乐拓USB示波器连载2便携USB示波器的基本使用（测量原理，AC/DC耦合，常见信号捕捉）

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wowo2018发表于 2020-8-19 14:06 | 只看该作者

乐拓USB示波器连载2便携USB示波器的基本使用（测量原理，AC/DC耦合，常见信号捕捉）

项目名称：A_基于乐拓示波器调试can通信产品过程

本贴基于上次开箱，引入一个调整示波器探头的调谐电容，从而会影响示波器信号波形的采集，我们来分析下基本原理：

上图a为直连模式，此时相当于直接用两根导线将待测信号和示波器探头连接起来。
上图b为我们最常用到的示波器探头，即无源探头，探头内部是有衰减电阻和输入等效电容，常见带宽都是500MHz以下，而 OSC482M型号示波器配备的是P2060示波器探头，详细规格参数如下：

第三列：60MHz档位（10x），表面该探头有效带宽为60MHz，超出该范围使用会导致测量偏差较多。另外上升时间为5.8ns，输入电容：1x档在70-120pf，10x档在14-18pf，可补偿电容范围为：15-45pf。输入电阻为1MHE 10M欧姆。
另外还有有源探头，有源区别是需要供电，内部有运放电路。还有差分探头，电流探头等。
下面再来看看该型号示波器的硬件参数：

垂直分辨率：8-13位
即该示波器内ADC器件位数8位，示波器分辨率一般是硬件器件决定了的，要么8位、10位，12位或者14位，这里厂家写了个范围值，有可能采用的是14bit的ADC器件，实际使用可以去掉低位的数据，变换为更低位数。
如示波器的测量范围是±5 V ，峰峰值10V，表示示波器能够分辨的最小电压为10V/256=39.06mV。所以选择尽可能小的测量范围，以便于获得更准确的测量结果。测量范围±1V，8位分辨率分辨的最小电压7.813mV。但注意需要考虑信号峰值。
最高采样率：50M
采样率的单位是MS/s(Megasamples per second)或GS/s(Gigasamples per second)。如过两通道同时使用，最高采样率减半。
奈奎斯特定律，熟不熟悉？简单的认为采样率仅为待测信号带宽的2倍即可。
但实际是不行的，失真严重，一般需要提高3-5倍的采样率，才能尽可能减小失真。
如下图：我们采样一个8MHz的晶体震荡波形试试：

可以看到，右上角已标明当前采样率50M，已达到该示波器标称极限，8Bit每位。
可以看到该示波器还是能较好的还原正玄波，底下的自动测量测出频率也很准确。也不需要手动去调整光标再测算。
带宽（-3dB） :20MHz
带宽就是输入一个正弦波，保持幅度不变，增加信号频率，当示波器上显示的信号是实际信号幅度的70.7%(即3dB衰减)的时候，该对应的频率就等于示波器带宽。但我们常测的却是方波或数字信号居多，最常用的原则是选择高信号频率5倍的示波器。
所以我们这里的示波器大概可准确测得 4MHz的信号。信号频率越高失真越严重。

输入灵敏度：10mV/格-2v/格，即示波器每格的最小单位。
输入范围（1x）:+-100mV - +-5V等7个固定量程。
时基：50ns - 25s/格，即横轴时间最小单位。
存储深度：512B - 62MB，存储深度=采样率*采样时间，即能够储存多少样本。

接下来还是实际到上位机界面测试下吧：
双通道测试1KHz方波：

这里调整下探头上的调整电容，发现波形出现变化（途中A信号补偿不足，B信号过度补偿），注意要使用塑料的螺丝刀，金属会影响本身容值就很小的电容，导致调整不准。

接着将PWM信号频率调整到10KHz，发现探头的补偿效果减弱了，这就是刚才说到采样率的问题，

我们将信号放大看看：

以经可以见到三角波，其实这正是ADC采样值的波动，上下一个bit即会看到，有几mv的变化，但是这不影响我们对常规基本信号的观察和测量。因为常规我们测量的都是低速信号，且对信号上升沿速度不关注，一般需要注意波形的变化趋势和逻辑功能。
接下来讲一下AC和DC耦合的区别，其实最重要的是DC直连，AC隔了电容，即我们测量AC的是交流信号，直流信号都被过滤了。所以AC最常应用是测量电源纹波。
但是该示波器探头内并未配备交流的弹簧，这里不做测量信号分析，因为地线夹会引入更多的噪声信号，导致测量不准确，不具备测试意义。

这是为什么呢？这里就涉及高频信号领域，我们学过高频电子知识就可知道，频率越高的信号就越容易产生EMC，而且信号回流路径越长，也会导致噪声增大。这就是为什么高频电路要求多点接地的原因。而电源纹波所包含高频成分居多，所以我们这里就不做测试分析。

常见信号捕捉：我们实际使用示波器好像最常用的就是接上去看波形，哎，信号有没有拉高，有没有拉低，多少V？怎么变化的？
但是如果用好一个出发功能，则能让波形的抓取事半功倍，这里就着重针对该示波器看看怎么触发抓取波形。

如上图，设置好上升沿触发，选择A通道，点击单次触发，拖动T那里设置触发电平阈值，只要有信号满足从低到高超出阈值则会触发抓取。这样不用一直看着波形。

这里再上一个FFT的图：

FFT是离散傅立叶变换的快速算法，可以将一个信号变换到频域。有些信号在时域上是很难看出什么特征的，但是如果变换到频域之后，就很容易看出特征了。这就是很多信号分析采用fft变换的原因。另外，FFT可以将一个信号的频谱提取出来，这在频谱分析方面也是经常用的。
所以上图下方可以看到该信号再频域上的表现，横轴是频率，纵轴是幅值，第一个圈标明该信号在8MHz的地方能量最强，而且这里可以看出能量峰值所在频点的偏移有多少，即频偏，怎么样？是不是感觉很强大。右下方那个圈，表明有2倍频的能量出来，不过很微弱。但是也能测出来。

总结：
1、示波器界面基本功能丰富，测量带宽和采样率满足常见信号测量需求。
2、包含一个可调信号源输出，实验测试方便。
3、AC/DC功能也可满足常规测试，尤其FFT功能，能够对所测信号做进一步分析。

下期将深入进行示波器的实战演练：基于can通信的测量和协议分析。

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