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--- oscilloscope [2020/08/10 10:21]
gongyu [1. 什么是示波器？]
+++ oscilloscope [2022/11/13 17:39] (当前版本)
gongyu
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+[[acdlearning|模拟电路设计大师课]]
 ## 关于示波器
 {{ :scopetek.png |}}
 ### 1. 什么是示波器？
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 当然还有现在性价比超高的多功能口袋仪器，参见[[https://www.eetree.cn/doc/detail/158|几款已经商用的开源仪器的设计资源参考]]：
-{{ ::ad2functions.png |}}  <WRAP centeralign>**Digilent/NI公司的口袋仪器Analog Discovery II ** </WRAP>
+{{ :adalm2000multifunction.png.png?1000 }}<WRAP centeralign> ** ADI的多功能口袋仪器ADALM2000 ** </WRAP>
 #### 1.2 示波器都有哪些种？
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   * 存储深度 - 在每次捕获信号获取的信息量方面满足要求
-#### 2.1 模拟带宽、采样率及二者之间的关系
+示波器的ADC是模拟电压到可供处理、显示的数字量之间的桥梁，它是整个系统的枢纽，因此示波器的核心技术指标也都围绕着ADC进行展开的，我们先来看一下ADC的取样过程：
-对于不同频率的输入信号，示波器的响应是不同的，一般来讲示波器能够正常显示的频率范围就是示波器的带宽，确切的定义为相对于直流或低频交流信号灵敏度下降到0.707（3dB）时的频率，超过这个频率，示波器的反应会急剧下降，在该带宽范围之内，示波器的响应虽然不是严格的一致（平坦），但一定要保持在0到-3dB的范围内。
-{{ ::scopebw.png |3dB带宽的定义}}<WRAP centeralign>**3dB带宽的定义** </WRAP>
-  * 所有示波器都是展示的低通频响 - 高斯频率响应
+当示波器取样外部的输入信号，是以固定的时间间隔进行取样的，在这个间隔时间内，输入信号的大小被转变成了数值，再经过处理之后在示波器的显示屏上显示出来，观察者基于在显示屏上重建的信息来推断原始的模拟输入信号的特性。
-  * 示波器的带宽 - 输入正弦波被衰减了3dB的频率
+{{ :sampling1.png?800 |}}<WRAP centeralign>**对正弦波进行采样的过程** </WRAP>
-  * -3dB意味着幅度误差为-30%
+{{ :sampling3.png?800 |}}<WRAP centeralign>**基于采样点重建的原始信号波形** </WRAP>
-  * 针对模拟应用 - 需要高于3x最高正弦波频率的带宽
+#### 2.1 模拟带宽、采样率及二者之间的关系
-  * 针对数字应用 - 需要5x最高数字时钟速率的带宽
+对于不同频率的输入信号，示波器的响应是不同的，一般来讲示波器能够正常显示的频率范围就是示波器的带宽，确切的定义为相对于直流或低频交流信号灵敏度下降到0.707（3dB）时的频率（意味着幅度误差为-30%），超过这个频率，示波器的反应会急剧下降，在该带宽范围之内，示波器的响应虽然不是严格的一致（平坦），但一定要保持在0到-3dB的范围内。所有示波器都是展示的低通频响，也就是高斯频率响应。
-  * 更准确的BW的定义基于信号边沿的速度
+{{ :bw3db.png?800 |}}<WRAP centeralign>**3dB带宽的定义** </WRAP>
-示波器的探头也有带宽的限制，因此在使用的时候要正确选用，以便满足测量的要求，为达到“平坦”的频率响应，多数的探头有“补偿”功能
 另一个相关的指标为“上升时间” - 示波器能够处理的最快的脉冲信号的持续时间，它和示波器带宽的关系大致为：
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 例如示波器要对一个上升时间为1ns的脉冲进行测量，需要的模拟带宽要达到350MHz
-数字示波器的带宽主要受限于ADC的取样率，模拟链路的模拟带宽一般小于ADC的奈奎斯特频率，这是由于模拟信号放大器的带宽限制、ADC前面的抗混叠滤波器的设计等。数字示波器的的采样率要达到最高模拟信号频率的10倍，例如一个20Msps采样率的ADC可以用于对2MHz以内的模拟信号进行采样 - 抗混叠滤波器的3dB转折点为2MHz，有效的截止频率为10MHz（奈奎斯特频率），以避免非常陡峭的滤波器带来的人为混叠。
+{{ ::scopebw.png |3dB带宽的定义}}<WRAP centeralign>**对于100MHz的数字时钟，100MHz带宽的示波器和500MHz带宽的示波器得到不同的结果** </WRAP>
-{{ :aliasing1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**频谱混叠** </WRAP>
+为达到较好的观察效果，针对模拟应用，示波器的模拟带宽需要高于3x最高正弦波频率，对于数字信号，需要5x最高数字时钟速率的带宽，更准确的带宽的定义基于信号边沿的速度。
-{{ :aliasing2.gif |}}<WRAP centeralign>**频谱混叠** </WRAP>
+不仅示波器的模拟链路部分有带宽的限制，示波器的探头也有带宽的限制，因此在使用的时候要正确选用，以便满足测量的要求，为达到“平坦”的频率响应，多数的探头有“补偿”功能
-{{ :bw3db.png?500 |}}<WRAP centeralign>**3dB带宽的定义** </WRAP>
-{{ :samplefreq.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样频率** </WRAP>
+采样率 - 示波器的ADC对被采集的模拟信号进行量化的快慢，单位为sps（samples/second），采样率越高，两个采样点之间的间隔越短，从下面的图中可以看到，采样率越高，对原始信号的重现也就越接近。
-{{ :sampling1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样频率** </WRAP>
+{{ :samplefreq.png?800 |}}<WRAP centeralign>**较高的采样率有较小的失真** </WRAP>
-{{ :sampling3.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样频率** </WRAP>
+示波器的采样率一定要高于输入信号最高频率的2倍，这个频率被称为奈奎斯特频率。理论上讲，只需要一个周期有2个以上的采样点就可以重建这个信号，但实际上一个周期至少需要10-20个采样点才能在示波器上达到较好的观察效果。如果采样率不够 - 低于最高模拟信号频率的2倍，就会出现频谱的混叠现象，参见下图：
+{{ :aliasing1.png?800 |}}<WRAP centeralign>**采样率太低导致频谱混叠 - 得到较低频率的差频信号** </WRAP>
+在实际的测量中，为避免出现混叠频率，影响到自己的判断，一般都以最高的采样率进行测量，根据屏幕上的波形显示，如需要再逐步降低采样率，下面的图就是调低了采样率以后出现了混叠。
+{{ :aliasing2.gif |}}<WRAP centeralign>** 由于混叠在示波器上看到的波形效果 ** </WRAP>
+在整个数据采集的过程中，探头的带宽、模拟链路放大器的带宽、ADC前面抗混叠滤波器的设置以及ADC的采样率作为一个整体，决定了被测信号的上限模拟带宽（模拟信号）或数字信号的边沿速度。一般来讲一个20Msps采样率的ADC可以用于对2MHz以内的模拟信号进行采样 - 抗混叠滤波器的3dB转折点设置为为2MHz，其有效的截止频率为10MHz（奈奎斯特频率），这样可以避免非常陡峭的滤波器带来的人为混叠。
 #### 2.2 分辨率、动态范围及二者之间的关系
-{{ ::resolution1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样分辨率** </WRAP>
+量化的过程就是在给定的采样时间点将这个时刻的电压值变换成“数值”记录下来，这需要将输入的模拟信号与分等级（level）的信号进行比较得到，等级划分的粗细也就影响了量化后的数值结果与真实信息的差异，这个等级的划分层级也就是“分辨率”。显然，分辨率越高，量化好的精度也就越高，下面的三个图直观地显示了三个不同分辨率对采样精度的影响：
-{{ ::resolution2.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样分辨率** </WRAP>
+{{ ::resolution1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**4bit分辨率 - 16个比较等级** </WRAP>
-{{ ::resolution3.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样分辨率** </WRAP>
+{{ ::resolution2.png?500 |}}<WRAP centeralign>**5bit分辨率 - 32个比较等级** </WRAP>
+{{ ::resolution3.png?500 |}}<WRAP centeralign>**6bit分辨率 - 64个比较等级** </WRAP>
+被测信号能被分辨的最小电压变化取决于ADC的分辨率位数以及满量程的输入电压范围，它们之间的关系为：
+最小电压 = 满量程电压范围/ADC的等级数量
+例如ADC的满量程电压范围为3.3V（一般处理器自带的ADC都是以供电的3.3V为其参考电压），12位分辨率，则其能分辨的最小信号电压变化为 3.3V/4096 ～ 0.8mV
-#### 2.3 存储深度
+#### 2.3 存储（记录）深度
-{{ ::reclen1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样长度** </WRAP>
+一般来讲，数字示波器的采样率是非常高的，每次满足触发条件以后开始采样得到的数据要先缓存到存储器里面，等待处理器来进行数据的处理。对于设定好的采样率，一次触发以后能够记录的采样点的多少也就决定了一次测量事件可以被观察的持续时间，这个一次能够记录的采样点的数量就是记录深度。增大记录深度，就能增加可以观察的采样点的数量。如下面的3个图：
-{{ ::reclen2.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样长度** </WRAP>
-{{ ::reclen3.png?500 |}}<WRAP centeralign>**采样长度** </WRAP>
+{{ ::reclen1.png?500 |}}<WRAP centeralign>**一次记录12个采样点** </WRAP>
+{{ ::reclen2.png?500 |}}<WRAP centeralign>**一次记录24个采样点** </WRAP>
+{{ ::reclen3.png?500 |}}<WRAP centeralign>**一次记录36个采样点** </WRAP>
+越高的存储深度意味着可以观察到更多的信号细节，付出的就是存储器容量的增加。
 ### 3. 示波器的正确使用姿势
-#### 示波器的基本操作及要点
+#### 3.1 选取正确的量程
-##### 选取正确的量程
 最基本的设置如下图：
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   - 调节触发电平旋钮，直到电平处于波形垂直方向的中间位置
-### 3. 探头的正确使用
+#### 3.2 正确使用示波器的探头
 {{ :probepic.png?500 |}}
 {{ :scopeproble.png |}}
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 {{ ::probecomp.png?1000 |}}
-### xxx
+#### 3.3 设置好触发
-##### 耦合和极性
-##### 面板的操作
-##### 扫描
-### 触发
 一般都是最后才理解的功能，但是非常有必要理解的重要功能，类似同步的拍照，多数的示波器的同步都是基于信号的上升沿或下降沿到某一个设定的电平，DSO的缺省触发位置为屏幕的中间（水平）。
 {{ ::trigger_button.png |}}
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 一些高端的示波器有着更复杂的触发机制。
 {{ ::edge_trigger.png?500 |}}
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 {{ :triggerpanel.png?500 |}}
-### 存储
+#### 3.4 参数测量
-### 参数测量
 {{ :scopeexpand.png?500 |}}
 {{ :scopenoexpand.png?500 |}}
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 {{ :scopemeasure3.png?500 |}}
-### 频谱分析
+#### 3.5 频谱分析
-#### 垂直灵敏度,耦合,以及极性控制
-#### 水平灵敏度控制
-#### 垂直位置控制
-#### 水平位置控制
+----
-### 其它特性
-{{ :crosweep.gif |}}
-<WRAP centeralign> **A computer model of the sweep of the oscilloscope** </WRAP>
-Pictures of use
-{{ :240px-oscili_het_1.jpg |}}
-<WRAP centeralign> **Heterodyne** </WRAP>
-{{ :240px-oscilli_ac_hum_on_sound_leak.jpg |}}
-<WRAP centeralign> **AC hum on sound.** </WRAP>
- {{ :240px-oscilli_am_beam.jpg |}}
-<WRAP centeralign> **Sum of a low-frequency and a high-frequency signal.** </WRAP>
-{{ :240px-oscilli_noise_leak.jpg |}}
-<WRAP centeralign> **Bad filter on sine.** </WRAP>
-{{ :240px-oscilli_sep_time.jpg |}}
-<WRAP centeralign> **Dual trace, showing different time bases on each trace.** </WRAP>
 ### 4. 示波器的设计/DIY制作
-{{ :scopeblock.png |}} <WRAP centeralign>**数字存储示波器的内部构成 ** </WRAP>
+{{drawio>scopeblockdiagram.png}} <WRAP centeralign>**数字存储示波器的内部构成 ** </WRAP>
 #### 4.1 示波器的主要构成