示波器、示波器基础用语、示波器功能介绍
本文以泰克TDS2000系列示波器为例
# 1 数字存储示波器(digital storage oscilloscope)
## 名词解释
1. 数字是相对于模拟而言，将连续的模拟信号转换为离散的数字信号
2. 存储是表征AD采集后的数据可以进行存储(有存储深度一说)
3. 示波器的根本目的是展示(显示)波形
# 2 基本原理
波形首先要通过探头，经由前端的放大器进行放大，之后由模数转换单元进行转换，进而存储到采集内存中，然后显示到显示器上。
下文中的参数设置 也就是在设置各个环节中需要调整的参数，以达到正确匹配所测波形的目的。
**其中采样转化的速度，采集数据的高速存储处理是示波器的核心技术。**
# 3 基本使用
使用示波器的目的是为了观测波形，在使用之前需要了解示波器的性能参数，以及在观测波形的过程中需要设置示波器的参数。那么如何设置参数呢？示波器有哪些性能参数？
## 示波器的性能参数
以下参数关乎示波器的性能，参数越高，性能越好，当然价格也就越贵。
**1. 带宽**
带宽是指信号幅值降低为原来的0.707倍(功率跌落一半)时的截止频率。也就是增益降低-3dB。
计算：-3dB = 10 * log(1/2)。
**带宽越大，能够测量的信号的频率就越高，否则高频信号就被滤掉了。
2. 采样率**
采样率是指AD在1秒钟的时间内采样的次数。根据采样定理，只要采样率高于信号频率的2倍，即可还原被采样信号。当然，为了更加准确，一般采样率 = （5~10）* 信号频率。
**3. 存储深度**
记录长度也叫存储深度，所有的数字示波器在经过AD采集后，被触发的信号都会存在一个存储空间里，这个存储空间的大小就是存储深度，并且，**存储深度 = 当前时基 * 10格 * 采样率**。
**4. 通道数**
也就是同时可测量的信号路数，不同通道之间可以对比分析。
**TDS2000的参数：**
*带宽 200MHz
采样率 2Gs/s
存储深度 2.4K
通道数 2*
## 抓取串口波形
*以抓取串口波形为例，简述需要设置的参数*
1. 串口参数
波特率115200，8位数据位，1位停止位
2. 通道1
使用示波器的通道1探头+ 连接串口的TX，探头- 连接GND
3. 时基选择
时基选择约10倍波形的周期，便于观察波形。115200的波特率，周期约为17.36us。这里选择250us的时基档位。
4. 通道参数
通道参数中的输入耦合方式需要注意，分为**AC/DC/GND耦合**
直流模式标注是DC，信号直流部分会经过处理并显示，对应的显示波形是信号全状态；
交流模式标注是AC，信号直流部分不会显示，对应的显示波形是交流部分；
接地标注是GND，实际是断开输入并把输入接地，目的是消除干扰，方便找零点。
5. 触发参数
触发参数的选取比较关键：
触发源：选择通道1 ，CH1
触发方式：有上升沿/下降沿，这里选择空闲状态下输出高电平，所以选择下降沿触发
**触发模式：有AUTO/NORMAL/SINGLE，也即是自动，正常，单序列**
由于我们需要抓取单次的波形，进行分析，所以模式可以选择SINGLE，也可以选择NORMAL,区别在于SINGLE一次触发后，需要手动再设置下，才能进入下一次触发。这里选择SINGLE模式。
6. 串口发送数据
串口发出数据，可以看到示波器上完美抓取到TX波形：
将时基调整为10us，同时调整Position水平旋钮。
**可以测量波形的周期为17.39us，与理论值17.36us几乎一致。**
# 4 问题与展望
1. 为什么时基较大时，采样的波形要失真？
根据 存储深度 = 当前时基 * 10格 * 采样率，带入参数计算：
时基选择100ms:
2.4K = 10 * 100ms * 采样率。可得采样率为：2.4Ks/s
时基选择100us:
2.4K = 10 * 100us * 采样率。可得采样率为：2.4Ms/s
显然，根据采样定理，对于串口115200bps的67.5K频率的信号，2.4Ks/s的采样率是无法还原波形的，进而出现波形失真。
2. ADC的采样速度高达2Gs/s(高端示波器可达100Gs/s)，数据如何高速采样，存储和处理？
这算是高端示波器的核心技术了，首先是高速ADC芯片的制作，再是高速数据的存储处理(串行还是并行？串行如何提高速度？并行如何校准/对齐数据？)，这部分国内还是没法突破的地方，高端ADC芯片禁运，高精尖仪器的生产受阻，自主研发之路任重而道远！
编辑于 2019-12-12 19:17
1、技术用语：带宽
指的是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7%时的频率值，即-3dB点(基于对数标度)。本规范指出示波器所能准确测量的频率范围。带宽决定示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，示波器对信号准确显示能力将下降。如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽，得到的关于信号的所有特性、响铃和振鸣等都毫无意义。
对于我们常说的电路带宽或系统带宽，指的是增益为-3dB时的频率点，为什么选-3dB呢？
对于带宽我们可以粗暴的理解为：系统的有效频率范围小于-3dB时的频点。
简单来说，比如一个系统-3dB的带宽是1Khz，那么只要系统输入信号小于1Khz，系统都能正常输出；对于所有超过1Khz的输入信号，会被很大程度地衰减，系统的输出接近为0。
增益的计算公式是：
G为增益，A是电压放大倍数（注意：是电压放大倍数），Vo为输出电压，Vi为输入电压。
G=-3dB时，A=0.707，换句话说，我们把系统放大倍数降低到0.707时的频点，定义为系统的带宽，如下图所示。
公众号：工程师看海
下图是一个一阶RC低通滤波器，截止频率Fc=1/(2πRC)=1Khz，也就是说输入1V的1Khz的信号，输出是0.707V&1Khz的信号。
公众号：工程师看海
公众号：工程师看海
红色是输入1Khz 1V的信号，绿色是输出是1Khz 0.7V的信号。
公众号：工程师看海
有同学会有这样的想法，为什么不把放大倍数降低为50%作为系统带宽？放大倍数低于50%的信号被抑制，放大倍数高于50%的信号可以正常通过系统，以50%作为分水岭（阈值）看起来更合理。
公众号：工程师看海
这是因为我们看系统的带宽是从功率（能量）的角度来看待的，上面系统增益的求解公式可改写为下面的公式：
Po是输出功率，Pi是输入功率，Ap是功率放大倍数（注意：是功率放大倍数），当系统增益G=-3dB时，功率放大倍数Ap刚好等于50%。
我们是从功率的角度，以50%作为分水岭，来区分通带和阻带，定义系统带宽的。
概括来说，-3dB点，即为半功率点，你学废了吗？
▲5倍准则(示波器所需带宽=被测信号的高频率成分Х5)使用5倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过±2%，一般已足够了。然而，随着信号频率的增加，这个经验准则已不再适用。带宽越高，再现的信号就越准确。
2、技术用语：上升时间
在数字世界中，时间的测定至关重要。在测定数字信号时，如脉冲和阶跃波可能更需要对上升时间作性能上的考虑 。示波器必需要有足够长的上升时间，才能准确的捕获快速变换的信号细节。
▲示波器上升时间=被测信号的快上升时间+5上升时间描述示波器的有效频率范围，选择示波器上升时间的依据类似于带宽的选择依据。示波器的上升时间越快，对信号的快速变换的捕获也就越准确。
3、技术用语：采样速率
采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内，采样输入信号的频率。表示为样点数每秒(S/S)。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丢失的概率就越小。如果需要观测较长时间范围内的慢变信号，则小采样率就变得较为重要。
计算采样速率的方法取决于所测量的波形类型，以及示波器所采用的信号重构方式。为了准确的再现信号并避免混淆，奈奎斯特定理规定，信号的采样速率必需不小于其高频率成分的两倍。然而，这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度，而且从定义上看，低频干扰是不连续的，所以采用两倍于高频率成分的采样速率是不够的。实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。
▲在使用正弦差值法时，为了准确再显信号，示波器的采样速率至少需为信号高频率成分的2.5倍。使用线性插值法时，示波器的采样速率应至少是信号高频率成分的10倍。
今天我们介绍示波器的采样和采集模式
采样概述
要了解示波器的采样和采集模式，需要先了解采样原理、混叠、示波器带宽和采样率、示波器上升时间、所需的示波器带宽以及存储器深度对采样率的影响。
采样原理
尼奎斯特采样定理 规定，对于具有最大频率 fMAX 且带宽有限的信号，等距采样频率 fS 必须大于最大频率 fMAX 的两倍，这样才能唯一地重建信号而不会产生混叠。
混叠 当信号采样不足 (fS < 2fMAX) 时，将发生混叠。混叠属于信号失真，是由于错误地从数量不足的采样点重建低频率而导致的。
图 24 混叠
示波器带宽和采样率
示波器带宽通常是指按 3 dB （-30% 幅度误差）衰减输入信号正弦波的最低频率。 对于示波器带宽，采样原理规定所需的采样率为 fS = 2fBW。但该原理假设频率分量都在 fMAX （在此情况下是 fBW）以下，并且需要具有理想的砖墙频率响应的系统。
图 25 理论上的砖墙频率响应
然而，数字信号的频率分量在基本频率 （方波由基本频率的正弦波和数量不限的
奇次谐波组成）之上，通常，对于 1 Ghz 及以下带宽，示波器具有高斯频率响应。
图 26 采样率和示波器带宽
因此，实际上，示波器的采样率应为其带宽的四倍或以上：fS = 4fBW。这样就会 减少混叠，并且混叠的频率分量会出现更大的衰减量。
文章推荐：
示波器采样率www.keysight.com/tw/zh/assets/7018-01454/application-notes/5989-5732.pdf
示波器上升时间
与示波器的带宽规格密切相关的是其上升时间规格。具有高斯类型的频率响应的 示波器的上升时间约为 0.35/fBW （基于 10% 至 90% 标准）。 示波器的上升时间不是示波器可精确测量的最快边沿速度。它是示波器可能产生 的最快边沿速度。
所需的示波器带宽
精确测量信号所需的示波器带宽主要由信号的上升时间而不是信号的频率决定。
您可以使用以下步骤计算所需的示波器带宽：
1 确定最快的边沿速度。 通常可从设计中使用的已发布设备规格中获得上升时间信息。
2 计算最大 “ 实际 ” 频率分量。 根据 Dr. Howard W. Johnson 的著作 《High-Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》所述，所有快速边沿都有数量不限的频率分量。 但是，快速边沿的频谱中存在一个转折点 （或称 “ 拐点 ”），在这个转折点 上，高于 fknee 的频率分量在确定信号形状时可以忽略不计。
fknee = 0.5 / 信号上升时间 （基于 10% - 90% 阈值）
fknee = 0.4 / 信号上升时间 （基于 20% - 80% 阈值）
3 对所需的精度使用倍增因数以确定所需的示波器带宽。
推荐阅读：
《选择具有适合您的应用的合适带宽的示波器》www.keysight.com/cn/zh/assets/7018-01455/application-notes/5989-5733.pdf
存储器深度和采样率
示波器存储器的点数是固定的 （在通道对之间分开时除外），存在一个与示波器 的模数转换器关联的最大采样率；但是，实际采样率由采集时间 （根据示波器的 水平时间 / 格定标设置）确定。
采样率 = 采样数 / 采集时间
例如，将 10 us 的数据存储在存储器的 10,000 个点中时，实际采样率是 1 GSa/s。
同样，将 1 us 的数据存储在存储器的 10,000 个点中时，实际采样率是 10 kSa/s。
实际采样率显示在 “ 水平 ” 菜单中 。 示波器通过丢弃 （减少）不需要的样本来获得实际采样率。
如何选择采样模式
示波器可在实时或等效时间采样模式中操作。 可在 “ 采集 ” 菜单 （通过按下 采集 [Acquire] 前面板按钮访问）中选择示波器的采样模式。
选择实时采样模式
在实时采样模式下，按统一的间隔对单个波形采样。请参见图 27。
图 27 实时采样模式
在捕获 （不重复）单冲波形或脉冲波形时使用实时采样模式。
1000B 系列示波器提供最高 500 MSa/s （打开两个通道时）或 1 GSa/s （打开 一个通道时）的实时采样率。
选择实时采样模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，选择采样来选择 “ 实时 ” 采样模式。
在实时采样模式中，当水平刻度设置为 20 ns 或更快速度时，示波器将使用 sine(x)/x 插值扩展水平时基。
选择等效时间采样模式
在等效时间采样模式 （又称为重复采样）下，将对多个波形进行采样，采用随机触发的不同延时产生更高效的采样率。
图 28 等效时间 （重复）采样模式
在等效时间采样模式下，有效采样率 将更高，因为采集样本的间隔时间较短。
等效时间采样模式需要具有稳定触发器的重复波形。
可使用等效时间采样模式捕获重复的高频信号，其采样率高于实时采样模式下提供的采样率。
请不要对单冲事件或脉冲波形使用等效时间模式。
当采样率与实时采样模式下提供的采样率相同时，等效时间采样模式的优点可以忽略不计。
在 1000B 系列示波器中，等效时间采样模式可以实现最高 40 ps 的水平分辨率 （相当于 25 GSa/s）。
选择等效时间采样模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，选择采样来选择 “ 等效时间 ” 采样模式。
选择采集模式
示波器可在 “ 普通 ”、“ 平均 ” 或 “ 峰值检测 ” 采集模式下工作。
可在 “ 采集 ” 菜单 （通过按下采集 [Acquire] 前面板键访问）中选择示波器的 采集模式。
选择 “ 普通 ” 采集模式
在 “ 普通 ” 采集模式下，将按顺序进行采集并显示。
选择 “ 普通 ” 采集模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。
3 继续按下采集方式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 普通 ”。
选择 “ 平均 ” 采集模式
在 “ 平均 ” 采集模式下，将进行采集并显示指定数量的采集的分组平均值。
使用 “ 平均 ” 采集模式可从波形中除去随机噪声，提高测量精度。
图 30 未进行平均的噪声波形
图 31 进行平均后的噪声波形
“ 平均 ” 采集模式可降低屏幕刷新率。
选择 “ 平均 ” 采集模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。
3 继续按下采集方式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 平均 ”。
4 按下平均次数并转动 输入旋钮以选择所需的数字 （2、4、8、16、32、 64、128 或 256）。
选择 “ 峰值检测 ” 采集模式
在 “ 普通 ” 或 “ 平均 ” 采集模式下，如果水平时间 / 格设置得较长，示波器的模数转换器的采样速度将使所产生的样本数超过示波器的数量有限的存储器能够存储的数量。
因此，一些样本将被丢弃 （减少），并且可能会漏掉信号中的窄偏移。
但在 “ 峰值检测 ” 采集模式下，将以最快的采样率进行采集，并存储与实际采样率关联的周期的最小值和最大值。这样，您就可以捕获水平时间 / 格设置较长的信号的窄偏移。
图 32 峰值检测波形
由于存储了采样周期的最小值和最大值，因此可使用 “ 峰值检测 ” 采集模式以避免波形混叠。
选择 “ 峰值检测 ” 采集模式：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下采集方式。
打开 / 关闭 sine(x)/x 插值
在将采样点显示为矢量 （不是点）并且打开 sine(x)/x 插值时，将在采样点之间绘制曲线。
如果关闭 sine(x)/x 插值，则绘制直线。
只有在将水平刻度设置为 20 ns 或更快速度时，sine(x)/x 插值的效果才明显。
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下 Sinx/x 使 sine(x)/x 插值 “ 关闭 ” 或 “ 打开 ”。
如何录制 / 回放示波器波形
可从输入通道或波罩测试输出中录制波形，使用 1000 帧的最大采集深度。 能够记录波罩测试输出对于长时间捕获异常波形非常有用。
录制波形
录制波形：
1 按下采集 [Acquire]。
2 在 “ 采集 ” 菜单中，按下波形录制。
3 在 “ 波形录制 ” 菜单中，按下模式。
4 继续按下模式软键或转动 输入旋钮以选择 “ 录制 ”。
选择要录制的源通道
1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 信源选择。
选择要录制的帧数
1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 终止帧。
开始 / 停止录制
1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按下 操作开始或停止录制。
选择已录制帧之间的间隔
1 在 “ 波形录制 ” 菜单 （采集 [Acquire] > 波形录制 > 模式 = 录制）中，按 下 时间间隔。
6大技巧让你的示波器物尽其用www.keysight.com/cn/zh/assets/7018-05607/ebooks/5992-2095.pdf
6大技巧帮助您充分利用认知你的示波器，涵盖基本的触发功能，探头选择，信号缩放调试，正确的采集模式等等。
示波器探头www.keysight.com/cn/zh/assets/7018-05627/application-notes/5992-2121.pdf
发布于 2021-07-19 08:05
4、技术用语：波形捕获速率
它是指示波器采集波形的速度。所有的示波器都会闪烁。也就是说，示波器每秒钟以特定的次数捕获信号，在这些测量点之间将不在进行测量。这就是波形捕获速率，表示为波形数每秒(wfms/s)。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别，且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性，并能极大的增加示波器快速捕获瞬时的异常情况，如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。
5、技术用语：记录长度
表示为构成一个完整波形记录的点数，决定了每个通道中所能捕获的数据量。由于示波器仅能存储有限数目的波形采样，波形的持续时间和示波器的采样速率成反比。
6、技术用语：触发能力
示波器的触发功能在正确的信号位置点同步水平扫描，决定着信号特性是否清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单脉冲波形。
7、技术用语：有效比特
它是示波器准确再现正弦信号波形的能力的度量。这个度量将示波器的实际错误同理论上理想的数字化仪进行比较。由于实际的误差数包括噪声和失真，所以必需指定信号的频率和幅度。
8、技术用语：频率响应
仅仅采用带宽是不足以保证示波器准确捕获高频信号的。示波器设定的目标是一个特定类型的频率响应：大平坦包络时延(MFED)。此类型的频率响应用小的过冲和阻尼振荡，提供极好的脉冲逼真度。由于数字示波器是由实际的放大器、衰减器、模数转换器(ADC)、连接器和继电器组成，MFED响应只是对目标值的一个逼近。不同厂家的产品的脉冲逼真度有着很大的不同。
9、技术用语：垂直灵敏度
垂直灵敏度指示垂直放大器对弱信号的放大程度，通常用每刻度多少毫伏来表示。多用途示波器能检测出的小伏特数的典型值约为1mv每垂直显示屏刻度。
10、技术用语：扫描速度
扫描速度表征轨迹扫过示波器显示屏的速度有多快，以便能够发现更细微的细节。示波器的扫描速度用时间(秒)/格表示。
11、技术用语：增益精度
增益精度是表征垂直系统对信号的衰减或放大的准确程度，通常用多少百分比误差来表示。
12、技术用语：垂直分辨率：
模数转换器的垂直分辨率，也就是数字示波器的垂直分辨率，是指示波器将输入电压转换为数字值的精确程度。垂直分辨率用比特数来度量。计算方法能提高有效的分辨率，例如高分辨率捕获模式。
13、技术用语：水平准确度
水平或者时基准确度是指在水平系统中，显示信号的定时的准确度，通常用多少百分比误差来表示。
按照结构和性能不同分类
①普通示波器。电路结构简单，频带较窄，扫描线性差，仅用于观察波形。
②多用示波器。频带较宽，扫描线性好，能对直流、低频、高频、超高频信号和脉冲信号进行定量测试。借助幅度校准器和时间校准器，测量的准确度可达±5%。
③多线示波器。采用多束示波管，能在荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形，没有时差，时序关系准确。
④多踪示波器。具有电子开关和门控电路的结构，可在单束示波管的荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形。但存在时差，时序关系不准确。
⑤取样示波器。采用取样技术将高频信号转换成模拟低频信号进行显示，有效频带可达GHz级。
⑥记忆示波器。采用存储示波管或数字存储技术，将单次电信号瞬变过程、非周期现象和超低频信号长时间保留在示波管的荧光屏上或存储在电路中，以供重复测试。
⑦数字示波器。内部带有微处理器，外部装有数字显示器，有的产品在示波管荧光屏上既可显示波形，又可显示字符。被测信号经模一数变换器（A/D变换器）送入数据存储器，通过键盘操作，可对捕获的波形参数的数据，进行加、减、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的运算，并显示出答案数字
