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Sandbox Physics
物理仪器怎样测量

走进仪器

示波器上的慢波是怎样冒出来的

稳定的慢波,可能来自很快的输入。示波器只在时钟指定的时刻记录电压;两次采样之间发生的起伏,可能没有留下能区分它们的样点。触发能让画面稳住,却不能把这些起伏补回来。

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每隔一毫秒看一眼

先看理想瞬时采样:每秒采一千次,用相同的初始相位观察频率为 100 Hz100\,\mathrm{Hz} 和 1100 Hz1100\,\mathrm{Hz} 的正弦电压。慢信号在两次采样之间走过十分之一圈,快信号走过一整圈再加十分之一圈。采样时刻看到的相位完全一样。

快信号多走的那一圈,恰好藏在两个样点之间。把这些点连起来,会看见一条很像慢信号的曲线。这种不同频率在样点里混到一起的现象,叫混叠。

sin⁡ ⁣(2π1100n1000)=sin⁡ ⁣(2π100n1000)\sin\!\left(2\pi\frac{1100n}{1000}\right)=\sin\!\left(2\pi\frac{100n}{1000}\right)
这里的 nn 是依次编号的采样时刻。等式先只考虑采样,不含模拟滤波;实际前端还会改变振幅与相位。

来源:[1][2]

触发让边沿停在同一处

如果每次都从不同位置画起,同一个脉冲也会在屏幕上左右游走。触发给它选一个共同起点:例如电压向上越过某个电平的时候。每次把这个位置放在画面的同一处,边沿就站稳了。

把电压存成整数以后,数字边沿触发便能在已采到的这些数值里寻找越过。触发前,采集仍在继续;仪器把前面一段数据也留在缓冲区,便能显示触发之前发生了什么。触发条件若始终达不到,正常模式会保留前次记录,自动模式则可以等一段时间后保存一段未触发的数据。

混叠后的慢波同样可能一次次越过触发电平。它站得再稳,也只说明这批样点可以重复对齐。要分清快慢,还得检查采样时钟。

来源:[1]

进入时钟以前,边沿已经会变圆

电压先经过探头和模拟输入,才轮到采样时钟。探头会给信号源添入负载,模拟前端对快速变化的响应也有限。一个很陡的脉冲经过它,顶部可能变低,边沿会被磨圆。带宽描述的就是这条模拟通路对不同频率的响应。

用一组电阻、电容作简化前端,电容需要时间充电,电压会逐渐跟上输入。带宽取 20 kHz20\,\mathrm{kHz}。理想阶跃从一成升到九成,需要约 17.5 μs17.5\,\mathrm{\mu s},也就是不到五万分之一秒。这个数由所选响应形状决定,不能套到所有示波器上。

提高采样率,可以把已经变圆的边沿记得更细,却不会让它恢复成进入前端之前的陡边。反过来,模拟通路即使足够快,时钟太慢仍会漏掉起伏。

来源:[4][2]

读数也要从留下的点里来

转换器把每次电压存成有限范围的整数代码。先量零输入,再量已知电压,就能把代码换成电压;用已知时间间隔数时钟,还能检查计时比例。屏幕上的连线只是把这些离散读数连接起来。

例如,把 4 V4\,\mathrm V 的完整电压跨度分成八位代码能表示的二百五十六格,每格约 15.6 mV15.6\,\mathrm{mV};十二位可分成四千零九十六格,每格约 0.977 mV0.977\,\mathrm{mV}。电压刻度细了,每次取整的误差便小一些;采样时刻之间的起伏仍需要足够快的时钟来记录。

记录还要够长。一百赫兹的波,在四毫秒窗口里连半个周期都没有;四十毫秒窗口则能留下约四个周期,供几次同方向的交点互相比较。延长记录提供了更多重复,但每两点之间的时间间隔仍由采样钟决定。

周期可以从几次同方向越过电平的间隔来量,上升时间可以从记录中的一成、九成位置来量。记录太短,或边沿只落下两三个稀疏样点时,读数就会变得不可靠。峰顶超过代码范围而被削平后,样点也没有保存那个真正的高度。

前面的一千一百赫兹输入,在更快的采样钟下会留下更多起伏。把两份原始记录、量程和触发位置都留下,就能继续检查那条慢波究竟是怎样出现的。

来源:[3][2]

来源与延伸阅读

  1. Tektronix — Oscilloscope Systems and Controls

    核读实时采样、图27–29,以及触发位置、电平与方向、触发模式和图35。所链接教学仪器明确采用读取已采代码的数字触发。

  2. Tektronix — Evaluating Oscilloscopes

    核读带宽及图44、上升时间、采样率和记录长度。上升时间系数随响应形状而变;文中数值由明确的单极模型另算。

  3. Walt Kester, Analog Devices MT-001, Rev.A (10/08)

    核读第1–3页、图1–2及式1–4:理想量化误差,以及把误差近似成噪声所需的条件。本文没有把量化误差一概当成白噪声或给出有效位数。

  4. Tektronix — ABCs of Probes

    核读第2–3章的源负载、探头传输与输入电阻,以及第5章的源阻抗。所链接实验选用有有限输入电阻的简化单位增益缓冲探头。

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