示波器基礎(chǔ)知識

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間變化的情況、比較多個波形信號等。

　　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代，雷達和電視的開發(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)體和電子計算機的問世，促進電子示波器的帶寬達到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，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)以美國領(lǐng)先，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全面推進。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，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。

　　但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點，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，數(shù)字示波器往往要較長處理時間。

　　○ 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：每秒捕捉幾十萬個波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。

　　○ 實時帶寬和實時顯示：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)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計算，容易出現(xiàn)混淆波形。

　　簡而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進行測試。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，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。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，更重要的是它的全面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，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，達到模擬示波器相同水平， 高可達每秒40萬個波形，使觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強。

　　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)，改進為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動測量，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、時間以及幅值在時間上的分布。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)電子運動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，水平軸表示時間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關(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，模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品， 高的性能達到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,因為它是數(shù)字處理，只有兩個狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達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、圖象處理和存儲等多項功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，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，達到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲示波器。

　　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，能實時顯示、存貯和分析復(fù)雜信號的三維信號信息：幅度、時間和整個時間的幅度分布。

　　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)事件需要使用長時間記錄，然后作信號處理，這種辦法會漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示出信號的動態(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，并且識別和定位噪聲和干擾來源。還有高級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。

圖一：數(shù)字存儲示波器（DSO）串行結(jié)構(gòu)

圖二：數(shù)字熒光示波器（DPO）并行結(jié)構(gòu)

　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)的觀點認(rèn)為模擬示波器具有熟悉的面板控制，價格低廉，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格不斷降低，以及數(shù)字示波器不斷增加的測量能力和實際上不受限制的各種功能，數(shù)字示波器已獨領(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。

　　一個決定您所需要的示波器帶寬有效的經(jīng)驗法則是“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 快上升時間，大多數(shù)字示波器的頻率響應(yīng)用下面的公式來計算關(guān)聯(lián)帶寬和儀器的上升時間：Bw=0.35/信號的 快上升時間。

　　帶寬有兩種類型：重復(fù)（或等效時間）帶寬和實時（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。實時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)時要求相當(dāng)苛刻。實時帶寬與采樣速率聯(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。

　　如何計算采樣速率？計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，這個定理的前提是基于無限長時間和連續(xù)的信號。由于沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度，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間隙所采用的插值法。一些示波器會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。

　　有一個在比較取樣速率和信號帶寬時很有用的經(jīng)驗法則：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，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，在這些測量點之間將不再進行測量。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的異常情況，如抖動、矮脈沖、低頻干擾和瞬時誤差的概率。

　　數(shù)字存儲示波器（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，有的高達每秒數(shù)百萬個波形，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。

　　存儲深度是多少？

　　存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。如果您需要不間斷的捕捉一個脈沖串，則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個事件。將所要捕捉的時間長度除以精確重現(xiàn)信號所須的取樣速度，可以計算出所要求的存儲深度，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際需要的存儲量。

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

　　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)進行優(yōu)化。分析一個十分穩(wěn)定的正弦信號，只需要500點的記錄長度；但如果要解析一個復(fù)雜的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。

　　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)計產(chǎn)品的故障查尋。先進的觸發(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深度。

　　現(xiàn)今有很多示波器，具有先進的觸發(fā)能力：您能根據(jù)由幅度定義的脈沖（如短脈沖），由時間限定的脈沖（脈沖寬度、窄脈沖、轉(zhuǎn)換率、建立/保持時間）和由邏輯狀態(tài)或圖形描述的脈沖（邏輯觸發(fā)）進行觸發(fā)。擴展和常規(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，如此先進的觸發(fā)能力，在設(shè)置測試過程時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模擬信號的相互關(guān)系，將需要一臺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數(shù)及觸發(fā)能力與示波器的較高分辨率綜合到具有時間相關(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、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)點是它們能得到的數(shù)據(jù)進行測量，且按一下按鈕即可實現(xiàn)各種分析功能。雖然可利用的功能因廠家和型號而異，但它們一般括諸如頻率、上升時間、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？

　　容易忘記的一點是，當(dāng)安上探頭時，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�然后選擇其中一種，使負(fù)載效應(yīng) 小，使信號得到 精確的復(fù)現(xiàn)。由于SMT元件的發(fā)展，連接更因難。

　　您能不費力地使用這臺示波器嗎？

　　很顯然，如果您不能訪問各種功能，或者要花很多時間去學(xué)習(xí)它們，那么您的示波器將價值不大。

　　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)果的高級分析能力并簡化結(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擴展：

　　○ 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，如電池組和機架固定件等。

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