[[acdlearning|模拟电路工程化设计大师课]]
## 第一节：如何设计一款简易示波器？

### 1.1 工程师桌面四大件必要但笨重
我们硬件工程师调试电路必不可少的桌面四大件（图片 - 万用表、电源、信号源、示波器照片）

比如我们调试一个板子（图片弹出 - 拿出模拟电路设计学习板子，放在桌面上）
  - 我们需要万用表
    - 量测阻抗（短视频 - 用万用表测一个电阻的阻值），
    - 判断电源的电压是否正常（短视频 - 用万用表测电源的电压，显示出电压值）
    - 电路是否通断（短视频 - 用万用表测两个点是否导通，听到蜂鸣器的叫声）
    - 以确保电路板的焊接没有问题并对电路进行调试

  - 我们需要示波器来观察信号的波形（短视频 - 示波器测量波形、显示出波形的形状）
    - 测量信号的幅度 - 自动得到信号的峰峰值、平均值（短视频 - 示波器显示）
    - 也可以手动测量某个电平的高低（短视频 - 手工旋转旋钮、示波器显示）
    - 可以测量信号的频率或周期（短视频 - 调节触发旋钮，屏幕上显示该信号的频率和周期）
    - 现在的示波器都内置了FFT的功能，我们可以借助FFT功能，从频谱上观察被测信号包含的频率分量，能够更便捷地确定电路的特性（短视频 - FFT测量频谱的界面）

  - 有时候我们也需要给电路板送信号进去，就需要信号发生器，今天我们广泛使用的是任意波形发生器（展示信号发生器的图片或实物视频）
    - 可以调节信号的波形（短视频 - 调节并在示波器上显示）
    - 调节信号的频率（短视频 - 调节并在示波器上显示）
    - 调节信号的幅度（短视频 - 调节并在示波器上显示）
    - 以及信号的直流偏置电压（短视频 - 调节并在示波器上显示）

可调节电压、电流的电源也是必备的测试设备（图片 - 可调电源），
我们可以为板子上的某个局部电路提供可调节的电压（短视频 - 操作旋钮，调节电压），比如3.3V、5V、+、-5V（短视频 - 操作并显示），并对其输出的电流进行限制和控制（短视频 - 操作，并显示输出的值）。

不谈频谱仪、逻辑分析仪等其它测试测量设备，仅这4大件就占据了实验桌的大部分空间（图片，可以多个 - 实验桌上摆满仪器的镜头），需要多个插座（多个插座的镜头），而且无法便携，不能随时随地使用，大大限制了它们的使用场景，当然最大的问题是这一套置办下来价格不菲。

### 1.2 多功能合一的口袋仪器
这是一款使用USB同电脑连接就可以随时随地使用的多功能便携式的仪器（图片 - M2K，短视频 - USB插到电脑上），它可以：

  * 产生双通道的任意波形（截屏视频 +示波器屏幕变化视频）
    * 有使能功能并监测实际的输出电平（截屏视频）
    * 波形可调（截屏视频 + 示波器屏幕变化视频）
    * 幅度可调（视频）
    * 频率可以任意设置（视频）
    * 产生调制波形（视频）
    * 从电脑上上传一个波形（）
    * 最高频率可以到30MHz（显示频率调节的画面）
    * 最大幅度可以到10Vpp（显示幅度调节的画面）
    * 还可以调节它的直流偏移量（显示直流偏移调节的画面）
  * 它有双通道示波器的功能：
    * 双通道示波器（采集模拟电路设计套件的DDS输出信号 - 录屏视频）
    * 可以看到被采集信号的幅度、平均值、频率等等（录屏视频），单极信号的幅度最高支持到50Vpp，差分信号输入时幅度最高支持到100Vpp，频率最高可以达30MHz，采用了100Msps的采样率
  * 切换到频谱仪界面，可以看到通过FFT以后被采集信号的频谱分量，最高到50MHz，也就是采样率100Msps的一半。
  * 网络分析仪的功能及演示
  * 电压表的功能演示
  * 电压源的功能演示
    * 输出电压的调节
    * 输出保护
    * 实际输出电压的监测

除了以上演示的这些与模拟信号产生和测量的功能之外，这款口袋仪器还具有一些其它的功能：
  * 模式发生器
  * 逻辑分析仪
  * 。。。。。

再看一下 - 清华大学卓晴老师使用ADALM2000的体验，尤其是通过Python对采集到的数据进行分析处理，从中可以看到这款开源仪器的便捷之处。可以做为数据采集前端获取数据，并通过PC端强大的分析软件或自编的软件系统进行更近一步的数据分析。
（播放卓晴老师的视频片段 - 共3.5分钟视频）

从上面的演示视频中可以看出在这么小的盒子里（盒子在掌心中的图片效果），通过这么一个不到巴掌大小的电路板（M2K的电路板在掌心中的效果），集成了几乎所有常用仪器的十几种功能，虽然相比传统的桌面仪器，它的各项功能指标都比较低，但是已经足够满足我们日常的硬件调试工作，相比起传统的仪器设备，其价格非常低廉，想象一下，我们只需1000多元的投资，就可以拥有一个随时、随地使用的超强功能的实验室。
{{ :adalm2000multifunction.png }}<WRAP centeralign> ADALM2000多功能口袋仪器的功能示意 </WRAP>


更为重要的是，即便是30MHz模拟带宽、100Msps的转换率，这款口袋仪器又是如何做到如此强大的功能的？它用有限的元器件，在如狭小的电路板上（电路板的照片），通过仅仅一根USB线缆的连接就实现了信号发生器、示波器、频谱仪、电压表、可编程电源等的所有功能。这是值得我们学习的一个平台，尤其是模拟电路的设计，它搭配数字信号处理、嵌入式系统软件构成了一套功能强大、应用灵活、开放的一套测试测量系统。

它值得我们每一个做硬件设计的工程师来探秘、借鉴。

我们的课程就以这款口袋仪器的模拟电路电路及电源部分作为参考、以其实现的功能为主线，来梳理一下模拟电路设计中的一些核心知识点。课程的第一部分共11节课围绕着这款口袋仪器的双通道示波器、频谱仪以及电压表的功能来看一下对模拟信号的调理、采集和测量。

我们先来温习一下示波器的基础知识。

### 1.3 示波器的功能、硬件构成、核心指标

[[oscilloscope|关于示波器]]，可以采用Catherine原来为Tek制作的PPT，这三部分的时长大约10分钟
  - 示波器的功能
  - 示波器的硬件构成
  - 示波器的核心指标

//阅读 -// 上面我们通过通用示波器的功能、硬件构成以及核心指标有了一个系统化的认知，下面我们就具体看一下这款ADALM2000口袋仪器的数据采集部分的电路是如何构成的。

### 1.4 ADALM2000的硬件构成及示波器部分的电路

[[m2000_instru|关于ADI的口袋仪器M2k]]

### 1.5 课后作业
今天的课程最后部分介绍了[[m2000_instru|ADALM2000]]这款口袋仪器的构成，并给出了构成数据采集部分的框图以及原理图，同学们可以根据提供的这些资料，基于该仪器支持的指标，分配一下每一级的增益调节范围和带宽指标。