示波器基础原理入门指南(上)

示波器是有史以来电子工程师最有用的工具之一。现代模拟示波器面世以来，有成百上千的文章描述了示波器的功能、原理、使用方法以及特定的应用案例。本入门指南旨在对数字示波器进行描述，出于实用目的以指导用户在绝大多数应用场合中使用数字示波器来替代模拟示波器。本入门指南简要介绍了示波器的起源、模拟示波器到数字示波器的历史、数字示波器的类型及其主要子系统、示波器关键指标以及其测量方法。

示波器的起源

诺贝尔奖获得者，德国物理学家 K.F.布劳恩（图 1）在 1897 年出于对物理现象的好奇而发明了 CRT 示波器。他向荧光 CRT 上的水平偏转片施加一个振荡信号，然后向纵向偏转片发送一个测试信号。这两个偏转片会在小荧光屏上产生瞬态的电波图像。该发明逐步演变（图 2）成一台测量仪器，并且其性能在后续的 50 多年里不断改善。工程师霍华德•卫林在 1947 年所作的改进让示波器成为一台非常实用的仪器，首次能够通过触发器来控制扫描功能。

图 1：诺贝尔奖获得者,物理学家 K.F 布劳恩

图 2：早期的示波器

早期的示波器由于缺少触发器，所以只能在输入电压超过可调阈值时才能对输入电压的波形开始进行水平追踪。触发功能可以在 CRT 上保持稳定的重复波形，即多次重复画出相同轨迹的波形。如果没有触发功能，示波器会将多个扫描波形显示在不同的位置上，导致屏幕上出现不连贯的杂乱图形或者移动的图像。示波器的性能和功能得以持续改进的直接因素是高性能的模拟和数字半导体装置，以及软件的飞速发展。

数字化时代的呼唤

得益于较快的模-数转换速度以及用于记录并显示波形的存储器，数字示波器在 20 世纪 80 年代开始崛起并迅速获得普遍应用。

图 3：模拟示波器发展为数字示波器的市场驱动力

即便是最早的数字示波器，也提供了模拟示波器所不具备的触发、分析和显示方面的灵活性。半导体和软件的发展进一步将仪器从模拟为主的构造转变为数字化为主的构造。数字化领域的信号处理为商业和工业产品创造了有利条件，示波器却从中获益尤多。概括地讲，数字示波器不仅能以前所未有的方式来处理信号，还可以更广泛的对信号进行分析，同时也能满足更加复杂和更高速率的数据流的特殊测量要求，而这些也仅仅是数字示波器的众多优势的一部分。数字示波器可以让用户根据信号某些特定参数捕捉特定事件，还可以看到事件发生前的情况。得益于局域网和因特网，用户能够在另一个房间、另一个城镇甚至另一个国家对示波器进行远程操作并显示结果，使其成为自动检测系统的组成部分。数字示波器架构的其中一个关键部分是罗德与施瓦茨公司于 2009 年引入了的数字触发系统，它消除了模拟触发系统的固有限制（比如触发抖动）。数字触发系统会在下文中作详细介绍。

数字示波器的类型

数字示波器具备两项基本功能：信号采集与信号分析。在采集信号样本过程中，采集到的信号会保存在存储器中；而在信号分析时，示波器会分析采集到的波形并将其输出到显示器。目前市面上有各种各样的数字示波器，而这里所介绍的都是当今最常见的示波器类型。

数字采样示波器

数字采样示波器在对信号进行垂直设置之前对信号进行采样。它具备非常宽的带宽，缺点是动态范围有限，一般测量信号的峰-峰值最大约 1 V。与其它某些类型的数字示波器不同，数字采样示波器可以捕捉到信号中远高于仪器采样率的频率分量。相比于其他类型的示波器，它能够测量速度更快的重复周期信号。因此，数字采样示波器可胜任超高带宽的应用测量，比如光纤传输测量，此类示波器成本也较高。

实时采样示波器

当信号的频率范围小于示波器最大采样频率的一半时，实时采样便具有明显的优势。该技术让仪器可以在单次扫描中获取大量样本点，提供高度精确的显示。这是目前能够捕捉最快速单次瞬态信号的唯一方法。

嵌入式系统通常包含数字逻辑信号，以及受时钟控制或者不受时钟控制的并行总线和串行总线，以及标准化或者专用的传输码型。

所有这些信号都必须经过分析，这往往要求使用复杂的测试装置和多种仪器。并且通常还必须同时显示模拟信号和数字信号。为此，现在的许多示波器都具备特定的选件，将数字示波器升级为具有逻辑分析功能的混合工具。这对于数字电路的快速调试来说非常重要，因为它具备数字触发功能、高分辨率、采集及分析功能。

混合信号示波器

混合信号示波器扩展了数字示波器的功能，包含有逻辑和协议分析能力，简化了试验平台并能实现单一仪器的模拟波形、数字信号和协议分析的同步可视化。硬件开发者可以利用混合信号示波器来分