，我总结成14个字原则，前7个字是最小化量化误差，后7个字是时刻警惕采样率。

示波器的本质是看电压识别时间变化的仪器，它的原理很简单，信号通过探头采集之后，经过放大、提高，离散化，最后显示给你看。横坐标的是时间，纵坐标是电压。这个是本质。所以我们测量的时候，要对横纵坐标进行区别。

第一个原则是最小化量化误差，尽量让波形占满栅格，充分利用ADC范围。

我们复习一下示波器的基本原理，把模拟信号变成影响点的各个。在数字空间里，永远都有0和1，每一个0和1代表的电压的大小是多少呢？通常是8位的0和1组成一个电压。电阻里的电源的电压是400伏，还是低压5毫伏，都可以进行量化。每一个0和1代表的电压是多少呢？这个是最小有利的比特位。特殊讲，就是示波器的每一个路径，示波器乘1111111，变成了11111110，最后一位从1变成0的跳变，代表了电压的大小是多少呢？是取决于平时用示波级的量程。如果示波器1伏每格的时候，你0和1的跳变大约是30毫伏的变化。这个是示波器外边的电压的变化，30毫伏的电压对示波器是没有影响的，示波器感觉不到。这个就像平时用1厘米的刻度尺来测量头发的时候发现无法测量，这个是基本的道理。

示波器是一个带有波形显示的电压表，当我们用一个万用表来测量电压的时候，如果测量是18毫伏的电压，量程是200伏的档位，测量是0.01伏，就是这个道理。所以在我们用万用表的时候，我们会下意识的用工程师的本能把量程拉小。示波角也是这个道理。测量电压的时候，我们有正选波，这个是1/2的话，这个放大之后就是我们说的误差。左边测的结果可能是100伏，右边可能是98伏，有时候差得会更大。

举个例子，当我们把示波器的探头和地上短路的时候，示波器放在全封闭的环境里，这个时候示波器的结果就是理论上的零伏电路。这个时候你测的电压，示波器测的结果的峰值是多少，示波器加上探头，探头短路，这个时候示波器的结果是多少？示波器的结果是取决于你的设置，可能是30伏，我想30伏可能很多人不相信，我刚好卖的10年的示波器，有一次我遇到了一个客户，他买了探头回去之后，探头一短路，就发现了30伏的值，老板有说要退货，我后来花半个小时给他解释原理，我说这个是原理问题，这个故事是经常发生的。

很多人觉得不可思议，为什么零伏的测试信号是30伏呢？就是这个原因。因为半导体的制作工艺的原因就是这里。当100伏/格的时候，正常测量的范围是800伏除以256，最终结果差不多是30。这个是高压测量的例子。所以平时用示波器测量电源的文波的时候，我们应该怎么做？如果是测量3.3伏的电流波，永远要把探头在地上的帽子拔掉，这个用短的地环。如果测1.8伏以下的电流波，纹波只有3豪伏以下的时候怎么做？勇敢要把探头拔掉。为什么？因为很多探头插上去之后，最小是1毫伏/格，直接就变成了10毫伏/格，你的示波器的量化、噪声，加上随机噪声，远远的大于你的被测信号的噪声，测量的结果就失去意义了。所以我们讲的第一个原则就是量化最小测量误差。

我们公司的示波器有什么特点？我们的高端的示波器上，有效的ADC的倍数可以达到7位，到这个指标的时候，如果不再做下面的阐述，下面就没有概念，刚才讲的示波器只有7位，其实大家知道一个示波器理论上是没有8位，对于一个20倍的示波器，可以做到5到6之间，很难做到6位。第一代的示波器，通常做到的指标是6位，而我们可以做到7位。因为我们是高级工程师，在示波器里面有非常多的积累。传统的示波器是10个G，但是实际上是由N个25兆的单个晶元的ADC合成的。我们公司花了8年的时间进入示波器的市场，我们设计出单核的芯片，达到了10个G，这个是不可思议的成就。所以我们可以实现位数是7位。

相同的情况下，我们的示波器比传统的示波器好一半，传统的可能是厘米的刻度尺，我们是毫米的刻度尺。

当我们测量一个信号，在不同采样情况之下，采样的结果误差特别大。采样率不够，就是你带宽不够，看到的是上面的滤波的效果，所以我们要时刻提出采样率，对于采样率而言非常著名人提出的定理，这个老先生告诉我们，采样率是信号的两倍，才能保证你的信号的准确率。采样率决定捕获信号的时间分辨率，时间分辨率越高，可以察看的波形细节越多，但可以捕获的时间窗口会下降。我的个人经历是取决于你想要采集什么样的信号，采集到什么程度。如果我测量的是发波，我就要看它的周期，你的采样率是6个点，可能误差只有1%。我们希望我们采的信号，感兴趣的细节可以采到3到5个点，最好是5个点，当然采更多点的意义就不大了。为什么采更多点意义不大呢？因为采样率乘采样时间，等于示波器的产品的深度，产品太大了，会消耗你很多的时间，单位时间采的点太多，这个波形时间就太短，所以一般建议采到3到5个点。

捕获的第三个原则，选择合适得带宽，并不是越高越好。

很多公司买示波器会考虑到未来3年的情况，我们平时用示波器的时候，适度的限制带宽，带宽是示波器的第一个指标。示波器带宽通常是指模拟带宽。

示波器的上升时间和带宽是一一对应的，所谓示波器的上升时间本身的指标，表示的是放大器的间接响应，就表示我对示波器趋于一个无限小、无限快的上升点。理论上来讲，是通过高斯的函数来推导出0.35的关系，就是带宽等于0.35乘以时间。因此带宽越高，上升时间越小。这个地方也是我们任何一个人参加过示波器的设计都知道的数据。实际测量的时间和正常的时间会存在这样的一个平方和的关系，这个会产生接近5%的误差。这个是非常有名的公示，这个是通过高斯来推导出来的。问题是我们任何时候都要考虑到性价比，因为示波器不是理想的仪器，示波器本身，以及示波器的探头，示波器本身有一个底照，探头是一个全照，和空间辐射耦合的方式，会感应很多的噪声，当示波器和探头感应了噪声信号的能量远远大于真正的被测的信号能量的时候，这个时候性价比太小，带宽越高，测的结果越差。这个就是很多公司代代相传告诉带宽要限制20兆的原因。测量一个3.15G的波形信号的时候，也是用这个，就是这个道理。因为我们知道任何一个信号都可以分解成N次谐波的叠加。所以我们看这个N等于多少的时候，你的带宽可以覆盖你信号能量的99.99%，当示波器的带宽已经可以覆盖99.99%的时候，你非要更高的带宽，这个时候就得不偿失了。因为我说了，当示波器本身的噪声远远高于信号能量的时候，要注意这一点。所以带宽并不是越高越好。

示波器的上升时间和带宽是一一对应的，所谓示波器的上升时间本身的指标，表示的是放大器的间接响应，就表示我对示波器趋于一个无限小、无限快的上升点。理论上来讲，是通过高斯的函数来推导出0.35的关系，就是带宽等于0.35乘以时间。因此带宽越高，上升时间越小。这个地方也是我们任何一个人参加过示波器的设计都知道的数据。实际测量的时间和正常的时间会存在这样的一个平方和的关系，这个会产生接近5%的误差。这个是非常有名的公示，这个是通过高斯来推导出来的。问题是我们任何时候都要考虑到性价比，因为示波器不是理想的仪器，示波器本身，以及示波器的探头，示波器本身有一个底照，探头是一个全照，和空间辐射耦合的方式，会感应很多的噪声，当示波器和探头感应了噪声信号的能量远远大于真正的被测的信号能量的时候，这个时候性价比太小，带宽越高，测的结果越差。这个就是很多公司代代相传告诉带宽要限制20兆的原因。测量一个3.15G的波形信号的时候，也是用这个，就是这个道理。因为我们知道任何一个信号都可以分解成N次谐波的叠加。所以我们看这个N等于多少的时候，你的带宽可以覆盖你信号能量的99.99%，当示波器的带宽已经可以覆盖99.99%的时候，你非要更高的带宽，这个时候就得不偿失了。因为我说了，当示波器本身的噪声远远高于信号能量的时候，要注意这一点。所以带宽并不是越高越好。

捕获的第四个原则，捕获待测信号的全貌，保证捕获信号的时间长度包含完整频率成分。

示波器的使用经过半个小时到一个小时的培训，可以少走弯路。我们过去几年测试的结果都是7、8微伏。过去怎么测都没有意义，都是错的，如果量程打到15亿秒/格，这个就是测量的现状。如果你的采样率没有打到250MS/S以上，这个时候结果也会偏小。所以测量纹波的时候，要保证打到250MS/S。为了你把电源纹波整体测出来，要看整个电源完整的包，这个是一个100赫兹的波，因为有220伏的交流电经过整流之后的波。所以220伏交流的变化，使闭环控制来源在前端不能完全遇到。如果是220伏变成400伏，整个的包看起来都不明显。但是零散而言，应该把完整的包看清楚。

捕获的第五个原则，我们要尽可能减少探头的影响，主要是减少地线环路，同时要考虑到探头的负载效应。

示波器没有用好，很多时候都是因为探头的影响。探头里面的故事是非常多了，可以讲三个小时。因为时间的关系就不细说了。我想说的一个观点是任何一个测量的本质都是差度测量，这个观点大家都要记住，哪怕你拿出一个无源探头，这个地还是这个地，这个地只是我对探头分压的参考电。

其实把示波器递减掉，只是把示波器参考点放在你的机壳，示波器的电源有一个外电源，这个外电源是两个电源串联，中间接到220伏的，地减之后，示波器本身不是这个概念的地。但是很多时候因为示波器真正介入到插座上的地，不是概念上的地，很多时候再做一个接口会更好。任何的测量都是差度测量。因此我们要记住，所有问题都是线缆的问题。探头的问题解决几个问题，第一个是传导，第二个是辐射，这个是所有问题的本质。我们在使用的时候，要尽可能的减少地环的地，第二个是尽可能让探头远离辐射源和干扰源。还有一点，我们知道任何一个探头，我们希望输出电源越小越好，但是找不到这样的探头，一个探头可以达到10兆欧姆，但是交易质量非常多，测量结果非常大，因为会把电路拉宽。因为探头本质上是你的探头的等效电路，并联在电路上面，会吸收电，打垮电路。大家要注意这个影响。

捕获的第六个原则，利用测量统计功能，波形去噪算法。波形特别捕获模式：适应应用，要注意其优缺点。