示波器的原理和使用基础知识

示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。

1、示波器的发展过程

初期主要为模拟示波器

廿世纪四十年代是电子示波器兴起的时代，雷达和电视的开发需要性能良好的波形观察工具，泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。五十年代半导体和电子计算机的问世，促进电子示波器的带宽达到100MHz。六十年代美国、日本、英国、法国在电子示波器开发方面各有不同的贡献，出现带宽6GHz的取样示波器、带宽4GHz的行波示波管、1GHz的存储示波管；便携式、插件式示波器成为系列产品。七十年代模拟式电子示波器达到高峰，行谱系列非常完整，带宽1GHz的多功能插件式示波器标志着当时科学技术的高水平，为测试数字电路又增添逻辑示波器和数字波形记录器。模拟示波器从此没有更大的进展，开始让位于数字示波器，英国和法国甚至退出示波器市场，技术以美国领先，中低档产品由日本生产。

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器逐渐从前台退到后台。

但是在发展初期模拟示波器的某些特点，却是数字示波器所不具备的：

○ 操作简单：全部操作都在面板上可以找到，波形反应及时，数字示波器往往要较长处理时间。

○ 垂直分辨率高：连续而且无限级，数字示波器分辨率一般只有8位至10位。

○ 数据更新快：每秒捕捉几十万个波形，数字示波器每秒捕捉几十个波形。

○ 实时带宽和实时显示：连续波形与单次波形的带宽相同，数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。

简而言之，模拟示波器为工程技术人员提供眼见为实的波形，在规定的带宽内可非常放心进行测试。人类五官中眼睛视觉神经十分灵敏，屏幕波形瞬间反映至大脑作出判断，细微变化都可感知。因此，刚开始模拟示波器深受使用者的欢迎。

中期数字示波器独领风骚

八十年代的数字示波器处在转型阶段，还有不少地方要改进，美国的TEK公司和HP公司都对数字示波器的发展作出贡献。它们后来停产模拟示波器，并且只生产性能好的数字示波器。进入九十年代，数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。出现所谓数字示波器模拟化的现象，换句话说，尽量吸收模拟示波器的优点，使数字示波器更好用。

数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。带宽1GHz的取样率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。

其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。

再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。

最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。具有这种功能的数字示波器称为数字荧光示波器或数字余辉示波器即数模兼合。

数字示波器要有模拟功能

模拟示波器用阴极射线管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同，亦即示波管内电子运动速度与信号频率成正比，信号频率越高电子速度越快，示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比，低频波形的亮度高，高频波形的亮度低。利用荧光屏幕的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息，如用屏幕垂直轴表示幅度，水平轴表示时间，则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉（灰度定标）效应对观察混合波形和偶发波形十分有效，模拟存储示波器就是这种专用示波器的代表产品，最高的性能达到800MHz带宽，可记录到1ns左右的快速瞬变偶发事件.

数字示波器缺少余辉显示功能,因为它是数字处理，只有两个状态，非高即低，原则上波形也是“有”和“无”两个显示。为达到模拟示波器那样的多层次亮度变化，必须采用专用图象处理芯片，例如TEK公司采用DPX型处理器芯片，具有数据采集、图象处理和存储等多项功能，DPX芯片由130万个晶体管组成，采用0.65μm的CMOS工艺，并行流水结构，取样率高。它既是数据采集芯片，同时也是光栅扫描器，模拟示波管屏幕荧光体的发光特性，用16级亮度分级，将波形存储在500×200像素的LCD单色或彩色显示屏上，每1/30秒更新一次。由于模拟存储示波器只能依靠照相底片记录波形，对数据保存并不方便，而数字荧光示波器是数字处理的显示，数据记录、处理、保存都十分方便。例如用红色表示出现几率最高的波形，兰色表示出现几率最低的波形，达到一目了然。由于数字示波器已经达到4GHz以上带宽的水平，配合荧光显示特性，总的性能优于模拟存储示波器。

数字荧光示波器

数字荧光示波器（DPO）为示波器系列增加了一种新的类型，能实时显示、存贮和分析复杂信号的三维信号信息：幅度、时间和整个时间的幅度分布。

DSO采用串行处理的体系结构捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采用的是并行体系结构，如图一、二所示。并行结构和基于ASIC硬件的处理技术，使数字荧光示波器能够捕捉到当今复杂的动态信号中的全部细节和异常情况，并以人类的眼睛的接受速度显示出来。

普通数字示波器要观察偶发事件需要使用长时间记录，然后作信号处理，这种办法会漏掉非周期性出现的信号和不能显示出信号的动态特性。数字荧光示波器能够显示复杂波形中的微细差别，以及出现的频繁程度。例如观察电视信号，既有行扫描、帧扫描、视频信号和伴音信号，还要记录电视信号中的异常现象，对于专业人员和维修人员都是同样重要的。                                 

例.TEK公司的TDS3000系列数字荧光示波器提供多种测试模块，可以从前面板右上角插入六种模块。例如触发模块可作逻辑状态、逻辑图形触发，以及脉冲参数（上升、下降沿、宽度、周期等）；电视模块专用于多种制式的（NTSC、PAL和SECAM）波形记录；快速傅里叶变换（FFT）模块可快速显示信号的频率成分和频谱分布，既可分析脉冲响应，亦可分析谐波分布，并且识别和定位噪声和干扰来源。还有高级分析模块和极限测试模块。

TDS3000系列示波器是便携式的，重量不到7磅，可由电池供电，特别适于现场使用。



图一：数字存储示波器（DSO）串行结构



图二：数字荧光示波器（DPO）并行结构

2、如何选择示波器

自从示波器问世以来，它一直是最重要、最常用的电子测试工具之一 ；由于电子技术的发展，示波器的能力也在不断提升，其性能与价格也五花八门，市场参差不齐，本文从多方面阐述您如何选择示波器。

了解您的信号？

您要知道您用示波器观察什么？既您要捕捉并观察的信号其典型性能是什么？您的信号是否有复杂的特性？您的信号是重复信号还是单次信号？您要测量的信号过渡过程带宽，或者上升时间是多大？您打算用何种信号特性来触发短脉冲、脉冲宽度、窄脉冲等？您打算同时显示多少信号？

模拟还是数字？

参见前面的《示波器发展》。总之，传统的观点认为模拟示波器具有熟悉的面板控制，价格低廉，因而总觉得模拟示波器“使用方便”。但是随着A/D转换器速度逐年提高和价格不断降低，以及数字示波器不断增加的测量能力和实际上不受限制的各种功能，数字示波器已独领风骚。

带宽如何？

带宽一般定义为正弦输入信号幅度衰减到-3dB时的频率，即70.7%，带宽决定示波器对信号的基本测量能力。随着信号频率的增加，示波器对信号的准确显示能力将下降，如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。如果没有足够的带宽，得到的关于信号的所有特性，响铃和振鸣等都毫无意义。

一个决定您所需要的示波器带宽有效的经验法则是“5倍准则”；即将您要测量的信号最高频率分量乘以5。这将会使您在测量中获得高于2%的精度。在某些应用场合，您不知道你的感兴趣的信号带宽，但是您知道它的最快上升时间，大多数字示波器的频率响应用下面的公式来计算关联带宽和仪器的上升时间：Bw=0.35/信号的最快上升时间。

带宽有两种类型：重复（或等效时间）带宽和实时（或单次）带宽。重复带宽只适用于重复的信号，显示来自于多次信号采集期间的采样。实时带宽是示波器的单次采样中所能捕捉的最高频率，且当捕捉的事件不是经常出现时要求相当苛刻。实时带宽与采样速率联系在一起。

由于更宽的带宽往往意味着更高的价格，因此应对照你的预算来评定通常要观察信号的频率成分。

采样速率怎样？

定义为每秒采样次数（S/s），指数字示波器对信号采样的频率。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丢失的概率就越小。

如果需要观测较长时间范围内的慢变信号，则最小采样速率就变得较为重要。为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制按钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化。

如何计算采样速率？计算方法取决于所测量的波形的类型，以及示波器所采用的信号重建方式。

为了准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯定理规定：信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而，这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度，而且，从定义上看，低频干扰是不连续的，所以采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。

实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。

有一个在比较取样速率和信号带宽时很有用的经验法则：如果您正在观察的示波器有内插（通过筛选以便在取样点间重新生成），则（取样速率/信号带宽）的比值至少应为4∶1。无正弦内插时，则应采取10∶1的比值。

屏幕刷新率多快？

所有的示波器都会闪烁。也就是说，示波器每秒钟以特定的次数捕获信号，在这些测量点之间将不再进行测量。这就是波形捕获速率，也称屏幕刷新率，表示为波形数每秒（wfms/s）。采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内，采样输入信号的频率; 波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别，且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性，并能极大地增加示波器快速捕获瞬时的异常情况，如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。

数字存储示波器（DSO）使用串行处理结构每秒钟可以捕获10到5000个波形。DPO数字荧光示波器采用并行处理结构，可以提供更高的波形捕获速率，有的高达每秒数百万个波形，大大提高了捕获间歇和难以捕捉事件的可能性，并能让您更快地发现信号存在的问题。

存储深度是多少？

存储深度是示波器所能存储的采样点多少的量度。如果您需要不间断的捕捉一个脉冲串，则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。将所要捕捉的时间长度除以精确重现信号所须的取样速度，可以计算出所要求的存储深度，也称记录长度。

在正确位置上捕捉信号的有效触发，通常可以减小示波器实际需要的存储量。

存储深度与取样速度密切相关。您所需要的存储深度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。

现代的示波器允许用户选择记录长度，以便对一些操作中的细节进行优化。分析一个十分稳定的正弦信号，只需要500点的记录长度；但如果要解析一个复杂的数字数据流，则需要有一百万个点或更多点的记录长度。  

要求何种触发？

示波器的触发能使信号在正确的位置点同步水平扫描，决定着信号特性是否清晰。触发控制按钮可以稳定重复的波形并捕获单次波形。

大多数通用示波器的用户只采用边沿触发方式，您可能发现拥有其它触发能力在某些应用是有益的。特别是对新设计产品的故障查寻。先进的触发方式可将所关心的事件分离出来，从而最有效地利用取样速度和存储深度。

现今有很多示波器，具有先进的触发能力：您能根据由幅度定义的脉冲（如短脉冲），由时间限定的脉冲（脉冲宽度、窄脉冲、转换率、建立/保持时间）和由逻辑状态或图形描述的脉冲（逻辑触发）进行触发。扩展和常规的触发功能组合也帮助显示视频和其它难以捕捉的信号，如此先进的触发能力，在设置测试过程时提供了很大程度的灵活性，而且能大大地简化工作。

有多少通道？

您需要的通道数取决于您的应用。对于通常的经济型故障查寻应用来说，需要的是双通道示波器。然而，如果要求观察若干个模拟信号的相互关系，将需要一台4通道示波器。许多工作于模拟与数字两种信号的系统的工程师也考虑采用4通道示波器。还有一种较新的选择，即所谓混合信号示波器，它将逻辑分析仪的通道计数及触发能力与示波器的较高分辨率综合到具有时间相关显示的单一仪器之中。

您能发现这些难以捉摸的异常现象吗？

三个主要因素影响着示波器显示日常测试与调试中所遇到的未知和复杂信号的能力：屏幕更新速率、波形捕获方式、和触发能力。波形捕获模式有以下几种：采样模式、峰值检测模式、高分辨率模式、包络模式、平均值模式等。总之更新速率给您关于示波器对信号和控制的变化反应有多快的概念，而峰值检测有助于在较慢的信号中捕捉快速信号的峰值。最好的办法是看看示波器对您的信号处理情况，观察一下更新速率和峰值检测的反应，以确信这些功能并未因其它方面缺乏灵活性而受到损害。

示波器的指标精度如何？

示波器的指标有很多：如垂直灵敏度、扫描速度、增益精度、时间基准、垂直分辨率、保修期等。

确定所需要的分析功能？

数字示波器的最大优点是它们能得到的数据进行测量，且按一下按钮即可实现各种分析功能。虽然可利用的功能因厂家和型号而异，但它们一般包括诸如频率、上升时间、脉冲宽度等等的测量。某些数字示波器还提供快速傅里叶变换（FFT）功能。

探头和附件如何？

容易忘记的一点是，当安上探头时，它就成为电路的一部分了。结果它将造成电阻性、电容性和电感性负载，使示波器呈现出与被测对象不同的测量结果。因此，针对不同应用应备有适当的探针，然后选择其中一种，使负载效应最小，使信号得到最精确的复现。由于SMT元件的发展，连接更因难。

您能不费力地使用这台示波器吗？

很显然，如果您不能访问各种功能，或者要花很多时间去学习它们，那么您的示波器将价值不大。

示波器的数据管理和连接性怎样？

对测量结果的分析是非常重要的。将信息和测量结果在高速通信网络中便捷地保存和共享也变得日益重要。

示波器的互联性提供对结果的高级分析能力并简化结果的存档和共享。一些示波器通过标准的接口（GPIB、RS-232、USB、以太网）和网络通信模式提供一系列的功能和控制方式。

示波器是否可具有扩展性？

示波器应该能够不断地适应需求的变化。一些示波器可以随机扩展：

○ 增加通道的内存以分析更长的记录长度

○ 增加面对具体应用的测量功能

○ 有一整套兼容的探头和模块，加强示波器的能力

○ 同通用第三方的Windows兼容的分析软件协同工作

○ 增加附件，如电池组和机架固定件等。