示波器基礎(chǔ)原理入門指南(上)

數(shù)字示波器的基本元素

每一臺(tái)數(shù)字示波器都具備四個(gè)基本功能模塊 – 垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)。為了理解數(shù)字示波器的整體功能，理解各個(gè)模塊的功能至關(guān)重要。
數(shù)字示波器前面板的大部分區(qū)域均用于控制垂直、水平和觸發(fā)功能，因?yàn)榇蟛糠直匦璧恼{(diào)節(jié)工作都是由這些功能來(lái)完成。垂直功能部分通過(guò)控件改變“volts per division”（每格電壓值）數(shù)值來(lái)控制信號(hào)的衰減或放大，使信號(hào)能夠以適當(dāng)幅度進(jìn)行顯示。水平控件與儀器的時(shí)基有關(guān)，其“每格秒數(shù)”控件用于確定顯示屏上水平每格所代表的時(shí)間量。觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行信號(hào)穩(wěn)定化處理以及示波器初始化等基本功能以進(jìn)行信號(hào)采集，用戶可以選擇并修改具體觸發(fā)類型。而最后的顯示系統(tǒng)則包括顯示器本身和顯示驅(qū)動(dòng)器，以及用于執(zhí)行顯示功能的軟件。

垂直系統(tǒng)

該系統(tǒng)（圖 4）讓用戶能夠垂直定位和縮放波形，選擇輸入耦合方式，以及修改信號(hào)特征使其以特定方式顯示在屏幕上。用戶可以將波形垂直放置在顯示屏上的精確位置，并增加或者縮小其大小尺寸。所有示波器的顯示屏幕上均設(shè)有柵格，用于將屏幕上的可視區(qū)域劃分為 8 個(gè)或者 10 個(gè)垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說(shuō)，對(duì)于顯示柵格有 10格的示波器來(lái)說(shuō)，如果總體可顯示的電壓為 50 V，那么每格代表 5 V。

圖 4：垂直系統(tǒng)

8格、10格或者其它一些柵格在選擇上是隨意的，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)通常會(huì)選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會(huì)對(duì)顯示比例造成影響，有些探頭不會(huì)對(duì)信號(hào)造成衰減（1X 探頭），有些探頭會(huì)有 10 倍衰減功能 (10X 探頭)，有些甚至可以達(dá)到 1000 倍衰減。探頭的問(wèn)題會(huì)在下文再進(jìn)行討論。

前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號(hào)被探頭捕捉，到經(jīng)過(guò)線纜傳入儀器的整個(gè)過(guò)程的信號(hào)傳輸。直流耦合提供 1 M歐姆或者 50 歐姆的輸入耦合阻抗。

選擇 50 歐姆的輸入耦合可以將輸入信號(hào)直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實(shí)現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對(duì)應(yīng)的 1M 歐姆端子數(shù)值）會(huì)在縱向增益放大器前方放置一個(gè)放大器，通常在所有情況下均將帶寬限制為 500 MHz。如此高阻抗的好處在于提供了內(nèi)在的高電壓保護(hù)。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)連接，0-V 的點(diǎn)會(huì)顯示在屏幕上。

其它與垂直系統(tǒng)相關(guān)的電路還包括一個(gè)帶寬限制器，用于在對(duì)顯示波形進(jìn)行降噪時(shí)衰減高頻信號(hào)成分。許多示波器還利用一個(gè) DSP 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來(lái)擴(kuò)展儀器帶寬，通過(guò)調(diào)整示波器通道的相位和幅值響應(yīng)使儀器帶寬超出前端的原始響應(yīng)。然而，這些電路要求采樣率滿足奈奎斯特定理 —— 采樣率必須大于信號(hào)最大基頻的兩倍。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，儀器通常會(huì)被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無(wú)法降低采樣率以察看更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。

水平系統(tǒng)

相對(duì)于垂直系統(tǒng)，水平系統(tǒng)與信號(hào)采集更相關(guān)，強(qiáng)調(diào)采樣率、存儲(chǔ)深度以及其它與數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換直接相關(guān)的性能指標(biāo)。

采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為采樣間隔，樣點(diǎn)值代表保存在存儲(chǔ)器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為波形間隔，由于一個(gè)波形點(diǎn)可能建立在多個(gè)采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上，因此兩者是相關(guān)的，有時(shí)也可能具有相同的數(shù)值。

一般示波器的采集模式菜單非常有限，因?yàn)橐粋€(gè)通道只能產(chǎn)生一個(gè)波形，用戶只能選擇一種采樣類型或者一種波形算法類型。但是，某些示波器可以在一個(gè)通道上并行顯示三個(gè)波形，而且各個(gè)波形都可以對(duì)采樣類型和波形算法類型進(jìn)行組合。典型的模式包括：

• 采樣模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，均由一個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)波形點(diǎn)。
• 高分辨率模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形間隔的平均采樣點(diǎn)。
• 峰值檢測(cè)模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形內(nèi)的最小采樣點(diǎn)和最大采樣點(diǎn)。
• RMS：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點(diǎn) RMS 值。這與瞬時(shí)功率成比例。

典型的波形算法模式包括：
• 包絡(luò)模式：基于由至少兩個(gè)觸發(fā)事件所捕捉的波形，示波器會(huì)生成一個(gè)邊界（包絡(luò)線）來(lái)表示波形的最大值和最小值。
• 平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個(gè)波形間隔樣本的平均值。

觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)器是每個(gè)數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號(hào)事件進(jìn)行詳細(xì)分析以及提供穩(wěn)定的重復(fù)波形視圖。觸發(fā)系統(tǒng)的精度及其靈活性決定了如何顯示以及分析測(cè)量信號(hào)。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測(cè)量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)。

模擬觸發(fā)

示波器的觸發(fā)器（圖 5）確保為重復(fù)信號(hào)的持續(xù)監(jiān)視提供穩(wěn)定的波形顯示。作為對(duì)特定事件的響應(yīng)，觸發(fā)器在隔離和顯示諸如“矮波”邏輯電平等具體信號(hào)特征以及通道之間由串?dāng)_、緩慢邊緣或者無(wú)效定時(shí)所引起的信號(hào)干擾時(shí)非常有用。觸發(fā)類型的數(shù)量以及觸發(fā)器的靈活性歷年來(lái)一直在不斷進(jìn)步。

圖 5：模擬觸發(fā)系統(tǒng)

“數(shù)字”示波器是指對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣并將其保存為離散數(shù)字值的儀器，而一般示波器的觸發(fā)系統(tǒng)則一直用于處理原始測(cè)量的模擬信號(hào)，因此稱之為模擬觸發(fā)系統(tǒng)。

輸入放大器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其幅值與 ADC 和顯示器的工作范圍相匹配，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的信號(hào)從放大器輸出之后會(huì)并行發(fā)送至模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及觸發(fā)系統(tǒng)。

ADC 會(huì)通過(guò)一條路徑對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣，數(shù)字化的樣本數(shù)值會(huì)被寫入到采集存儲(chǔ)器當(dāng)中；而在另一條路徑上，觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)與有效的觸發(fā)事件（比如信號(hào)跨越了“邊緣”觸發(fā)的觸發(fā)門限）進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)發(fā)生有效的觸發(fā)條件時(shí)，示波器會(huì)最終確定 ADC 的樣本并處理和顯示所需的波形。測(cè)量信號(hào)一旦跨越觸發(fā)電平，便會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有效的觸發(fā)事件。然而，為了讓信號(hào)能夠在顯示器上準(zhǔn)確顯示，必須提供精確的觸發(fā)點(diǎn)定時(shí)。否則，所顯示的波形將不會(huì)與觸發(fā)點(diǎn)（觸發(fā)電平與觸發(fā)位置的交點(diǎn)）重疊。

而這可能由多種因素所導(dǎo)致。首先，觸發(fā)系統(tǒng)中的信號(hào)會(huì)通過(guò)比較器與觸發(fā)門限進(jìn)行比較，而比較器輸出端的邊緣時(shí)間必須利用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。

如果 TDC 的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，那么所顯示的波形與觸發(fā)點(diǎn)之間出現(xiàn)偏移，并且每個(gè)觸發(fā)事件都會(huì)改變這一偏移量，導(dǎo)致觸發(fā)抖動(dòng)。

另一個(gè)因素是測(cè)量信號(hào)的兩條路徑中存在誤差源。信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)兩條不同的路徑進(jìn)行處理（ADC 的采集路徑以及觸發(fā)系統(tǒng)路徑），兩者均含有不同的線性以及非線性失真。這導(dǎo)致所顯示的信號(hào)與確定的觸發(fā)點(diǎn)之間存在系統(tǒng)錯(cuò)配。在最壞的情況中，即便可以在顯示器上看到這些觸發(fā)事件，觸發(fā)器也將無(wú)法對(duì)有效的觸發(fā)事件作出響應(yīng)，或者觸發(fā)器會(huì)對(duì)那些采集路徑無(wú)法捕捉和顯示的觸發(fā)事件作出響應(yīng)。

最后一個(gè)因素是兩條路徑中存在不同的噪聲源，這些噪聲源包括具有不同噪聲等級(jí)的放大器。這將引起延遲和幅值差異，表現(xiàn)在顯示屏上就是觸發(fā)位置出現(xiàn)偏移（抖動(dòng)）。而當(dāng)以數(shù)字觸發(fā)方式來(lái)工作的時(shí)候，觸發(fā)器將不會(huì)出現(xiàn)這些誤差。

數(shù)字觸發(fā)

與模擬觸發(fā)系統(tǒng)相反，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)（圖 6）直接對(duì) ADC 所采集的樣本進(jìn)行操作，信號(hào)不會(huì)被分離為兩條路徑，而是對(duì)所需的同一路信號(hào)進(jìn)行處理并顯示出來(lái)。于是，將可從根本上避免模擬觸發(fā)系統(tǒng)所存在的信號(hào)損傷。為了評(píng)估觸發(fā)點(diǎn)，數(shù)字觸發(fā)器將采用精確的 DSP 算法來(lái)檢測(cè)有效的觸發(fā)器事件，并準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間戳。執(zhí)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理所面臨的挑戰(zhàn)在于需要無(wú)縫監(jiān)視測(cè)量信號(hào)。比如，R&S?RTO 系列示波器中的數(shù)字觸發(fā)器采用了 8 位 ADC 以 10GS/s 的速率進(jìn)行采樣，并以 80 Gb/s 的速率來(lái)處理數(shù)據(jù)。