利用示波器分析电信号

示波器是我们工程师的眼睛，首先我们要知道被我们“眼睛”观察的对象 - 电信号是什么？都有哪些不同的形式？就像我们人还需要用“大脑”对“眼睛”看到的现象做分析，我们也需要对用示波器看到的电信号做分析，进而判断出电路的性质，这就要求我们知道不同的电信号各有哪些典型特征？了解了这些，我们才可以通过现象看本质。

这是一个典型的电子产品系统：

在这个系统的每个环节都是通过电信号来表达和传递信息：

在A/D之前，电信号是以连续的模拟量的方式存在 - 它的幅度和频率都在传递信息，在A/D之后，电信号以分立的数字量的方式存在。

作为一个“诊断”电信号的仪器，示波器主要通过对比信号源的某种信号经过“待测设备（DUT）”之后的形态和不经过这个待测设备的形态之间的差异 - 比如某些成分的幅度发生了变化、相位/频率发生了变化，进而判断“待测设备”是否工作正常，以及定标待测设备究竟会起到什么作用。

因此，信号源也是测试测量系统的必备，即便平时在我们的测试中没有用到信号源，实际上我们也是假设了已经有信号源的存在，比如检测时钟是否工作正常，信号源已经在PCB板上；检测3.3V的电源电压是否正常，是否有纹波，信号源就是那个能够产生3.3V电压的LDO或开关稳压器。

当然，多数情况下我们需要对被测试的电路提供一个激励信号，比如：

提供模拟波形 - 正弦波（最常用）、三角波、方波

某种模式的数字信号

调制信号

刻意产生的噪声

通过这些激励信号能够：

检查每一级电路的增益、频率响应，对接收端进行校准

提供用于测试电路的各种波形，一般来讲都是低功率的

验证（ Verification） - 分析数字调制

定标（Characterization）- 测试D/A和A/D转换器

压力/临界点 测试 - 通信接收机的压力测试

其实原理非常简单，下面的一张图就能直观表达出来：

信号源提供一个单频的电信号送给被测试的电路网络，用示波器观察经过这个网络以后的电信号，跟信号源的激励信号对比，就可以分析出被测电路的特性，单频的电信号只有两个参量 - 电压和相位（或频率），通过计算这两个参量的变化就可以推算出电路中的阻抗、感抗、容抗，而使用不同频率、不同幅度的信号就能够分析出被测的电路网络的全貌 - 对整个频段的响应、对不同大小信号的反应。

比如，将一个理想的方波信号送到一个电路网络，在示波器上可以看到下面的波形，我们通过波形的形状就可以分析出电路的特性：

不同特性的电路网络对理想方波信号的响应

不同的波形揭示了电路的不同特性

任何实际的电信号都是多种频率电信号的叠加：

我们在时域上看到的非正弦波形的信号，以及那些不规则波形的信号，都可以分解成多个不同幅度的单频正弦波信号的叠加 - 感谢傅立叶！

方波信号的构成

因此，对采集到的电信号进行FFT变换，从频域对电信号进行观察和分析也成了示波器的标配分析功能，虽然简单的FFT变换相对于专业的频谱分析仪显得很初级，但它毕竟是一种性价比非常高的观察方式。

无论示波器的FFT还是专业的频谱仪，只是把一根根谱线给我们显示出来了，如何解读还需要工程师自己的“大脑”，当然是基于对信号的理解，比如下图中的多个谱线来源于电路的不同特性，从每个谱线的大小就可以判断电路是否存在串扰、失真、电源噪声等，往往通过示波器的时域波形很难判断出来，因为它们都叠加在一起，一粒芝麻粘在西瓜皮上是很难分辨出来的。

我们做研究最重要的是化繁为简，刚才讲过无论多复杂、多奇怪的电信号波形，我们都可以把它们分解成多个单频信号，而每个单频信号都可以用下面的几个特征参量来表示：

对于脉冲信号，其特征：

上升时间：脉冲边沿从低电平到高电平的时间

下降时间：脉冲边沿从高电平到低电平的时间

脉冲宽度：脉冲从低到高，再从高到低的时间，以全电压的50%为测量基准

脉冲信号占空比/延时

信号幅度特征：

参数：

幅度 - 准确度、调节的分辨率

动态范围 - 从最小信号到最大信号的跨度（dB）

直流偏移 - 在交流信号上叠加的直流分量

输出阻抗 - 一般为50

与幅度测量相关的一些指标：

与信号时间特性相关的一些指标：周期/频率/相位

频率范围

频率准确度

频率稳定度

可调频率精度

信号时间特性-相位

信号的差分传输：

差分信号抗共模干扰能力强，

但要注意走线，否则会导致脉冲噪声

我们也会测试一些复合信号：

调制波形：

模拟调制

数字调制

脉宽调制

正交调制

数字模式和格式

伪随机数据流

以上简单总结了一下我们用示波器观察的常用的电信号的主要参数以及类型，在下一节的课程中，我们来看一下一个能够观测这些信号的标准的示波器是如何构成的？

一部精品课，学到嵌入式系统的精髓 + 理解测试测量的核心概念！

　　审核编辑：汤梓红