硬件笔记——示波器篇

一、示波器的参数

示波器的输入通道可以被看作是一个低通滤波器，对高频信号有衰减。

带宽就是半功率点的频率，在该点处测量的波形幅度衰减到实际幅度的0.707倍，即-3dB。

在示波器的带宽选择上，通常遵循"五倍法则"。如果你要测量100MHz的数字信号，建议选择至少500MHz带宽的示波器，以保留高次谐波，确保波形不失真。

波器每秒钟记录多少个数据点，单位通常为Sa/s，GSa/s或MSa/s。采样率不够，波形就会失真。原本是方波，采样点太稀疏，连起来可能就变成了三角波。

根据奈奎斯特定理，采样率至少要是信号频率的2倍，但在实际工程中，为了观察波形细节，采样率通常需要是带宽的5到10倍。

注意示波器厂家标注的采样率都是最高采样率，实际使用时采样率还要受存储深度的影响。

存储深度是指示波器一次最多能存多少个采样点。如果用相机类比，采样率是按快门的速度，存储深度就是相机的内存卡容量。存储深度不够，在观察长时间信号时，示波器为了不让内存卡存满，会被迫降低采样率，导致波形的细节全部丢失。

垂直方向（Y轴）上有8个方格，表示yi电压值。图中屏幕左下角显示的1.00V表示垂直方向每一格代表1V电压，假如此时一个信号在垂直方向上占据2格，那么它的电压就是2V。
在水平方向（X轴）上有10个方格，表示时间。图中屏幕中下方的200us表示水平方向每一格代表200us时间，假如此时一个信号的周期（波形重复出现时所跨越的时间长度）在水平方向上占据4格，那么它的周期就是200us * 4 = 800us。
在水平刻度旁边有一个"5.00M次/秒"，表示采样率，即示波器每秒采集500W个点。在水平方向一格200us的情况下，一格就有1000个点，屏幕上总共10格，整个屏幕上共有1W个点。
在采样率下方还有一个"10k点"，表示存储深度。

在Vertical（垂直的）区域，会给每一路采集信号配备一个上方旋钮Position和下方旋钮Scale。旋转上方旋钮时波形上下移动，旋转下方旋钮时波形会变高变矮。
在Horizontal（水平的）区域，各路信号共用一个上方旋钮Position和下方旋钮Scale。旋转上方旋钮时波形左右移动，旋转下方旋钮时波形会变胖变瘦。

示波器的工作原理是截取一段一段的波形逐帧放在显示器上，如果不告诉示波器如何截取波形，你看到的波形就可能是移动的。以上这三个按键：Single、Trigger（触发）中的Menu按键和Level旋钮就是用来告诉示波器如何截取波形的。

比如我们现在要示波器找到第一通道上升边沿的680mV那个点作为中心点来截取波形，这样截取的每一帧就都是一样的了，看到的也就是一个禁止的画面。

按下Menu后，屏幕上会跳出一个菜单：
此时旋转Level旋钮，将屏幕右侧水平方向的箭头移动到波形的高度区域内时，画面就静止了。屏幕右下角的"CH1:680mV"代表水平方向箭头所指的电压值，这就是我们设置的电压值：

注意记得按Run/Stop按键，上文已经提到Horizontal区域的上方旋钮Position可以使波形左右移动，将当前窗口向左移动可以看到触发点之后发生的更多信号，而能回看多少取决于存储深度。测量的时间不能太差，否则要不爆存储深度，要不降低采样率

以上方法可以测量周期性的波形，但对于脉冲这种只会在屏幕上显示一次，瞬间就没有的波形，就需要用到Single（单次触发）按键来替代刚刚的边沿触发了。它可以帮你捕获你想要的波形，然后截取这一帧暂停了给你看。

假设我们需要捕捉开关闭合时上电的异常，首先把捕捉电压设置为16V，按下Single键，当示波器在截取的波形中找到带有上升超过16V的特征波形时，就会把这一帧放在显示器上。

按下Cursor按键后会弹出测量的卡尺和菜单，你可以选择是测量时间（X轴）还是测量幅值（Y轴），并旋转最大的旋钮来移动卡尺位置。

注意：有些示波器，按下该旋钮可以从选中一条光标切换到选中另一条光标，再按一下还可与同时选中，保持间距联动调节两条光标位置。而显示模式中可以调节是显示X轴光标还是Y轴光标。

如图，按下Measure按键后添加需要测量波形参数：

周期：测量完成第一个循环所需的时间。
上升时间：信号从10%上升到90%所用的时间。下降时间同理。
正/负脉冲宽度：从上升沿的门限中间值到下降沿的门限中间值所用的时间。
峰峰值Vpp：波形最高点（正峰值）到最低点（负峰值）之间的电压差。
幅值Vamp：峰峰值是最原始的最高点减去最低点，包含所有的毛刺和噪声。而幅值是峰峰值自动剔除掉顶部的毛刺和底部的过冲后的波形。一般来说峰峰值用来看信号干不干净，如纹波测试。而幅值用来看信号电平对不对。
峰值Vp：波形从零电平（参考地）到最高点或最低点的最大距离。
有效值Vrms = 0.707 × Vp：在相同阻值的电阻上产生与该交流电相同热量的直流电压值。家用电220V指的就是有效值，而非峰值。在计算功耗、发热时必须使用有效值。
平均值Vavg：指信号在一个周期内的数学平均数。对于纯净的对称交流电（如标准正弦波），其一个周期的平均值为0。在测量带有直流偏移的信号时，平均值反映了信号中的直流分量。