[[acdlearning|模拟电路设计大师课]] ## 关于示波器 {{ :scopetek.png |}} ### 1. 什么是示波器？ 示波器，英文叫oscilloscope, 以前也称为oscillograph, 正式名字叫Scope、CRO (古老的阴极摄像管示波器)、或DSO (现在的数字示波器), 是电子测量仪器的一种，它能够观察电信号随时间的变化, 并将一个或多个信号的幅度（电压）以时间函数的方式在屏幕上进行二维显示，也就是将电信号可视化，并能够分析被观察的信号的参数比如幅度、频率、上升时间、时间间隔、失真等。 示波器通过调整可以将重复的信号连续地在屏幕上显示，存储示波器可以捕捉单次事件并以相对较长的时间进行显示，这样可以观察到不容易直接接收到的快速变化的事件。 {{ :scopepic.jpg?800 |}} **示波器被广泛用于电子产品的调试中** 示波器被广泛用在科研、医疗、工程以及电信领域，通用的仪器被工程师用在电子设备和实验室工作的测试、验证、电路调试中，专用的示波器可以用来比如分析汽车点火系统或在医疗中显示心跳的波形等。 {{ :scoperoad.png?800 |}} **示波器的发展历程** #### 1.1 示波器的发展 随着电子技术的迅猛发展，作为研发重要工具的示波器不仅从技术指标上不断提升，其结构也在不断变革，功能越来越强大。 早期的示波器采用模拟技术，Tektronix公司推出的475A型便携式模拟示波器，在上世纪70年代已经成了主流的测试仪器 {{ :oscilloscopetek475a.jpg?400 |Tektronix公司推出的475A型便携式模拟示波器}} Tektronix公司推出的475A型便携式模拟示波器 当时的波形显示还是靠阴极摄像管（类似我们古老的黑白电视机） {{ :440px-crt_oscilloscope.png?400 |阴极射线管内部结构}}**阴极射线管内部结构** 到现在的混合域示波器 - 模拟数字/数字信号同步测试、更大的屏幕而且可以触摸控制、更强的信号处理能力、信息存储能力。 {{ :msotek.jpg |Tek MSO}} **Tektronix的混合域示波器MSO** 还有数字荧光示波器： {{ :scopetek.jpg |}} ** Tek的数字荧光示波器 ** 不同示波器的内部结构是不同的，用下面这个图可以简单对比一下。 {{ :scopecate.png?800 |}} **不同种类示波器的内部结构** 示波器也在走向小型化、便携化，比如手持式的数字存储示波器： {{ :handheld_oscilloscope_shs800.jpg?400 |}} **Siglent公司生产的手持式数字存储示波器** 可以通过USB连接，用电脑显示屏作显示器的示波器： {{ :picoscope6000cdlaptop.jpg?400 |}} **PicoScope公司生产的基于USB的数字示波器** 当然还有现在性价比超高的多功能口袋仪器，参见[[https://www.eetree.cn/doc/detail/158|几款已经商用的开源仪器的设计资源参考]]： {{ :adalm2000multifunction.png.png?1000 }} ** ADI的多功能口袋仪器ADALM2000 ** #### 1.2 示波器都有哪些种？ * 模拟示波器 * 数字示波器 * 数字存储示波器 * 数字荧光示波器 * 混合域示波器 MDO * 混合信号示波器 * 数字取样示波器 #### 1.3 生产示波器的厂商都主要有哪些？ * KeySight - 经历了HP --》 Agilent到现在的KeySight，中文名字“**是德科技**” * Tektronix - 也简称Tek，泰克 * Rohde & Schwarz - 也简称RS，要跟元器件分销商的RS Components区分开 * National Instrument - 虚拟仪器 * Rigol（中国的普源精电） * LeCroy * Digilent/NI * Gwinstek * KIKUSUI Electronics * Hitachi #### 1.4 示波器的主要功能 顾名思义，“示波器”，就是将“波形”显示出来的设备，因此核心功能就是将要先显示的电信号进行采集、处理、显示出来，并能够帮助我们便捷地获取电信号的相关参数，也就是有测量的功能。使用者直观体验到的就是“显示”、“测量”两大功能，电信号的采集以及处理其实是示波器的核心，示波器的技术参数、指标也主要是由这两部分决定的。 ##### 1.4.1 电信号的屏幕显示 无论被测的电信号的幅度有多大、周期有多长，我们能够让其展示的屏幕空间是有限制的，它就象一个观察电信号世界的一扇“窗”，虽然窗口的大小有限，但我们会灵活使用窗口以观察尽可能多的信息。 {{ :scopescreen.png?500 |示波器的屏幕显示}} **示波器的屏幕显示** 波形显示区域用网格线（或分度线）来分割，垂直方向的分割线表征了电压/刻度的设置，水平方向的分割线表征了秒/刻度的设置 ##### 1.4.2 电信号参数的测量 除了最基本的波形显示功能以外，我们还可以对被测电信号的参数进行“测量”，能过快速地对信号的周期、频率、幅度以及其它波形特性进行定量地标定。测量的方式主要有以下三种： * 可视化估计 - 根据屏幕的刻度以及电信号在刻度上的显示，大致判断信号的一些参数信息。 {{ :scopemea1.png |}} * 通过光标进行手动测量 - 如果你要精确测量，可以手动设置X和Y方向的光标到要测量的点， 示波器会根据竖直和水平方向的量程来自动计算，得出绝对的测量差值 {{ :scopemea2.png |}} * 对于一些常用的参数，比如频率、峰峰值等，你可以通过示波器的自动参数测量来达到，选择多个自动参数测量，系统会连续地输出测量的结果 {{ :scopemea3.png |}} 我们能测量到哪些信息呢？ * 时域特性： * 频率和周期 * 占空比 * 上升时间/下降时间 * 电压特性： * 幅度 * 最大和最小电压 * 平均电压 ##### 1.4.3 示波器的外观功能分布 为实现上面的波形显示和参数测量，在显示屏的周边也就有了相应的控制按钮，通过这些按钮你可以调节屏幕的纵轴、横轴的显示尺度、通过触发电平的调节将波形稳定下来，同时还有一些测量的功能也可以通过旋钮来进行设置。因此从操作的层面，示波器一般可以包含以下部分: {{ :scopesetting1.png |}} **示波器的前面板功能分布 ** * 显示部分 - 将采集到的波形和参数信息、菜单在显示屏上展示出来； * 垂直控制 - 控制被显示信号的幅度，通过旋钮调节V/分度的大小，同时也有AC/DC/地的选择 * 水平控制 - 控制仪器显示的水平时基，通过旋钮调节秒/分度的大小 * 触发控制 - 控制扫描的起始点，可以有内触发、外触发、电平触发、边沿触发、事件触发等方式 * 用于数学和测量操作的控制 * 数字定时和状态捕获 * 其它控制 除了仪器本身之外，示波器还配有测量用的探头，这些探头被用来连接被测的信号点。 ---- ### 2 示波器的关键指标 作为一种工具，示波器除了具有能够让使用者简单易用的操作界面之外，更要满足被测信号必要的功能和性能指标，示波器的核心技术指标主要有以下几个： * 模拟带宽/采样率 - 在时域上满足被测信号的频率/带宽或快速变化的需求 * 灵敏度/动态范围 - 在电压幅度上满足被测信号变化范围的要求 * 存储深度 - 在每次捕获信号获取的信息量方面满足要求 示波器的ADC是模拟电压到可供处理、显示的数字量之间的桥梁，它是整个系统的枢纽，因此示波器的核心技术指标也都围绕着ADC进行展开的，我们先来看一下ADC的取样过程： 当示波器取样外部的输入信号，是以固定的时间间隔进行取样的，在这个间隔时间内，输入信号的大小被转变成了数值，再经过处理之后在示波器的显示屏上显示出来，观察者基于在显示屏上重建的信息来推断原始的模拟输入信号的特性。 {{ :sampling1.png?800 |}}**对正弦波进行采样的过程** {{ :sampling3.png?800 |}}**基于采样点重建的原始信号波形** #### 2.1 模拟带宽、采样率及二者之间的关系 对于不同频率的输入信号，示波器的响应是不同的，一般来讲示波器能够正常显示的频率范围就是示波器的带宽，确切的定义为相对于直流或低频交流信号灵敏度下降到0.707（3dB）时的频率（意味着幅度误差为-30%），超过这个频率，示波器的反应会急剧下降，在该带宽范围之内，示波器的响应虽然不是严格的一致（平坦），但一定要保持在0到-3dB的范围内。所有示波器都是展示的低通频响，也就是高斯频率响应。 {{ :bw3db.png?800 |}}**3dB带宽的定义** 另一个相关的指标为“上升时间” - 示波器能够处理的最快的脉冲信号的持续时间，它和示波器带宽的关系大致为： 带宽（Hz）x 上升时间（秒）= 0.35 例如示波器要对一个上升时间为1ns的脉冲进行测量，需要的模拟带宽要达到350MHz {{ ::scopebw.png |3dB带宽的定义}}**对于100MHz的数字时钟，100MHz带宽的示波器和500MHz带宽的示波器得到不同的结果** 为达到较好的观察效果，针对模拟应用，示波器的模拟带宽需要高于3x最高正弦波频率，对于数字信号，需要5x最高数字时钟速率的带宽，更准确的带宽的定义基于信号边沿的速度。 不仅示波器的模拟链路部分有带宽的限制，示波器的探头也有带宽的限制，因此在使用的时候要正确选用，以便满足测量的要求，为达到“平坦”的频率响应，多数的探头有“补偿”功能 采样率 - 示波器的ADC对被采集的模拟信号进行量化的快慢，单位为sps（samples/second），采样率越高，两个采样点之间的间隔越短，从下面的图中可以看到，采样率越高，对原始信号的重现也就越接近。 {{ :samplefreq.png?800 |}}**较高的采样率有较小的失真** 示波器的采样率一定要高于输入信号最高频率的2倍，这个频率被称为奈奎斯特频率。理论上讲，只需要一个周期有2个以上的采样点就可以重建这个信号，但实际上一个周期至少需要10-20个采样点才能在示波器上达到较好的观察效果。如果采样率不够 - 低于最高模拟信号频率的2倍，就会出现频谱的混叠现象，参见下图： {{ :aliasing1.png?800 |}}**采样率太低导致频谱混叠 - 得到较低频率的差频信号** 在实际的测量中，为避免出现混叠频率，影响到自己的判断，一般都以最高的采样率进行测量，根据屏幕上的波形显示，如需要再逐步降低采样率，下面的图就是调低了采样率以后出现了混叠。 {{ :aliasing2.gif |}}** 由于混叠在示波器上看到的波形效果 ** 在整个数据采集的过程中，探头的带宽、模拟链路放大器的带宽、ADC前面抗混叠滤波器的设置以及ADC的采样率作为一个整体，决定了被测信号的上限模拟带宽（模拟信号）或数字信号的边沿速度。一般来讲一个20Msps采样率的ADC可以用于对2MHz以内的模拟信号进行采样 - 抗混叠滤波器的3dB转折点设置为为2MHz，其有效的截止频率为10MHz（奈奎斯特频率），这样可以避免非常陡峭的滤波器带来的人为混叠。 #### 2.2 分辨率、动态范围及二者之间的关系 量化的过程就是在给定的采样时间点将这个时刻的电压值变换成“数值”记录下来，这需要将输入的模拟信号与分等级（level）的信号进行比较得到，等级划分的粗细也就影响了量化后的数值结果与真实信息的差异，这个等级的划分层级也就是“分辨率”。显然，分辨率越高，量化好的精度也就越高，下面的三个图直观地显示了三个不同分辨率对采样精度的影响： {{ ::resolution1.png?500 |}}**4bit分辨率 - 16个比较等级** {{ ::resolution2.png?500 |}}**5bit分辨率 - 32个比较等级** {{ ::resolution3.png?500 |}}**6bit分辨率 - 64个比较等级** 被测信号能被分辨的最小电压变化取决于ADC的分辨率位数以及满量程的输入电压范围，它们之间的关系为： 最小电压 = 满量程电压范围/ADC的等级数量 例如ADC的满量程电压范围为3.3V（一般处理器自带的ADC都是以供电的3.3V为其参考电压），12位分辨率，则其能分辨的最小信号电压变化为 3.3V/4096 ～ 0.8mV #### 2.3 存储（记录）深度 一般来讲，数字示波器的采样率是非常高的，每次满足触发条件以后开始采样得到的数据要先缓存到存储器里面，等待处理器来进行数据的处理。对于设定好的采样率，一次触发以后能够记录的采样点的多少也就决定了一次测量事件可以被观察的持续时间，这个一次能够记录的采样点的数量就是记录深度。增大记录深度，就能增加可以观察的采样点的数量。如下面的3个图： {{ ::reclen1.png?500 |}}**一次记录12个采样点** {{ ::reclen2.png?500 |}}**一次记录24个采样点** {{ ::reclen3.png?500 |}}**一次记录36个采样点** 越高的存储深度意味着可以观察到更多的信号细节，付出的就是存储器容量的增加。 ### 3. 示波器的正确使用姿势 #### 3.1 选取正确的量程 最基本的设置如下图： 正确地设置缩放的比例： {{ :scopesetting2.png |}} - 调节V/div旋钮直到波形在垂直方向完全地充满整个屏幕 - 调节垂直位置旋钮直到波形在屏幕的中间位置（上下） - 调节S/div旋钮，直到在屏幕的水平方向显示几个周期的波形 - 调节触发电平旋钮，直到电平处于波形垂直方向的中间位置 #### 3.2 正确使用示波器的探头 {{ :probepic.png?500 |}} {{ :scopeproble.png |}} {{ :probe1.jpg?500 |}} {{ :probe2.png?500 |}} {{ :probe3.jpg?500 |}} {{ :probe5.jpg?500 |}} {{ :probe6.png?500 |}} {{ :probe7.jpg?500 |}} {{ :probe8.gif |}} {{ :probeadjust.png?500 |}} {{ ::probecomp.png?1000 |}} #### 3.3 设置好触发 一般都是最后才理解的功能，但是非常有必要理解的重要功能，类似同步的拍照，多数的示波器的同步都是基于信号的上升沿或下降沿到某一个设定的电平，DSO的缺省触发位置为屏幕的中间（水平）。 {{ ::trigger_button.png |}} * 触发类型包括: * 外部触发 - 有外部提供的脉冲信号，通过制定的输入来触发； * 边沿触发 - 示波器内部的边沿检测电路在输入的信号跨越指定的阈值电压（按照指定的方向）时产生一个脉冲,这是最常用的触发方式。触发的电平控制设置阈值电压的值，斜坡控制设置方向 - 下降沿还是上升沿的时候； * 视频触发, a circuit that extracts synchronizing pulses from video formats such as PAL and NTSC and triggers the timebase on every line, a specified line, every field, or every frame. This circuit is typically found in a waveform monitor device, although some better oscilloscopes include this function. * 延迟触发 - which waits a specified time after an edge trigger before starting the sweep. As described under delayed sweeps, a trigger delay circuit (typically the main sweep) extends this delay to a known and adjustable interval. In this way, the operator can examine a particular pulse in a long train of pulses. 一些高端的示波器有着更复杂的触发机制。 {{ ::edge_trigger.png?500 |}} {{ ::triggermode.png?1000 |}} {{ ::triggermode2.png?1000 |}} {{ ::triggernon.gif |}} {{ ::triggerok.png?500 |}} {{ :triggerpanel.png?500 |}} #### 3.4 参数测量 {{ :scopeexpand.png?500 |}} {{ :scopenoexpand.png?500 |}} {{ :digiwavepara.png?500 |}} {{ :scopemeasure2.png?500 |}} {{ :voltagermsvpp.png?500 |}} {{ :scopemeasure3.png?500 |}} #### 3.5 频谱分析 ---- ### 4. 示波器的设计/DIY制作 {{drawio>scopeblockdiagram.png}} **数字存储示波器的内部构成 ** #### 4.1 示波器的主要构成 * 硬件部分 * 模拟部分 * 数字信号处理部分 * 处理器部分 * 界面及交互 * 网络及连接 * 软件部分 * 系统集成 #### 4.2 参考资料 * {{:tek示波器入门指南.pdf|Tek公司提供的64页关于示波器基础的教程}} * {{:示波器使用基础教程.pdf|Keysight公司的示波器使用基础教程}} * [[http://www.rohde-schwarz-usa.com/rs/rohdeschwarz/images/Oscilloscope-Fundamentals_v1.1.pdf|示波器基础, Rohde & Schwarz]] * [[http://www.doctronics.co.uk/scope.htm|示波器的应用]] * [[http://www.bbaba.altervista.org/tecnica/oscilloscope.php|示波器基本指南]] * [[http://afrotechmods.com/tutorials/2011/11/27/oscilloscope-tutorials/|示波器教学视频]] * [[http://www.tiepie.com/en/classroom/Measurement_basics/Digital_Data_Acquisition.html|数字存储示波器测量基础]] * [[http://www.etti.unibw.de/labalive/app/scopedemo/|示波器在线演示]] #### 4.3 适用于示波器的高速A/D变换器 ^型号|电压|通道数|分辨率|采样率|接口|功耗|封装|价格| ^AD9283 |3.0V |1 |8bits |100Msps |CMOS |90mW |20SSOP(8mm * 8mm) | $5.57| ^MAX1121 |1.8V |1 |8bits |250Msps |LVDS |477mW |QFN68 | 23.06| ^MAX1449 |3.3V |1 |10bits |105Msps |CMOS |186mW |TQFP32 | 18.31| ^AD9286 |1.8V |2 |8bits |250Msps |LVDS |315mW |EP48 | 25.06| ^MAX19506 |1.8V |2 |8bits |100Msps |CMOS |57mw * 2 |QFN48(7mm * 7mm)| 6.49| ^MAX19516 |1.8V |2 |10bits |100Msps |CMOS |57mW * 2 |QFN48(7mm * 7mm) | 11.88 | ^MAX19517 |1.8V |2 |10bits |130Msps |CMOS |75mW |TQFN48 | 17.84| ^MAX1190 |3.3V |2 |10bits |120Msps |CMOS |492mW |EP48 | 25.06| ^AD9600-125 |1.8V |2 |10bits |105Msps |CMOS |370mW |LFCSP64 | 20.19| ^LTC2281 |3.3V |2 |10bits |125Msps |CMOS |790mW |QFN64 | 28| #### 4.4 参考设计 此次提供两款双通道示波器的参考设计，第一款为元器件分销商[[http://www.arrow.com|Arrow Electronics Inc.]]基于[[http://www.altera.com|Altera Corp]]公司的[[https://www.altera.com/products/fpga/max-series/max-10/overview.html|MAX10]]平台提供的双通道示波器参考设计BeScope，主要技术指标如下： * 50MHz模拟带宽 * 采用[[http://www.analog.com|Analog Devices Inc]]公司的[[http://www.analog.com/cn/search.html?q=AD9286|AD9286]], 双通道同时采样，每通道采样频率为250MSPS * 具有三级增益设置的可编程增益放大器 * 输入信号范围±60V(采用10x示波器探头设置, 最低增益) * 分辨率最低到12mv/LSB(1x示波器探头设置, 最高增益) * 2.5MHz和5MHz方波信号产生 * 采用25K逻辑单元的FPGA用于控制和数据分析 * 128MB [[DDR3]]用于波形存储 * Altera Qsys互连框架方便FPGA逻辑的修改 {{ :bescopebundle_fig.1.jpg |}} **Arrow提供的双通道示波器设计实物图片** 相关技术资料： * {{:bescope_user_guide_and_hardware_ref_guide_v0.pdf|Arrow基于Altera的MAX10提供的双通道示波器参考设计}} * {{:bescope-revg6_bomfinal.xlsx|Arrow基于Altera的MAX10提供的双通道示波器参考设计物料清单BOM表}} * {{:bescope-revg6schematics.pdf|Arrow基于Altera的MAX10提供的双通道示波器参考设计PDF格式的原理图}} Digilent公司推出的Analog Discovery 2 {{ :analog_discovery_2-obl-600.png |}} **Digilent推出的Analog Discovery II实物照片** {{ :analogdiscovery2-pinout-600.png |}} **Analog Discovery II的连线图 ** #### Digilent Analog Discovery 2 产品简介 Digilent Analog Discovery 2 是一款基于USB的示波器／多功能仪器，用于测量、可视化、产生、录制以及控制所有种类的混合信号电路。模拟和数字信号的输入／输出可以通过简单的连线同待测的电路进行连接也可以通过提供的BNC适配器和BNC探头进行连接。 主要性能指标: * 双通道USB数字示波器(1MΩ, ±25V, 差分, 14-bit, 100Msample/sec, 30MHz+带宽 - 使用Analog Discovery带的BNC适配板) * 双通道任意函数发生器(±5V, 14-bit, 100Msample/sec, 20MHz+带宽 - 使用Analog Discovery带的BNC适配板) * 立体声音频放大器用以驱动外部的耳机或喇叭 * 16通道数字逻辑分析仪(3.3V CMOS, 100Msample/sec) * 16通道模式发生器(3.3V CMOS, 100Msample/sec) * 16通道虚拟数字I/O包括按钮、开关、LEDs – 非常适用于逻辑训练应用 * 两个输入／输出数字触发信号用以连接多个设备(3.3V CMOS) * 单通道电压表(AC, DC, ±25V) * 网络分析仪 – Bode, Nyquist, Nichols transfer diagrams of a circuit. Range: 1Hz to 10MHz * 频谱分析仪 – power spectrum and spectral measurements (noise floor, SFDR, SNR, THD, etc.) * 数字总线分析仪(SPI, I²C, UART, 串行) * 两个可编程电源(0…+5V , 0…-5V). 最大可输出电流以及功率取决于Analog Discovery 2的供电选择: * 通过USB供电，可以每一路提供最大250mW或总计500mW * 通过外部电源适配器每一路可以提供最大700mA或2.1W [[Analog Discovery 2 参考手册]] [[基于树莓派的双通道高速ADC的设计]] [[stepfpga_scope|基于小脚丫的简易示波器设计项目]]