通用數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本功能及技術(shù)參數(shù)

這套課程首先給大家介紹一下通用示波器的一些基本功能，由我們的工程師來(lái)做實(shí)際的操作演示，全面了解構(gòu)成一款示波器最基本的功能以及相應(yīng)的參數(shù)，并在我們自己的DIY示波器中實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的一些最基本、最核心的相應(yīng)的功能。

參照的是Tektronix的TBS1202B，這是一款經(jīng)濟(jì)型的通用數(shù)字存儲(chǔ)示波器。其它的通用數(shù)字示波器在指標(biāo)、功能以及操作界面方面有些許的差別，但它們的主要功能、控制機(jī)制以及接口方式基本上都是類似的。

實(shí)物圖片

官網(wǎng)圖片

先來(lái)看看示波器最主要的功能及指標(biāo):

從儀器的面板上可以看出它是一款雙通道200MHz、2Gsps的數(shù)字示波器，200MHz（Hz為頻率的單位）表示這款示波器能夠觀察的模擬信號(hào)的帶寬（3dB）為200MHz，后者2Gsps（sps - 每秒的樣點(diǎn)數(shù)）表示這款示波器內(nèi)部的ADC采樣率最高為2Gsps，這兩個(gè)指標(biāo)有一定的關(guān)聯(lián)，模擬帶寬越高，需要的采樣率也就越高，但并非一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，比如2Gsps采樣率的示波器有50MHz模擬帶寬的，也有100MHz、200MHz帶寬的。這兩個(gè)指標(biāo)都非常重要，有時(shí)候我們說(shuō)這是個(gè)100M的示波器，要弄清楚這里的100M是指100MHz的模擬帶寬，還是100Msps的采樣率。

二者之間的關(guān)系我們會(huì)在后面的課程中還會(huì)做詳細(xì)介紹。

從官網(wǎng)的產(chǎn)品介紹中可以看到它的記錄長(zhǎng)度為2500個(gè)點(diǎn)，也就是說(shuō)一次采集能夠獲取并保留2500個(gè)點(diǎn)到存儲(chǔ)器中，可用于后期的處理、縮放顯示等。

那我們的DIY示波器能做到多少呢？

雙通道

模擬帶寬 - 100KHz

ADC采樣率 - 2.5Msps（單通道）、1.25Msps（雙通道）

記錄長(zhǎng)度：256個(gè)點(diǎn)（顯示屏為128*128個(gè)點(diǎn)，顯示區(qū)域設(shè)定為100*100）

我們用于DIY示波器的板卡實(shí)物

我們用于DIY示波器的功能框圖

相比起來(lái)指標(biāo)很低，但麻雀雖小，五臟俱全，對(duì)于理解示波器的構(gòu)成原理已經(jīng)足夠，100KHz的模擬帶寬以及2.5Msps的采樣率對(duì)于我們常用到的音頻信號(hào)也已經(jīng)足夠，對(duì)于學(xué)習(xí)模擬電路的原理也能派上用場(chǎng)了。

下面我們?cè)購(gòu)脑摦a(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)中看一下更具體的指標(biāo)參數(shù)：

我們知道任何一個(gè)電信號(hào)都可以分解成多個(gè)單頻信號(hào)的疊加，而每個(gè)單頻信號(hào)的兩個(gè)主要參數(shù)為幅度和頻率（相位），示波器的主要功能就是將隨時(shí)間變化的電信號(hào)以通過(guò)二維的顯示屏幕，以圖形化的方式展示出來(lái)，在縱軸方向展示電壓的變化、在水平軸方向展示隨時(shí)間的變化。

顯示屏幕周邊的旋鈕就是用來(lái)調(diào)節(jié)這些圖形在水平和垂直方向的刻度，對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行縮放和移動(dòng)顯示，以及其它的一些設(shè)置功能。

除了 能淋漓盡致地顯示波形之外，示波器還有測(cè)量波形參數(shù)的功能，可以自動(dòng)測(cè)量，也可以手動(dòng)測(cè)量，主要測(cè)量下面的一些參數(shù)：

與電壓相關(guān)的特性參數(shù)：

幅度

最大和最小電壓

平均電壓

與時(shí)間相關(guān)的特性參數(shù)：

信號(hào)的頻率和周期

占空比

上升時(shí)間和下降時(shí)間

參數(shù)測(cè)量的設(shè)置菜單

我們先看一下電壓方面的指標(biāo)：

垂直分辨率 -?8?bits，也就是內(nèi)部使用了8位的ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化

輸入信號(hào)靈敏度范圍：-?2mV to 5?V/div

DC增益準(zhǔn)確度：±3%, 從10mV/div到5?V/div

最大輸入電壓范圍：300?VRMS?CAT II; derated at 20?dB/decade above 100?kHz to 13?Vp-p?AC at 3?MHz and above

偏移電壓范圍：2?mV to 200?mV/div: ±1.8?V，?>200?mV to 5?V/div: ±45?V

帶寬限制：20?MHz

輸入耦合方式：AC, DC, GND

輸入阻抗：1?MΩ 并聯(lián)20?pF

再看看水平軸方向與時(shí)間、頻率、相位相關(guān)的指標(biāo)：

時(shí)基范圍：2.5?ns to 50?s/div

時(shí)基準(zhǔn)確度：50?ppm

我們?cè)倏匆幌率静ㄆ鞯闹饕獦?gòu)成部分的相應(yīng)功能：

一個(gè)典型的數(shù)字示波器的功能框圖

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：

采集模式

峰值檢測(cè) - 針對(duì)高頻信號(hào)或隨機(jī)毛刺信號(hào)的捕捉，能夠捕捉到窄至12ns的信號(hào)

取樣

平均：波形平均，可以選擇4、16、64、128個(gè)波形進(jìn)行平均

單次采集

滾動(dòng)采集

觸發(fā)系統(tǒng)：

外部觸發(fā)輸入

觸發(fā)模式：自動(dòng)、正常、單序列

觸發(fā)類型：

邊緣觸發(fā)

視頻觸發(fā)

脈沖寬度觸發(fā)?(或毛刺)

觸發(fā)源：雙通道模式：CH1, CH2, Ext, Ext/5, AC Line

觸發(fā)查看：讀出觸發(fā)信號(hào)的頻率

波形測(cè)量：

使用光標(biāo)手動(dòng)測(cè)量

類型：幅度、時(shí)間

能夠測(cè)量：ΔT, 1/ΔT, ΔV

自動(dòng)測(cè)量：周期、頻率、脈寬、峰峰值。。。。。。

波形計(jì)算

算術(shù)：加、減、乘

數(shù)學(xué)函數(shù)：FFT，2048個(gè)樣品點(diǎn)

FFT：加窗：Hanning, Flat Top, Rectangular

源：雙通道模式：CH1 - CH2, CH2 - CH1, CH1 + CH2, CH1 × CH2

時(shí)域波形和對(duì)應(yīng)的頻譜

自動(dòng)設(shè)置

自動(dòng)設(shè)置菜單

方波

正弦波

視頻 (NTSC, PAL, SECAM)

自動(dòng)調(diào)節(jié)范圍- 采用最合適的采樣率、增益、顯示刻度

頻率計(jì)數(shù)器

分辨率：6位數(shù)字

準(zhǔn)確度:?+ 51?parts per million including all frequency reference errors and +1?count errors

頻率范圍：AC coupled, 10?Hz minimum to rated bandwidth

頻率計(jì)數(shù)器的信號(hào)源

顯示系統(tǒng)

內(nèi)插：Sin (x)/x

波形風(fēng)格：點(diǎn), 矢量

暫留時(shí)間：關(guān), 1秒, 2秒, 5秒,?無(wú)限

格式：YT和XY

基于以上針對(duì)常規(guī)示波器的功能總結(jié)，我們就可以設(shè)定我們的DIY示波器要實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)了：

在后續(xù)的嵌入式系統(tǒng)編程部分的課程中我們就帶著大家一步一步實(shí)現(xiàn)上面表格中的功能，完成了這些功能，也就是實(shí)現(xiàn)了一個(gè)完整的示波器的功能。從軟件編程的角度，更多的功能都是可以通過(guò)編程進(jìn)行支持的，但技術(shù)指標(biāo)則受限于如下的一些因素：

模擬鏈路的性能- 按照100KHz的模擬帶寬設(shè)計(jì)，增益的調(diào)整設(shè)定了1:1和10:1兩種，但由于我們使用的ADC為12位精度，也能夠處理2mVpp到50Vpp范圍的模擬信號(hào)；

STM32G031內(nèi)部的ADC采樣率為2.5Msps，如果雙通道同時(shí)工作，則降為1.25Msps/通道，采集100KHz的正弦波，一個(gè)周期內(nèi)能夠有12.5個(gè)采樣點(diǎn)；

STM32G031內(nèi)部RAM只有8KB，既要用于數(shù)據(jù)采集又要用于波形的顯示以及其它的數(shù)據(jù)處理，因此每次采集能夠存儲(chǔ)的波形控制在256個(gè)點(diǎn)，這也是在FFT中使用的點(diǎn)數(shù)；

顯示區(qū)域：商用的示波器顯示屏都比較大，TBS1202B的分辨率為800*480，顯示信息量比較大，我們采用了128*128的OLED顯示屏，顯示區(qū)間很小，比較合適的顯示區(qū)域是100*100；

輸入控制：通用示波器面板上的旋鈕很多，能夠支持多種功能，而我們的DIY示波器只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器和兩個(gè)按鍵，比較簡(jiǎn)單，需要在小的顯示屏幕上顯示更多的功能，在菜單設(shè)計(jì)上需要下很大的功夫，在支持的功能上也只能簡(jiǎn)化一些。

在正式的課程之前，大家可以觀看一下硬禾學(xué)堂和Tek合作制作的示波器系列視頻。

下一節(jié)我們來(lái)看一下“電信號(hào)”的基本指標(biāo)。

　　審核編輯：湯梓紅