示波器基礎(chǔ)知識(shí)講解

示波器是一種圖形顯示設(shè)備，它描繪電信號的波形曲線。這一簡單的波形能夠說明信號的許多特性：信號的時(shí)間和電壓值、振蕩信號的頻率、信號所代表電路中“變化部分”信號的特定部分相對于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在故障部件使信號產(chǎn)生失真、信號的直流成份（DC）和交流成份（AC）、信號的噪聲值和噪聲隨時(shí)間變化的情況、比較多個(gè)波形信號等。

　　１、示波器的發(fā)展過程

　　初期主要為模擬示波器

　　廿世紀(jì)四十年代是電子示波器興起的時(shí)代，雷達(dá)和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導(dǎo)體和電子計(jì)算機(jī)的問世，促進(jìn)電子示波器的帶寬達(dá)到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻(xiàn)，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲(chǔ)示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達(dá)到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國**，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。

　　模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描**推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和預(yù)前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有**取代模擬示波器之勢，模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。

　　但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點(diǎn)，卻是數(shù)字示波器所不具備的：

　　○ 操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應(yīng)及時(shí)，數(shù)字示波器往往要較長處理時(shí)間。
　　○ 垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。
　　○ 數(shù)據(jù)更新快：每秒捕捉幾十萬個(gè)波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個(gè)波形。
　　○實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。

　　簡而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實(shí)的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進(jìn)行測試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細(xì)微變化都可感知。因此，剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。

　　中期數(shù)字示波器獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷

　　八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進(jìn)，美國的TEK公司和HP公司都對數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。它們后來停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進(jìn)入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的**性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)字示波器更好用。

　　數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從*初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應(yīng)對正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。

　　其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達(dá)到模擬示波器相同水平，*高可達(dá)每秒40萬個(gè)波形，使觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)。

　　再次，采用多處理器加快信號處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測量，使用上與模擬示波器同樣方便。

　　*后，數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示，賦于波形的三維狀態(tài)，即顯示出信號的幅值、時(shí)間以及幅值在時(shí)間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。

　　數(shù)字示波器要有模擬功能
　　模擬示波器用陰極射線管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)電子運(yùn)動(dòng)速度與信號頻率成正比，信號頻率越高電子速度越快，示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比，低頻波形的亮度高，高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲得信號的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時(shí)間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時(shí)間分布的變化。這種與時(shí)間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標(biāo)）效應(yīng)對觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，模擬存儲(chǔ)示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，*高的性能達(dá)到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件.

　　數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因?yàn)樗菙?shù)字處理，只有兩個(gè)狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個(gè)顯示。為達(dá)到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必須采用專用圖象處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲(chǔ)等多項(xiàng)功能，DPX芯片由130萬個(gè)晶體管組成，采用0.65μm的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率高。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時(shí)也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級亮度分級，將波形存儲(chǔ)在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次。由于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對數(shù)據(jù)保存并不方便，而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示，數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率*高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率*低的波形，達(dá)到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達(dá)到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲(chǔ)示波器。來源:www.tede
　　數(shù)字熒光示波器

　　數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，能實(shí)時(shí)顯示、存貯和分析復(fù)雜信號的三維信號信息：幅度、時(shí)間和整個(gè)時(shí)間的幅度分布。

　　DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號；相對而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu)，如圖一、二所示。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù)，使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當(dāng)今復(fù)雜的動(dòng)態(tài)信號中的全部細(xì)節(jié)和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來。

　　普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長時(shí)間記錄，然后作信號處理，這種辦**漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示出信號的動(dòng)態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復(fù)雜波形中的微細(xì)差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號，既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號，還要記錄電視信號中的異常現(xiàn)象，對于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。

　　例.TEK公司的TDS3000系列數(shù)字熒光示波器提供多種測試模塊，可以從前面板右上角插入六種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā)，以及脈沖參數(shù)（上升、下降沿、寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（NTSC、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應(yīng)，亦可分析諧波分布，并且識(shí)別和定位噪聲和干擾來源。還有**分析模塊和極限測試模塊。

　　TDS3000系列示波器是便攜式的，重量不到7磅，可由電池供電，特別適于現(xiàn)場使用。

　　2、如何選擇示波器

　　自從示波器問世以來，它一直是*重要、*常用的電子測試工具之一；由于電子技術(shù)的發(fā)展，示波器的能力也在不斷提升，其性能與價(jià)格也五花八門，市場參差不齊，本文從多方面闡述您如何選擇示波器。

　　了解您的信號？

　　您要知道您用示波器觀察什么？既您要捕捉并觀察的信號其典型性能是什么？您的信號是否有復(fù)雜的特性？您的信號是重復(fù)信號還是單次信號？您要測量的信號過渡過程帶寬，或者上升時(shí)間是多大？您打算用何種信號特性來觸發(fā)短脈沖、脈沖寬度、窄脈沖等？您打算同時(shí)顯示多少信號？

　　模擬還是數(shù)字？

　　參見前面的《示波器發(fā)展》。總之，傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的面板控制，價(jià)格低廉，因而總覺得模擬示波器“使用方便”。但是隨著A/D轉(zhuǎn)換器速度逐年提高和價(jià)格不斷降低，以及數(shù)字示波器不斷增加的測量能力和實(shí)際上不受限制的各種功能，數(shù)字示波器已獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

　　帶寬如何？

　　帶寬一般定義為正弦輸入信號幅度衰減到-3dB時(shí)的頻率，即70.7%，帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。隨著信號頻率的增加，示波器對信號的準(zhǔn)確顯示能力將下降，如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化。幅度將出現(xiàn)失真，邊緣將會(huì)消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。如果沒有足夠的帶寬，得到的關(guān)于信號的所有特性，響鈴和振鳴等都毫無意義。

　　一個(gè)決定您所需要的示波器帶寬有效的經(jīng)驗(yàn)法則是“5倍準(zhǔn)則”；即將您要測量的信號*高頻率分量乘以5。這將會(huì)使您在測量中獲得高于2%的精度。

　　在某些應(yīng)用場合，您不知道你的感興趣的信號帶寬，但是您知道它的*快上升時(shí)間，大多數(shù)字示波器的頻率響應(yīng)用下面的公式來計(jì)算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時(shí)間：Bw=0.35/信號的*快上升時(shí)間。
　　帶寬有兩種類型：重復(fù)（或等效時(shí)間）帶寬和實(shí)時(shí)（或單次）帶寬。重復(fù)帶寬只適用于重復(fù)的信號，顯示來自于多次信號采集期間的采樣。實(shí)時(shí)帶寬是示波器的單次采樣中所能捕捉的*高頻率，且當(dāng)捕捉的事件不是經(jīng)常出現(xiàn)時(shí)要求相當(dāng)苛刻。實(shí)時(shí)帶寬與采樣速率聯(lián)系在一起。

　　由于更寬的帶寬往往意味著更高的價(jià)格，因此應(yīng)對照你的預(yù)算來評定通常要觀察信號的頻率成分。

　　采樣速率怎樣？

　　定義為每秒采樣次數(shù)（S/s），指數(shù)字示波器對信號采樣的頻率。示波器的采樣速率越快，所顯示的波形的分辨率和清晰度就高，重要信息和事件丟失的概率就越小。

　　如果需要觀測較長時(shí)間范圍內(nèi)的慢變信號，則*小采樣速率就變得較為重要。為了在顯示的波形記錄中保持固定的波形數(shù)，需要調(diào)整水平控制按鈕，而所顯示的采樣速率也將隨著水平調(diào)節(jié)按鈕的調(diào)節(jié)而變化。

　　如何計(jì)算采樣速率？計(jì)算方法取決于所測量的波形的類型，以及示波器所采用的信號重建方式。
　　為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號并避免混淆，奈奎斯定理規(guī)定：信號的采樣速率必須不小于其*高頻率成分的兩倍。然而，這個(gè)定理的前提是基于無限長時(shí)間和連續(xù)的信號。由于沒有示波器可以提供無限時(shí)間的記錄長度，而且，從定義上看，低頻干擾是不連續(xù)的，所以采用兩倍于*高頻率成分的采樣速率通常是不夠的。

　　實(shí)際上，信號的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號采樣點(diǎn)間隙所采用的插值法。一些示波器會(huì)為操作者提供以下選擇：測量正弦信號的正弦插值法，以及測量矩形波、脈沖和其他信號類型的線性插值法。

　　有一個(gè)在比較取樣速率和信號帶寬時(shí)很有用的經(jīng)驗(yàn)法則：如果您正在觀察的示波器有內(nèi)插（通過篩選以便在取樣點(diǎn)間重新生成），則（取樣速率/信號帶寬）的比值至少應(yīng)為4∶1。無正弦內(nèi)插時(shí)，則應(yīng)采取10∶1的比值。

　　屏幕刷新率多快？

　　所有的示波器都會(huì)閃爍。也就是說，示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號，在這些測量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測量。這就是波形捕獲速率，也稱屏幕刷新率，表示為波形數(shù)每秒（wfms/s）。采樣速率表示的是示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi)，采樣輸入信號的頻率;波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會(huì)提供更多的重要信號特性，并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時(shí)的異常情況，如抖動(dòng)、矮脈沖、低頻干擾和瞬時(shí)誤差的概率。

　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）使用串行處理結(jié)構(gòu)每秒鐘可以捕獲10到5000個(gè)波形。DPO數(shù)字熒光示波器采用并行處理結(jié)構(gòu)，可以提供更高的波形捕獲速率，有的高達(dá)每秒數(shù)百萬個(gè)波形，大大提高了捕獲間歇和難以捕捉事件的可能性，并能讓您更快地發(fā)現(xiàn)信號存在的問題。

　　存儲(chǔ)深度是多少？

　　存儲(chǔ)深度是示波器所能存儲(chǔ)的采樣點(diǎn)多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個(gè)脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲(chǔ)器以便捕捉整個(gè)事件。將所要捕捉的時(shí)間長度除以**重現(xiàn)信號所須的取樣速度，可以計(jì)算出所要求的存儲(chǔ)深度，也稱記錄長度。

　　在正確位置上捕捉信號的有效觸發(fā)，通常可以減小示波器實(shí)際需要的存儲(chǔ)量。

　　存儲(chǔ)深度與取樣速度密切相關(guān)。您所需要的存儲(chǔ)深度取決于要測量的總時(shí)間跨度和所要求的時(shí)間分辨率。

　　現(xiàn)代的示波器允許用戶選擇記錄長度，以便對一些操作中的細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化。分析一個(gè)十分穩(wěn)定的正弦信號，只需要500點(diǎn)的記錄長度；但如果要解析一個(gè)復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要有一百萬個(gè)點(diǎn)或更多點(diǎn)的記錄長度。

　　要求何種觸發(fā)？

　　示波器的觸發(fā)能使信號在正確的位置點(diǎn)同步水平掃描，決定著信號特性是否清晰。觸發(fā)控制按鈕可以穩(wěn)定重復(fù)的波形并捕獲單次波形。

　　大多數(shù)通用示波器的用戶只采用邊沿觸發(fā)方式，您可能發(fā)現(xiàn)擁有其它觸發(fā)能力在某些應(yīng)用是有益的。特別是對新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的故障查尋。先進(jìn)的觸發(fā)方式可將所關(guān)心的事件分離出來，從而*有效地利用取樣速度和存儲(chǔ)深度。

　　現(xiàn)今有很多示波器，具有先進(jìn)的觸發(fā)能力：您能根據(jù)由幅度定義的脈沖（如短脈沖），由時(shí)間限定的脈沖（脈沖寬度、窄脈沖、轉(zhuǎn)換率、建立/保持時(shí)間）和由邏輯狀態(tài)或圖形描述的脈沖（邏輯觸發(fā)）進(jìn)行觸發(fā)。擴(kuò)展和常規(guī)的觸發(fā)功能組合也幫助顯示視頻和其它難以捕捉的信號，如此先進(jìn)的觸發(fā)能力，在設(shè)置測試過程時(shí)提供了很大程度的靈活性，而且能大大地簡化工作。

　　有多少通道？

　　您需要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用。對于通常的經(jīng)濟(jì)型故障查尋應(yīng)用來說，需要的是雙通道示波器。然而，如果要求觀察若干個(gè)模擬信號的相互關(guān)系，將需要一臺(tái)4通道示波器。許多工作于模擬與數(shù)字兩種信號的系統(tǒng)的工程師也考慮采用4通道示波器。還有一種較新的選擇，即所謂混合信號示波器，它將邏輯分析儀的通道計(jì)數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時(shí)間相關(guān)顯示的單一儀器之中。

　　您能發(fā)現(xiàn)這些難以捉摸的異常現(xiàn)象嗎？

　　三個(gè)主要因素影響著示波器顯示日常測試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信號的能力：屏幕更新速率、波形捕獲方式、和觸發(fā)能力。波形捕獲模式有以下幾種：采樣模式、峰值檢測模式、高分辨率模式、包絡(luò)模式、平均值模式等。總之更新速率給您關(guān)于示波器對信號和控制的變化反應(yīng)有多快的概念，而峰值檢測有助于在較慢的信號中捕捉快速信號的峰值。*好的辦法是看看示波器對您的信號處理情況，觀察一下更新速率和峰值檢測的反應(yīng)，以確信這些功能并未因其它方面缺乏靈活性而受到損害。
　　示波器的指標(biāo)精度如何？

　　示波器的指標(biāo)有很多：如垂直靈敏度、掃描速度、增益精度、時(shí)間基準(zhǔn)、垂直分辨率、保修期等。

　　確定所需要的分析功能？

　　數(shù)字示波器的*大優(yōu)點(diǎn)是它們能得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，且按一下按鈕即可實(shí)現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號而異，但它們一般包括諸如頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等等的測量。某些數(shù)字示波器還提供快速傅里葉變換（FFT）功能。

　　探頭和附件如何？

　　容易忘記的一點(diǎn)是，當(dāng)安上探頭時(shí)，它就成為電路的一部分了。結(jié)果它將造成電阻性、電容性和電感性負(fù)載，使示波器呈現(xiàn)出與被測對象不同的測量結(jié)果。因此，針對不同應(yīng)用應(yīng)備有適當(dāng)?shù)奶结槪缓筮x擇其中一種，使負(fù)載效應(yīng)*小，使信號得到***的復(fù)現(xiàn)。由于SMT元件的發(fā)展，連接更因難。

　　您能不費(fèi)力地使用這臺(tái)示波器嗎？

　　很顯然，如果您不能訪問各種功能，或者要花很多時(shí)間去學(xué)習(xí)它們，那么您的示波器將價(jià)值不大。
　　示波器的數(shù)據(jù)管理和連接性怎樣？

　　對測量結(jié)果的分析是非常重要的。將信息和測量結(jié)果在高速通信網(wǎng)絡(luò)中便捷地保存和共享也變得日益重要。

　　示波器的互聯(lián)性提供對結(jié)果的**分析能力并簡化結(jié)果的存檔和共享。一些示波器通過標(biāo)準(zhǔn)的接口（GPIB、RS-232、USB、以太網(wǎng)）和網(wǎng)絡(luò)通信模式提供一系列的功能和控制方式。

　　示波器是否可具有擴(kuò)展性？

　　示波器應(yīng)該能夠不斷地適應(yīng)需求的變化。一些示波器可以隨機(jī)擴(kuò)展：
　　○ 增加通道的內(nèi)存以分析更長的記錄長度
　　○ 增加面對具體應(yīng)用的測量功能
　　○ 有一整套兼容的探頭和模塊，加強(qiáng)示波器的能力
　　○ 同通用第三方的Windows兼容的分析軟件協(xié)同工作
　　○ 增加附件，如電池組和機(jī)架固定件等。

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