樂(lè)拓USB示波器免費(fèi)試用連載2 便攜USB示波器的基本使用（測(cè)量原理，AC/DC耦合，...

ID:412156 · 發(fā)表于 2020-8-19 13:36

項(xiàng)目名稱：A_基于樂(lè)拓示波器調(diào)試can通信產(chǎn)品過(guò)程

本貼基于上次開(kāi)箱，引入一個(gè)調(diào)整示波器探頭的調(diào)諧電容，從而會(huì)影響示波器信號(hào)波形的采集，我們來(lái)分析下基本原理：

上圖a為直連模式，此時(shí)相當(dāng)于直接用兩根導(dǎo)線將待測(cè)信號(hào)和示波器探頭連接起來(lái)。
上圖b為我們最常用到的示波器探頭，即無(wú)源探頭，探頭內(nèi)部是有衰減電阻和輸入等效電容，常見(jiàn)帶寬都是500MHz以下，而 OSC482M型號(hào)示波器配備的是P2060示波器探頭，詳細(xì)規(guī)格參數(shù)如下：

第三列：60MHz檔位（10x），表面該探頭有效帶寬為60MHz，超出該范圍使用會(huì)導(dǎo)致測(cè)量偏差較多。另外上升時(shí)間為5.8ns，輸入電容：1x檔在70-120pf，10x檔在14-18pf，可補(bǔ)償電容范圍為：15-45pf。輸入電阻為1MHE 10M歐姆。
另外還有有源探頭，有源區(qū)別是需要供電，內(nèi)部有運(yùn)放電路。還有差分探頭，電流探頭等。
下面再來(lái)看看該型號(hào)示波器的硬件參數(shù)：

垂直分辨率：8-13位
即該示波器內(nèi)ADC器件位數(shù)8位，示波器分辨率一般是硬件器件決定了的，要么8位、10位，12位或者14位，這里廠家寫了個(gè)范圍值，有可能采用的是14bit的ADC器件，實(shí)際使用可以去掉低位的數(shù)據(jù)，變換為更低位數(shù)。
如示波器的測(cè)量范圍是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能夠分辨的最小電壓為10V/256=39.06mV。所以選擇盡可能小的測(cè)量范圍，以便于獲得更準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。測(cè)量范圍±1V，8位分辨率分辨的最小電壓7.813mV。但注意需要考慮信號(hào)峰值。
最高采樣率：50M
采樣率的單位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。如過(guò)兩通道同時(shí)使用，最高采樣率減半。
奈奎斯特定律，熟不熟悉？簡(jiǎn)單的認(rèn)為采樣率僅為待測(cè)信號(hào)帶寬的2倍即可。
但實(shí)際是不行的，失真嚴(yán)重，一般需要提高3-5倍的采樣率，才能盡可能減小失真。
如下圖：我們采樣一個(gè)8MHz的晶體震蕩波形試試：

可以看到，右上角已標(biāo)明當(dāng)前采樣率50M，已達(dá)到該示波器標(biāo)稱極限，8Bit每位。
可以看到該示波器還是能較好的還原正玄波，底下的自動(dòng)測(cè)量測(cè)出頻率也很準(zhǔn)確。也不需要手動(dòng)去調(diào)整光標(biāo)再測(cè)算。
帶寬（-3dB） :20MHz
帶寬就是輸入一個(gè)正弦波，保持幅度不變，增加信號(hào)頻率，當(dāng)示波器上顯示的信號(hào)是實(shí)際信號(hào)幅度的70.7%(即3dB衰減)的時(shí)候，該對(duì)應(yīng)的頻率就等于示波器帶寬。但我們常測(cè)的卻是方波或數(shù)字信號(hào)居多，最常用的原則是選擇高信號(hào)頻率5倍的示波器。
所以我們這里的示波器大概可準(zhǔn)確測(cè)得 4MHz的信號(hào)。信號(hào)頻率越高失真越嚴(yán)重。

輸入靈敏度：10mV/格-2v/格，即示波器每格的最小單位。
輸入范圍（1x）:+-100mV - +-5V等7個(gè)固定量程。
時(shí)基：50ns - 25s/格，即橫軸時(shí)間最小單位。
存儲(chǔ)深度：512B - 62MB，存儲(chǔ)深度=采樣率*采樣時(shí)間，即能夠儲(chǔ)存多少樣本。

接下來(lái)還是實(shí)際到上位機(jī)界面測(cè)試下吧：
雙通道測(cè)試1KHz方波：

這里調(diào)整下探頭上的調(diào)整電容，發(fā)現(xiàn)波形出現(xiàn)變化（途中A信號(hào)補(bǔ)償不足，B信號(hào)過(guò)度補(bǔ)償），注意要使用塑料的螺絲刀，金屬會(huì)影響本身容值就很小的電容，導(dǎo)致調(diào)整不準(zhǔn)。

接著將PWM信號(hào)頻率調(diào)整到10KHz，發(fā)現(xiàn)探頭的補(bǔ)償效果減弱了，這就是剛才說(shuō)到采樣率的問(wèn)題，

我們將信號(hào)放大看看：

以經(jīng)可以見(jiàn)到三角波，其實(shí)這正是ADC采樣值的波動(dòng)，上下一個(gè)bit即會(huì)看到，有幾mv的變化，但是這不影響我們對(duì)常規(guī)基本信號(hào)的觀察和測(cè)量。因?yàn)槌Ｒ?guī)我們測(cè)量的都是低速信號(hào)，且對(duì)信號(hào)上升沿速度不關(guān)注，一般需要注意波形的變化趨勢(shì)和邏輯功能。
接下來(lái)講一下AC和DC耦合的區(qū)別，其實(shí)最重要的是DC直連，AC隔了電容，即我們測(cè)量AC的是交流信號(hào)，直流信號(hào)都被過(guò)濾了。所以AC最常應(yīng)用是測(cè)量電源紋波。
但是該示波器探頭內(nèi)并未配備交流的彈簧，這里不做測(cè)量信號(hào)分析，因?yàn)榈鼐€夾會(huì)引入更多的噪聲信號(hào)，導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，不具備測(cè)試意義。

這是為什么呢？這里就涉及高頻信號(hào)領(lǐng)域，我們學(xué)過(guò)高頻電子知識(shí)就可知道，頻率越高的信號(hào)就越容易產(chǎn)生EMC，而且信號(hào)回流路徑越長(zhǎng)，也會(huì)導(dǎo)致噪聲增大。這就是為什么高頻電路要求多點(diǎn)接地的原因。而電源紋波所包含高頻成分居多，所以我們這里就不做測(cè)試分析。

常見(jiàn)信號(hào)捕捉：我們實(shí)際使用示波器好像最常用的就是接上去看波形，哎，信號(hào)有沒(méi)有拉高，有沒(méi)有拉低，多少V？怎么變化的？
但是如果用好一個(gè)出發(fā)功能，則能讓波形的抓取事半功倍，這里就著重針對(duì)該示波器看看怎么觸發(fā)抓取波形。

如上圖，設(shè)置好上升沿觸發(fā)，選擇A通道，點(diǎn)擊單次觸發(fā)，拖動(dòng)T那里設(shè)置觸發(fā)電平閾值，只要有信號(hào)滿足從低到高超出閾值則會(huì)觸發(fā)抓取。這樣不用一直看著波形。

這里再上一個(gè)FFT的圖：

FFT是離散傅立葉變換的快速算法，可以將一個(gè)信號(hào)變換到頻域。有些信號(hào)在時(shí)域上是很難看出什么特征的，但是如果變換到頻域之后，就很容易看出特征了。這就是很多信號(hào)分析采用fft變換的原因。另外，F(xiàn)FT可以將一個(gè)信號(hào)的頻譜提取出來(lái)，這在頻譜分析方面也是經(jīng)常用的。
所以上圖下方可以看到該信號(hào)再頻域上的表現(xiàn)，橫軸是頻率，縱軸是幅值，第一個(gè)圈標(biāo)明該信號(hào)在8MHz的地方能量最強(qiáng)，而且這里可以看出能量峰值所在頻點(diǎn)的偏移有多少，即頻偏，怎么樣？是不是感覺(jué)很強(qiáng)大。右下方那個(gè)圈，表明有2倍頻的能量出來(lái)，不過(guò)很微弱。但是也能測(cè)出來(lái)。

總結(jié)：
1、示波器界面基本功能豐富，測(cè)量帶寬和采樣率滿足常見(jiàn)信號(hào)測(cè)量需求。
2、包含一個(gè)可調(diào)信號(hào)源輸出，實(shí)驗(yàn)測(cè)試方便。
3、AC/DC功能也可滿足常規(guī)測(cè)試，尤其FFT功能，能夠?qū)λ鶞y(cè)信號(hào)做進(jìn)一步分析。

下期將深入進(jìn)行示波器的實(shí)戰(zhàn)演練：基于can通信的測(cè)量和協(xié)議分析。

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