【二代示波器教程】第1章 示波器基礎(chǔ)知識

第第頁【二代示波器教程】第1章示波器基礎(chǔ)知識1.1什么是示波器示波器是形象地顯示信號幅度隨時間變化的波形顯示儀器，是一種綜合的信號特性測試儀，是電子測量儀器的基本種類。

自然界運行著各種形式的正弦波，比如海浪、地震、聲波、爆破、空氣中傳播的聲音，或者身體運轉(zhuǎn)的自然節(jié)律。物理世界里，能量、振動粒子和不可見的力無處不在。即使是光（波粒二象物質(zhì)）也有自己的基頻，并因為基頻的不同呈現(xiàn)出不同的顏色。通過傳感器，這些力可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，以便通過示波器能夠進行觀察和研究。有了示波器，科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員、教育工和他人能夠“觀察”隨時間變化的事件。

示波器是任何設(shè)計、制造或是維修電子設(shè)備的必備之物。當(dāng)今世界瞬時萬變，工程師們需要最好的工具，快速而精確地解決測量疑難。在工程師看來，面對當(dāng)今各種測量挑戰(zhàn)，示波器自然是滿足要求的關(guān)鍵工具。示波器的用途不僅僅局限于電子領(lǐng)域。示波器利用信號變換器，適用于各種各樣的物理現(xiàn)象。信號變換器能夠響應(yīng)各種物理激勵源，使之轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺曇?、機械應(yīng)力、壓力、光、熱。麥克風(fēng)屬于信號變換器，它實現(xiàn)把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由示波器收集科學(xué)數(shù)據(jù)的例子如圖1所示。

從物理學(xué)家到電視維修人員，各種人士都使用示波器。汽車工程師使用示波器來測量發(fā)動機的振動。醫(yī)師使用示波器測量腦電波。描述示波器的用途是沒有止境的。

1.2示波器的發(fā)展史電子設(shè)備可以劃分為兩類：模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備。模擬設(shè)備的電壓變化連續(xù)，而數(shù)字設(shè)備處理的是代表電壓采樣的離散二元碼。傳統(tǒng)的電唱機是模擬設(shè)備，而CD播放器是屬于數(shù)字設(shè)備。同樣，示波器也能分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。但是，對于一些特定應(yīng)用，由于兩者具備的不同特性，每種類型都有適合和不適合的地方。作進一步劃分，數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

1.2.1模擬示波器初期主要是模擬示波器（CRT），始創(chuàng)于二十世紀(jì)四十年代，最早應(yīng)用于雷達和電視的開發(fā)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)。在本質(zhì)上，模擬示波器工作方式是直接測量信號電壓，并通過從左到右穿過示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓。示波器屏幕通常是陰極射線管（CRT）。電子束投到熒幕的某處，屏幕后面總會有明亮的熒光物質(zhì)。當(dāng)電子束水平掃過顯示器時，信號的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)，跟蹤波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置電子束投射的頻度越大，顯示得也越亮。CRT限制著模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方，信號呈現(xiàn)出明亮而緩慢移動的點，而很難分辨出波形。在高頻處，起局限作用的是CRT的寫速度。當(dāng)信號頻率超過CRT的寫速度時，顯示出來的過于暗淡，難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。當(dāng)把示波器探頭和電路連接到一起后，電壓信號通過探頭到達示波器的

垂直系統(tǒng)。圖解出模擬示波器是如何顯示被測信號。設(shè)置垂直標(biāo)度（對伏特/格進行控制）后，衰減器能夠減小信號的電壓，而放大器可以增加信號電壓。隨后，信號直接到達CRT的垂直偏轉(zhuǎn)板。電壓作用于這些垂直偏轉(zhuǎn)板，引起亮點在屏幕中移動。亮點是由打在CRT內(nèi)部熒光物質(zhì)上的電子束產(chǎn)生的。正電壓引起點向上運動，而負電壓引起點向下運動。

1.2.2數(shù)字示波器中期數(shù)字示波器獨領(lǐng)風(fēng)騷（DSO），始創(chuàng)于二十世紀(jì)九十年代，數(shù)字示波器提高帶寬到1GHz以上，全面性能超越模擬示波器。模擬示波器和數(shù)字示波器的比較：1.2.3數(shù)字熒光示波器（DPO）數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型。DPO的體系結(jié)構(gòu)使之能提供獨特的捕獲和顯示能力，加速重構(gòu)信號。DSO使用串行處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲、顯示和分析信號；相對而言，DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，如下圖所示(TekDPO)。DPO采用ASIC硬件構(gòu)架捕獲波形圖象，提供高速率的波形采集率，信號的可視化程度很高。它增加了證明數(shù)字系統(tǒng)中的瞬態(tài)事件的可能性。隨后將對該并行處理體系結(jié)構(gòu)進行闡述。1.2.4高靈敏度示波器帶寬很低，1MHz左右，靈敏度很高，可到幾十微伏每格，用以測量和顯示一般示波器不能觀察到的各種微弱的電信號。1.2.5虛擬示波器利用計算機資源做數(shù)據(jù)處理和顯示，體積小巧。1.3示波器基本概念1.3.1波的組成正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可以視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。對于非正弦波由最小值過渡到最大值的時間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。

對于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。

比如：方波是由基波以及3,5,7,9……次諧波分量遞加而成(這個咱們在介紹FFT的時候有講解)。1.3.2波的基本參數(shù)1.3.3數(shù)字示波器串行處理DSO第一部分（輸入）是垂直放大器。在這一階段，垂直控制系統(tǒng)方便您調(diào)整幅度和位置范圍。緊接著，在水平系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）部分，信號實時在離散點采樣，采樣位置的信號電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值稱為采樣點。該處理過程稱為信號數(shù)字化。水平系統(tǒng)的采樣時鐘決定ADC采樣的頻度。該速率稱為采樣速率，表示為樣值每秒（S/s）。來自ADC的采樣點存儲在捕獲存儲區(qū)內(nèi)，叫做波形點。幾個采樣點可以組成一個波形點。波形點共同組成一條波形記錄。創(chuàng)建一條波形記錄的波形點的數(shù)量稱為記錄長度。觸發(fā)系統(tǒng)決定記錄的起始和終止點。DSO信號通道中包括微處理器，被測信號在顯示之前要通過微處理器處理。微處理器處理信號，調(diào)整顯示運行，管理前面板調(diào)節(jié)裝置，等等。信號通過顯存，最后顯示到示波器屏幕中。在示波器的能力范圍之內(nèi)，采樣點會經(jīng)過補充處理，顯示效果得到增強?？梢栽黾宇A(yù)觸發(fā)，使在觸發(fā)點之前也能觀察到結(jié)果。

目前大多數(shù)數(shù)字示波器也提供自動參數(shù)測量，使測量過程得到簡化。DSO提供高性能處理單脈沖信號和多通道的能力。DSO是低重復(fù)率或者單脈沖、高速、多通道設(shè)計應(yīng)用的完美工具。在數(shù)字設(shè)計實踐中，工程師常常同時檢查四路甚至更多的信號，而DSO則成為標(biāo)準(zhǔn)的合作伙伴。

1.3.4帶寬數(shù)字示波器帶寬也稱為模擬帶寬，指示波器前端輸入放大器的帶寬，相當(dāng)于一個低通濾波。定義為在幅頻特性曲線中，隨正弦波頻率的增加，信號的幅度下降到3dB(70.7％)，此時的頻率點稱為示波器的帶寬。在波形的主要諧波分量中提到過，如果要對波形進行準(zhǔn)確測量應(yīng)該讓示波器的帶寬大于波形的主要諧波分量。因此對于正弦波可以要求示波器的帶寬大于波形的頻率，但是對應(yīng)非正弦波則要求示波器的帶寬大于波形的最大主要諧波頻率。

對于帶寬帶來的波形影響具體表現(xiàn)在以下兩方面：

1.由于低帶寬導(dǎo)致的主要諧波分量消失，使原本規(guī)則的波形呈圓弧狀接近正弦波。

2.低帶寬給波形的上升時間和幅度的測量帶來較大的誤差。

下列圖示為一個10MHz的方波在200MHz帶寬和10MHz帶寬示波器上的顯示效果圖。

1.3.5帶寬與最高頻率準(zhǔn)則5倍準(zhǔn)則(The5timesrule)。

示波器所需帶寬＝被測信號的最高頻率成分×5。

測定示波器帶寬的方法：在具體操作中準(zhǔn)確表征信號幅度，并運用5倍準(zhǔn)則。使用五倍準(zhǔn)則選定的示波器的測量誤差將不會超過＋/－2%，對今天的操作來說已經(jīng)足夠。然而，隨著信號速率的增加，這個經(jīng)驗準(zhǔn)則將不再適用。記住，帶寬越高，再現(xiàn)的信號就越準(zhǔn)確。

1.3.6采樣率采樣率指示示波器按照一定的時間間隔將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并且順序存儲的過程。

較高的采樣速率提供較高的信號分辨率，可以讓讀者觀察到斷續(xù)的事件。

采樣速率：表示為樣點數(shù)每秒（S/s），指數(shù)字示波器對信號采樣的頻率，類似于電影攝影機中的幀的概念。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越高，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，則最小采樣速率就變得較為重要。典型地，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構(gòu)方式。為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號并避免混淆，奈奎斯特定理規(guī)定，信號的采樣速率必須不小于其最高頻率成分的兩倍。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，采用兩倍于最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。在使用正弦插值法時，為了準(zhǔn)確再現(xiàn)信號，示波器的采樣速率至少需為信號最高頻率成分的2.5倍。使用線性插值法時，示波器的采樣速率應(yīng)至少是信號最高頻率成分的10倍。一些采樣速率高達20GS/s,帶寬高達4GHA的測量系統(tǒng)用5倍于帶寬的速率來捕獲高速，單脈沖和瞬態(tài)事件。

1.3.7實時采樣率實時采樣在一次觸發(fā)事件期間捕獲所有用于重建波形的樣本點，它要求采樣率至少為被測波形最高頻率分量的5倍。

如上圖所示，①表示第一次觸發(fā)所采樣的數(shù)據(jù)點，并且一次就完成一個采樣過程。

1.3.8等效采樣率等效采樣是在多個觸發(fā)事件上捕捉樣本點，要求輸入的波形為重復(fù)波形。對于每個觸發(fā)事件示波器會捕捉多個樣本點，并把它們與原已捕捉的樣本點組合到一起。如上圖所示，①②③第1，2，3次觸發(fā)事件所采樣的數(shù)據(jù)點，1，2，3次觸發(fā)相互間隔錯開。

等效采樣對信號的要求：信號必須重復(fù)并且穩(wěn)定，如信號變化（如幅度）將造成顯示混亂。

等效技術(shù)示波器，只適用捕獲重復(fù)穩(wěn)定信號，對捕獲非重復(fù)信號和單次信號的能力。以及是捕獲隱藏在重復(fù)信號中的毛刺和異常信號的能力。將受到實時采樣率的限制。

示波器標(biāo)定帶寬＝重復(fù)信號帶寬>瞬態(tài)（單次）信號帶寬。

等效采樣是用較低的實時采樣率實現(xiàn)高采樣率的效果的一種采樣方式。它的主要特點：

1.必須多次觸發(fā)采樣才能構(gòu)建一個完整波形。

2.要求信號必須是重復(fù)信號。

3.理論上可以實現(xiàn)無限高的采樣率。

4.波形構(gòu)建速度稍微要比實時采樣慢（Normal觸發(fā)方式，1Hz方波演示）。

1.3.9平均采樣平均采樣：指將多次普通采樣的波形進行算術(shù)平均，多用于信號本身噪聲比較大時。

1.3.10峰值檢測峰值檢測：指通過采集采樣間隔信號的最大值和最小值，獲取信號的包絡(luò)或可能丟失的窄脈沖。

要求觀察整個周期，當(dāng)使用普通采樣方式時，采樣率為10K，如前面描述存在波形漏失現(xiàn)象，無法捕獲完整信號。使用峰值檢測，采樣率為1G，獲取間隔最大最小值，就可以獲取完整的周期信號。1.3.11采樣率低的影響采樣率低主要的影響是波形失真，波形混淆和波形遺漏。

1.波形失真

波形失真是由于某些原因?qū)е率静ㄆ鞑蓸语@示的波形與實際信號存在較大的差異。2.波形混淆

混淆是指當(dāng)采樣率低于實際信號最高頻率2倍（耐奎斯特頻率）時所出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。

如下圖，由于采樣率低于實際信號的頻率，導(dǎo)致結(jié)果采集的波形頻率低于實際信號頻率。這種信號頻率與實際信號不同，它卻能表示正確的波形形狀，往往還具有正確的幅度。3.波形遺漏

波形漏失是指由于采樣率低而造成的沒有反映全部實際信號的一種現(xiàn)象。

1.3.12存儲深度存儲深度：指在波形存儲器中存儲波形樣本的數(shù)量。

波形存儲時間＝存儲深度/采樣率

示波器的存儲深度將決定能采集信號的時間以及能用到的最大采樣速率。1.記錄長度

記錄長度表示為構(gòu)成一個完整波形記錄的點數(shù)，決定了每個通道中所能捕獲的數(shù)據(jù)量。由于示波器僅能存儲有限數(shù)目的波形采樣，波形的持續(xù)時間和示波器的采樣速率成反比。

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)字數(shù)據(jù)流，則需要有一百萬個點或更多點的記錄長度。最大記錄長度由示波器的存儲容量決定，要增加存儲容量才能增加記錄長度，是為捕獲和顯示單次信號過渡過程提供的重要指標(biāo)。

示波器的存儲由兩個方面來完成：觸發(fā)信號和延時的設(shè)定確定了示波器存儲的起點。示波器的存儲深度決定了數(shù)據(jù)存儲的終點。記錄時間＝存儲深度/采樣率

由于時基和采樣率是聯(lián)動的，所以時基的速度快慢將同時改變采樣率的高低。當(dāng)采樣率達到指標(biāo)定義最高速率時，加快基速度的調(diào)整，采樣率將不能加快。

時基與采樣率的關(guān)系應(yīng)為：存儲深度（點）?時間/格′10＝采樣間隔.1/采樣間隔＝采樣率

2.采樣率與存儲深度的關(guān)系

示波器最高采樣率決定示波器單次帶寬的限制，為保證波形精確復(fù)現(xiàn)建議：正弦內(nèi)插技術(shù)示波器以:采樣率/5＝單次帶寬的公式計算單次帶寬，線性內(nèi)插技術(shù)示波器以:采樣率/10＝單次帶寬公式計算。

采樣率不足將限制示波器單次帶寬。如果示波器在全帶寬范圍內(nèi)，對單次信號實現(xiàn)捕獲和精確復(fù)現(xiàn)。只有采樣率高于示波器帶寬5倍以上（正弦內(nèi)插），才能使示波器的重復(fù)信號帶寬＝單次信號帶寬。示波器存儲長度對波形的記錄是以波形精確捕獲為前提。當(dāng)信號頻率或速度超過單次帶寬的限制（信號不能重組），即使示波器帶寬對信號不產(chǎn)生影響，但由于采樣不足將造成顯示信號的混疊、畸變和漏失。就是示波器有在長的存儲，存儲的波形也是畸變的失真波形。當(dāng)單次信號中的高頻成份，低于示波器的單次帶寬，才能保證信號的高頻細節(jié)。此時存儲長度越長，波形記錄時間越長。存儲深度短，將丟失波形部分時間的信息。

1.3.13波形刷新率波形捕獲率也就是波形刷新率，已經(jīng)成為考核一臺示波器的重要參數(shù)之一。

刷新率是指1秒內(nèi)示波器捕獲波形的次數(shù)，刷新率的高低直接影響波形捕獲偶然事件發(fā)生的概率。對于示波器來說，波形刷新率高，就能夠組織更大數(shù)據(jù)量的波形質(zhì)量信息，尤其是在動態(tài)復(fù)雜信號和隱藏在正常信號下的異常波形的捕獲方面，有著特別的作用。

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，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）使用串行處理機制，每秒鐘可以捕獲10到5000個波形。一些DSO提供一種特殊的模式，它能迅速把各種捕獲信息存儲到海量存儲器中，暫時提供較高的波形捕獲速率，而隨后是較長的一段處理時間，這段處理時間內(nèi)不重新活動，減少了捕獲稀少和間歇事件的可能性。

大多數(shù)數(shù)字熒光示波器（DPO）采用并行處理機制來提供更高的波形捕獲速率。一些DPO可以在一秒鐘之內(nèi)獲得數(shù)百萬個波形，大大提高了捕獲間歇的和難以捕捉事件的可能性，并能讓用戶更快地發(fā)現(xiàn)信號中存在的問題。而且，DPO的實時捕獲和顯示三維信號特性（如幅度、時間以及幅度的時間分布特性）的能力使其能夠得到更高等級的信號特性。

1000/s以上的刷新率100/s–200/s的刷新率

1.4觸發(fā)系統(tǒng)1.4.1基本概念對于數(shù)字示波器，工作時都是在不斷地采集波形不論儀器是否穩(wěn)定觸發(fā)。

觸發(fā)電路的作用就是保證每次時基掃描或采集的時候，都從輸入信號上與定義的相同的觸發(fā)條件開始，這樣每一次掃描或采集的波形就同步，可以每次捕獲的波形相重疊，從而顯示穩(wěn)定的波形，或保證單次信號的捕獲：

1.觸發(fā)是使重復(fù)信號穩(wěn)定顯示

2.對單次信號進行捕獲

3.對重復(fù)信號中的異常波形和單次事件中的特殊波形進行隔離捕獲

示波器的觸發(fā)電路主要用于幫助對對所要的波形進行定位。根據(jù)不同的信號特征和測量目的，可以選擇不同的觸發(fā)類型。但是，最常用的還是邊沿觸發(fā)：

波形進入觸發(fā)比較器的正輸入端，在這里與另一個輸入端上的觸發(fā)電平電壓進行比較。觸發(fā)比較器有上升沿輸出和下降沿輸出。當(dāng)您的波形的上升沿穿越觸發(fā)電平時，上升沿比較器輸出變?yōu)楦撸陆笛剌敵鲎優(yōu)榈?。?dāng)波形的下降沿穿越觸發(fā)電平時，上升沿輸出變?yōu)榈?，而下降沿輸出變?yōu)楦?。示波器使用您選擇的輸出作為觸發(fā)輸出。

1.4.2觸發(fā)位置數(shù)字示波器的一個最顯著特點在于它容許用戶觀看觸發(fā)位置之前的事件，其稱之為預(yù)觸發(fā)。這是因為數(shù)據(jù)被連續(xù)地存儲到內(nèi)存中，直到觸發(fā)事件發(fā)生，并且采樣數(shù)據(jù)達到存儲深度一次觸發(fā)結(jié)束為止。

觸發(fā)點之后的數(shù)據(jù)稱之為延遲觸發(fā)。同時可以變更觸發(fā)位置，以改變延遲觸發(fā)和預(yù)觸發(fā)的數(shù)據(jù)長度。

1.4.3觸發(fā)模式觸發(fā)模式主要有自動觸發(fā)，普通觸發(fā)和單次觸發(fā)。

自動：即使沒有觸發(fā)，自動模式也能引起示波器的掃描。如果沒有信號的輸入，示波器中的定時器觸發(fā)掃描。有信號顯示信號，沒有信號顯示水平基線。

普通：當(dāng)輸入信號不能滿足觸發(fā)條件時，不掃描，示波器沒有任何顯示。只有當(dāng)輸入信號滿足設(shè)置的觸發(fā)點條件時，才進行掃描，并將最后捕獲到的信號凍結(jié)顯示在屏幕上。如符合觸發(fā)條件，再次進行捕獲，清除上次信號，保留凍結(jié)此次的波形。

單次：當(dāng)輸入的單次信號滿足觸發(fā)條件時，進行捕獲（掃描），將波形存儲和顯示在屏幕上。此時再有信號輸入示波器不予理會。需要進行再次捕獲必須進行單次設(shè)置。

注：在實際應(yīng)用中，采用普通觸發(fā)模式即使觸發(fā)以很慢的速率發(fā)生，也能觀測感興趣的內(nèi)容。對低重復(fù)的信號捕獲是非常有意義。

1.4.4觸發(fā)耦合由于示波器的輸入信號經(jīng)放大