示波器简介

▍示波器简介           

示波器是实验室中必不可少的测试和测量设备。它们用于显示、记录和分析电压波形，通常在时域中。在本指南中，我们将使用Moku： Lab的内置示波器介绍基本功能，同时学习示波器的一些重要概念和参数。这将帮助您更好地了解示波器的作用,通常的使用方式以及采样率、带宽、触发器等概念。

大多数现代示波器属于数字储存示波器（DSO）系列。本指南中介绍的大多数概念都是特定于DSO的。

▍什么是示波器？        

示波器是一种快速测量电压随时间变化的测量仪器。它记录电路中某些点的电压，并在屏幕上显示电压（Y轴）作为时间的函数（X轴）。它本质上是一种具有数据记录和绘图能力的非常快速的电压表（图1）。

图1：示波器可以被认为是一个快速电压表，它在给定的时间间隔内测量电压，然后记录并显示电压轨迹作为时间的函数。

示波器的一个关键特性是它可以测量和记录电压的速度。在规格表上，它被称为采样率。示波器的采样率通常由它在一秒钟内可以测量的点数来衡量。例如，Moku： Lab的示波器的最大采样率为500 MSa/s。即每秒500,000,000次测量。MSa/s代表每秒的兆采样（106）。理论上，仪器可以测量的最高频率限制为采样频率的½。这被称为奈奎斯特条件。然而，在大多数情况下，采样率不是示波器的限制因素。示波器的带宽描述了模拟输入可以处理的最高频率。它通常由具有-3 dB衰减的截止频率来描述。显著超出截止频率的信号会被衰减。采样率和带宽的结合是示波器的定义规格。采样率通常是围绕带宽设计的。现代示波器的采样率从每秒数百个兆样本到数十个千兆样本不等（109），带宽从数十兆赫兹到数千兆赫兹不等。更高的采样率和带宽通常提供更好的信号模式，尽管这是有代价的。根据经验，示波器的带宽应至少比要测量的信号的基频大3到5倍。为了捕获急剧上升/下降的特征，例如由许多不同频率的正弦波组成的方波，需要更大的带宽。

图2：示波器的两个最重要的规格：采样率和带宽。

▍输入设置         

我们已经介绍了示波器的基本功能和两个关键规格。现在，我们将检查一些细节。首先，输入设置。大多数示波器都有两个或四个输入通道。通道可以单独打开、关闭和配置。输入设置会改变模拟前端的配置方式，这主要影响显示器上的Y轴。Moku： Lab示波器的三个最重要的输入设置是：垂直刻度（输入范围）、耦合和阻抗。

垂直刻度：

刻度决定了Y轴上的电压范围。数字存储示波器通常具有有限的垂直分辨率（它们可以用来表示整个输入范围的点数）。最好尽可能使用整个输入范围。示波器中的垂直刻度通常与输入增益直接相关。在示波器上显示信号后，请相应地调整垂直刻度，以确保信号既不饱和也不填充不足。

耦合：

输入耦合决定信号的哪一部分（直流和交流）通过输入端。在直流耦合中，直流和交流分量都通过输入端。在交流耦合中，只允许交流分量通过输入端。当您想探测大直流偏移之上的小交流振荡时，这很有用。交流耦合的截止频率通常在50-60Hz左右。

阻抗：

阻抗决定输入负载电阻器的电阻。大多数示波器可以选择50Ω或1 MΩ。选择取决于信号的源阻抗。通常1 MΩ用于准确测量电压，因为它对输入信号的干扰较小，而50Ω用于测量高频功率并连接到具有50Ω阻抗的其他设备。

示波器通常使用探头连接电路，这些探头通常可以是1×或10×探头。1倍探头通过信号时没有幅度缩放，其中10×探头提供一个电阻分压器，可将信号缩放1/10。还可以在Moku： Lab输入设置中设置1×或10×探头类型，以便显示器正确反映探头缩放和实际信号幅度。

图3：Moku：Lab示波器的输入设置。您可以调整垂直刻度、更改输入耦合以及更改示波器的输入阻抗。

▍触发功能         

触发功能是示波器中最重要的机制之一。正如我们在上一节中所讨论的，示波器的采样率为几百MHz到几GHz。实际上，不可能在屏幕上连续显示和存储那么多的数据点。这就是触发机制发挥作用的地方。示波器不是连续捕获数据，而是在“触发”后捕获一定数量的数据点（即10,000个点）。触发后，示波器在屏幕上显示这10,000个点，然后等待下一次触发。如果触发事件发生的速度比示波器能够处理的速度快，它将忽略这些中间触发，直到示波器准备好进行下一次触发。这意味着屏幕上显示的波形可能不是连续的。相反，示波器会连续显示在每次触发事件中捕获的这些“快照”（图4）。大多数示波器都有“滚动”模式，无需触发即可连续捕获和显示数据点。然而，用于滚动模式的采样率通常要慢得多。

图4：示波器在屏幕上显示触发事件的快照。如果触发事件发生的速度超过示波器可以处理的速度，则显示的波形在时间上不是连续的。

触发条件：

示波器通常在其中一个输入通道上的电压上升/下降到一定水平时触发。例如，我们可以在输入1上的电压上升到1V时触发示波器。触发条件是高度可定制的，一些示波器具有更高级的触发条件。但是，我们不会在本入门教程中介绍它们。

触发模式：

在大多数示波器中，有三种不同的触发模式：“Auto”、“Normal”和“Single”。在“Auto”模式下，当示波器在一定时间后没有检测到触发事件时，就会发生“强制”触发。即使不满足触发条件，示波器也会始终显示最新获取的数据。在“Normal”模式下，只有在满足设置的触发条件时才会触发示波器。示波器将始终等待下一个触发事件，而不是应用“强制”触发。在“Single”模式下，示波器等待下一个触发事件。一旦触发，它将暂停屏幕并显示使用该触发器捕获的波形。

图5：Moku的触发设置：实验室示波器。您可以选择auto、normal和single触发模式。此外，您可以根据测量自定义触发条件。

▍时基（水平比例）     

现在我们将讨论X轴。示波器的时基控制水平轴的行为。通过调整时基，示波器将自动选择最佳采样率，平衡跟踪的长度（以时间为单位）和时间分辨率。为什么我们不总是使用最大采样率呢？正如我们之前提到的，示波器每个触发事件可以存储的点数受其内部存储器的限制。假设样本量为10,000个点。如果我们要观察的信号以1 Hz的频率振荡，那么在500 MSa/s时，10,000个点显示0.000002秒的数据。在这个速率下，我们无法接近1 Hz信号的全貌！因此，当我们调整X轴的比例时，采样率需要优化。分析的频率越低，时间基础越长，样本之间的差距就越大。

DSO具有有限的采样率。这意味着由示波器获取的数据点在时间上并不真正连续。要在时间轴上放大时在屏幕上显示连续波形，可以选择不同的插值模式。线性插值不执行任何上采样。要显示波形，需要在连续点之间绘制一条直线。这是“丑陋的”，但不会“发明”任何新的数据点。SinX/X插值保留了信号的频率特性。然而，在时域中，可能会出现信号中实际上不存在的过冲或下冲。高斯插值“平滑”了信号，以牺牲频率信息为代价保留了信号的时域视觉特性。

如果您尝试捕获的波形对于每个触发事件都是重复的，则有时将多个触发事件平均并显示平均波形是有用的。这应该会显着提高相对较弱信号的信噪比。

持久化设置允许您在屏幕上保留给定数量的旧波形（触发事件）。它有助于观察波形随时间的变化。

图6：Moku的时基设置：实验室示波器。采样率由水平刻度自动确定。

▍高级功能         

现在我们将讨论示波器内置的一些自动化功能。现代示波器可以测量捕获波形的各种特性，如幅度、频率等。因此，您可以让示波器自动为您计算输入波形的频率，而不是通过计算屏幕上的时间间隔来计算。大多数示波器还具有数学功能，例如：加、减，甚至对输入波形执行快速傅里叶变换（FFT）分析。所有这些功能的结合使现代示波器成为实验室中分析电路、通信信号等的实用工具。

图7：Moku： Lab示波器的数学和测量功能。橙色轨迹显示输入1和输入2的总和。输入1的峰峰值测量和通道2的频率测量显示在信号显示区域的底部。

感谢您阅读本示波器熟悉指南。您可以从苹果的App Store下载Moku： Lab应用程序并在演示模式下体验。有关Moku：Lab示波器特定功能的详细信息，请参阅示波器用户手册。