利用示波器分析電信號(hào)

示波器是我們工程師的眼睛，首先我們要知道被我們“眼睛”觀察的對(duì)象 - 電信號(hào)是什么？都有哪些不同的形式？就像我們?nèi)诉€需要用“大腦”對(duì)“眼睛”看到的現(xiàn)象做分析，我們也需要對(duì)用示波器看到的電信號(hào)做分析，進(jìn)而判斷出電路的性質(zhì)，這就要求我們知道不同的電信號(hào)各有哪些典型特征？了解了這些，我們才可以通過(guò)現(xiàn)象看本質(zhì)。

這是一個(gè)典型的電子產(chǎn)品系統(tǒng)：

在這個(gè)系統(tǒng)的每個(gè)環(huán)節(jié)都是通過(guò)電信號(hào)來(lái)表達(dá)和傳遞信息：

在A/D之前，電信號(hào)是以連續(xù)的模擬量的方式存在?- 它的幅度和頻率都在傳遞信息，在A/D之后，電信號(hào)以分立的數(shù)字量的方式存在。

作為一個(gè)“診斷”電信號(hào)的儀器，示波器主要通過(guò)對(duì)比信號(hào)源的某種信號(hào)經(jīng)過(guò)“待測(cè)設(shè)備（DUT）”之后的形態(tài)和不經(jīng)過(guò)這個(gè)待測(cè)設(shè)備的形態(tài)之間的差異?- 比如某些成分的幅度發(fā)生了變化、相位/頻率發(fā)生了變化，進(jìn)而判斷“待測(cè)設(shè)備”是否工作正常，以及定標(biāo)待測(cè)設(shè)備究竟會(huì)起到什么作用。

因此，信號(hào)源也是測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)的必備，即便平時(shí)在我們的測(cè)試中沒(méi)有用到信號(hào)源，實(shí)際上我們也是假設(shè)了已經(jīng)有信號(hào)源的存在，比如檢測(cè)時(shí)鐘是否工作正常，信號(hào)源已經(jīng)在PCB板上；檢測(cè)3.3V的電源電壓是否正常，是否有紋波，信號(hào)源就是那個(gè)能夠產(chǎn)生3.3V電壓的LDO或開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

當(dāng)然，多數(shù)情況下我們需要對(duì)被測(cè)試的電路提供一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，比如：

提供模擬波形 - 正弦波（最常用）、三角波、方波

某種模式的數(shù)字信號(hào)

調(diào)制信號(hào)

刻意產(chǎn)生的噪聲

通過(guò)這些激勵(lì)信號(hào)能夠：

檢查每一級(jí)電路的增益、頻率響應(yīng)，對(duì)接收端進(jìn)行校準(zhǔn)

提供用于測(cè)試電路的各種波形，一般來(lái)講都是低功率的

驗(yàn)證（ Verification） - 分析數(shù)字調(diào)制

定標(biāo)（Characterization）- 測(cè)試D/A和A/D轉(zhuǎn)換器

壓力/臨界點(diǎn) 測(cè)試 - 通信接收機(jī)的壓力測(cè)試

其實(shí)原理非常簡(jiǎn)單，下面的一張圖就能直觀表達(dá)出來(lái)：

信號(hào)源提供一個(gè)單頻的電信號(hào)送給被測(cè)試的電路網(wǎng)絡(luò)，用示波器觀察經(jīng)過(guò)這個(gè)網(wǎng)絡(luò)以后的電信號(hào)，跟信號(hào)源的激勵(lì)信號(hào)對(duì)比，就可以分析出被測(cè)電路的特性，單頻的電信號(hào)只有兩個(gè)參量 -?電壓和相位（或頻率），通過(guò)計(jì)算這兩個(gè)參量的變化就可以推算出電路中的阻抗、感抗、容抗，而使用不同頻率、不同幅度的信號(hào)就能夠分析出被測(cè)的電路網(wǎng)絡(luò)的全貌 - 對(duì)整個(gè)頻段的響應(yīng)、對(duì)不同大小信號(hào)的反應(yīng)。

比如，將一個(gè)理想的方波信號(hào)送到一個(gè)電路網(wǎng)絡(luò)，在示波器上可以看到下面的波形，我們通過(guò)波形的形狀就可以分析出電路的特性：

不同特性的電路網(wǎng)絡(luò)對(duì)理想方波信號(hào)的響應(yīng)

不同的波形揭示了電路的不同特性

任何實(shí)際的電信號(hào)都是多種頻率電信號(hào)的疊加：

我們?cè)跁r(shí)域上看到的非正弦波形的信號(hào)，以及那些不規(guī)則波形的信號(hào)，都可以分解成多個(gè)不同幅度的單頻正弦波信號(hào)的疊加 - 感謝傅立葉！

方波信號(hào)的構(gòu)成

因此，對(duì)采集到的電信號(hào)進(jìn)行FFT變換，從頻域?qū)﹄娦盘?hào)進(jìn)行觀察和分析也成了示波器的標(biāo)配分析功能，雖然簡(jiǎn)單的FFT變換相對(duì)于專(zhuān)業(yè)的頻譜分析儀顯得很初級(jí)，但它畢竟是一種性價(jià)比非常高的觀察方式。

無(wú)論示波器的FFT還是專(zhuān)業(yè)的頻譜儀，只是把一根根譜線給我們顯示出來(lái)了，如何解讀還需要工程師自己的“大腦”，當(dāng)然是基于對(duì)信號(hào)的理解，比如下圖中的多個(gè)譜線來(lái)源于電路的不同特性，從每個(gè)譜線的大小就可以判斷電路是否存在串?dāng)_、失真、電源噪聲等，往往通過(guò)示波器的時(shí)域波形很難判斷出來(lái)，因?yàn)樗鼈兌集B加在一起，一粒芝麻粘在西瓜皮上是很難分辨出來(lái)的。

我們做研究最重要的是化繁為簡(jiǎn)，剛才講過(guò)無(wú)論多復(fù)雜、多奇怪的電信號(hào)波形，我們都可以把它們分解成多個(gè)單頻信號(hào)，而每個(gè)單頻信號(hào)都可以用下面的幾個(gè)特征參量來(lái)表示：

對(duì)于脈沖信號(hào)，其特征：

上升時(shí)間：脈沖邊沿從低電平到高電平的時(shí)間

下降時(shí)間：脈沖邊沿從高電平到低電平的時(shí)間

脈沖寬度：脈沖從低到高，再?gòu)母叩降偷臅r(shí)間，以全電壓的50%為測(cè)量基準(zhǔn)

脈沖信號(hào)占空比/延時(shí)

信號(hào)幅度特征：

參數(shù)：

幅度 - 準(zhǔn)確度、調(diào)節(jié)的分辨率

動(dòng)態(tài)范圍 - 從最小信號(hào)到最大信號(hào)的跨度（dB）

直流偏移 - 在交流信號(hào)上疊加的直流分量

輸出阻抗 - 一般為50

與幅度測(cè)量相關(guān)的一些指標(biāo)：

與信號(hào)時(shí)間特性相關(guān)的一些指標(biāo)：周期/頻率/相位

頻率范圍

頻率準(zhǔn)確度

頻率穩(wěn)定度

可調(diào)頻率精度

信號(hào)時(shí)間特性-相位

信號(hào)的差分傳輸：

差分信號(hào)抗共模干擾能力強(qiáng)，

但要注意走線，否則會(huì)導(dǎo)致脈沖噪聲

我們也會(huì)測(cè)試一些復(fù)合信號(hào)：

調(diào)制波形：

模擬調(diào)制

數(shù)字調(diào)制

脈寬調(diào)制

正交調(diào)制

數(shù)字模式和格式

偽隨機(jī)數(shù)據(jù)流

以上簡(jiǎn)單總結(jié)了一下我們用示波器觀察的常用的電信號(hào)的主要參數(shù)以及類(lèi)型，在下一節(jié)的課程中，我們來(lái)看一下一個(gè)能夠觀測(cè)這些信號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)的示波器是如何構(gòu)成的？

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