09
2020
01

示波器介绍

示波器就是通过传换感器将自然界的各种模拟信号转换为电信号,最终通过终端显示出来的工具。示波器大类上可以分为模拟示波器和数字示波器两大类,我们这里仅讨论数字示波器。

数字示波器就是通过ADC将自然界的模拟信号转换为二进制的数字信号,将这些数字信号存储到显存中,最终在显示终端显示出来的工具。示波器根据采样方式有可以分为实时示波器和采样示波器两类。

实时示波器

实时示波器顾名思义,就是在单次触发以后,示波器将模拟信号采用固定的时间间隔进行采样,实时的转化为数字信号,如下图所示。然后根据采样点信息对信号波形进行实时重建,最终在终端显示出来。为了更好地理解这种数据采集,我们将实时示波器假设为一个速度极快的模数转换器(ADC),其中采样率决定采样间隔,存储器深度决定要显示的点数。这个实时的特性就要求实时示波器相对于采样示波器,要采用更加快速的ADC。比如实时示波器的采样率为40G/S,那么示波器采用的ADC就需要运行在40G的速率上。

实时示波器工作原理

采样示波器

等效时间采样示波器有时简称为“采样示波器”,它仅测量采样瞬间波形的瞬态幅度。与实时示波器不同,等效时间采样示波器的每次触发只对输入信号采样一次。下次触发示波器时,会增加一个小小的时延然后进行下一个采样。预期的采样数决定重新生成波形所需的周期数。 相对于实时示波器,采样示波器可以使用相对于采样率,速度低得多的ADC。采样示波器通常标称的采样率为等效采样率,比如等效采样率是40G/S,该示波器所使用的ADC可能只需要跑到1G/S,甚至更低。

等效时间采样示波器的触发和随后的采样与实时示波器有着明显的差别。最重要的是,等效时间采样示波器为了执行操作需要一个显式触发,这个触发需要与输入数据同步。显式触发通常由用户提供,但有时也可以使用硬件时钟恢复模块来获得触发。采样过程为 : 一个触发事件发起第一次采样,然后示波器重新准备并等待下一个触发事件。重新准备的时间约为 25 μs。下一个触发事件发起第二次采样,并在对第二个数据点采样之前添加一个精确的增量时延。该增量时延由时基设置和采样点数确定。如下图所示,此过程会一直重复,直到获得完整的波形。

采样示波器工作原理

采样示波器要求被测信号具有一定的重复性。也就是说在第一次满足触发条件以后,ADC对该信号进行一次采用。当后续再次满足触发条件,ADC添加一定的延迟后再次采样。最终当示波器具有一定的采样点以后对信号进行重构。也就是显示一个周期的信号其实是采样了很多个周期不同时间点的数据进行重构得到的。

使用采样示波器,我们通常有2种需求,一种是查看比特流,一种是查看眼图,我们分别来说明一下两种测量方式的工作原理。

查看比特流

要查看比特流,触发在输入码型期间必须只发出一次脉冲,并且必须是在每个事件的比特码型中的同一个相对位置上。然后对输入信号进行采样并且在下一个触发事件上添加增量时延,并对比特流进行采样直到采集到整个波形。要在等效时间示波器上查看比特流,必须有一个重复的波形;否则需要使用实时示波器。下图为显示比特流波形的触发过程。

采样示波器查看比特流模式

创建眼图

创建眼图模式不需要重复的波形,并且可以帮助确定许多其他测量中的噪声、抖动、失真和信号强度。因为眼图模式查看的是比特流中每个比特组合叠加后的图形,因此可以得到系统性能的总体统计数据。眼图模式要求使用一个同步时钟信号来进行触发。在每个触发事件处 (允许重新准备时间),示波器对数据进行采样,并在整个屏幕上显示所有可能的 1 和 0 组合的合并结果。下图为显示眼图的触发过程。

采样示波器生成眼图原理


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