示波器基礎(chǔ)知識(shí)

1、示波器基礎(chǔ)知識(shí)示波器是一種圖形顯示設(shè)備，它描繪電信號(hào)的波形曲線。這一簡(jiǎn)單的波形 能夠說明信號(hào)的許多特性：信號(hào)的時(shí)間和電壓值、振蕩信號(hào)的頻率、信號(hào)所代 表電路中“變化部分”信號(hào)的特定部分相對(duì)于其它部分的發(fā)生頻率、是否存在 故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真、信號(hào)的直流成份（DC和交流成份（AC）、信號(hào)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(hào)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勺同步示波器，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 10 0

2、MHz六十年代美國(guó)、日本、英國(guó)、法國(guó)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(cè)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(guó)和法國(guó)甚至退出示波器市 場(chǎng)，技術(shù)以美國(guó)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(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，

3、對(duì)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，大有全面取代模擬示波器之勢(shì)，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：O 操作簡(jiǎn)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(zhǎng)處理時(shí)間。O 垂直分辨率高： 連續(xù)而且無限級(jí)， 數(shù)字示波器分辨率一般只有 8位至 1 0 位。O 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。O 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)，

4、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(jiǎn)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(cè)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(guó)的 TEK 公司和HP公司都對(duì)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 1G Hz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

5、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，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五 倍甚至十倍，相應(yīng)對(duì)正弦波取樣引入的失真也從 100%降低至 3%甚至 1%。帶寬 1 GHz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，最高可達(dá)每秒 40 萬個(gè)波形，使觀察偶發(fā)信號(hào)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(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測(cè)量參數(shù)調(diào)節(jié)， 改進(jìn)為簡(jiǎn)單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測(cè)量，使用上與模擬示波器同樣方便。最后，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(hào)的

6、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(hào)頻率成正比，信號(hào)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(hào)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(hào)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(duì)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，最

7、高的性能達(dá)到 800M Hz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0.65卩m的CMO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(jí)亮度分 級(jí)，將波形存儲(chǔ)在500X 200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新 一次。由

8、于模擬存儲(chǔ)示波器只能依靠照相底片記錄波形，對(duì)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)幾率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率最低的波形，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。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(hào)的三維信號(hào)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(hào)；相對(duì)而言，DPC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

9、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(hào)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(zhǎng)時(shí)間記錄，然后作信號(hào)處理， 這種辦法會(huì)漏掉非周期性出現(xiàn)的信號(hào)和不能顯示出信號(hào)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(hào)，既有行掃描、幀掃描、視頻信號(hào)和伴音信號(hào)，還要記錄電視信號(hào)中的異 常現(xiàn)象，對(duì)于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。例.TEK公司的TDS300C系列數(shù)字熒光示波器提供多種測(cè)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

10、降沿、寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（ NTS C PAL和SECAM波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號(hào)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。還有高級(jí)分析模塊和極限測(cè)試模塊。TDS300C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(chǎng)使用此主題相關(guān)圖片如下：芬一:一丿啊“ -?圖一：數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO串行結(jié)構(gòu)戶此主題相關(guān)圖片如下：弘U(xiǎn)X卜右：J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，它一直是最重要、最常用的電子測(cè)試工具之一 由于電子技術(shù)的發(fā)展，示波器的能力

11、也在不斷提升，其性能與價(jià)格也五花八門, 市場(chǎng)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(hào)？您要知道您用示波器觀察什么？既您要捕捉并觀察的信號(hào)其典型性能是什 么？您的信號(hào)是否有復(fù)雜的特性？您的信號(hào)是重復(fù)信號(hào)還是單次信號(hào)？您要測(cè) 量的信號(hào)過渡過程帶寬，或者上升時(shí)間是多大？您打算用何種信號(hào)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(hào)？模擬還是數(shù)字？參見前面的示波器發(fā)展?？傊?，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(cè)量能力和 實(shí)際上不受限制的各種

12、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(hào)幅度衰減到 -3dB 時(shí)的頻率，即 70.7%，帶寬 決定示波器對(duì)信號(hào)的基本測(cè)量能力。隨著信號(hào)頻率的增加，示波器對(duì)信號(hào)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(hào)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(cè)量的信號(hào)最高頻率分量乘以 5。這將會(huì)使您在測(cè)量中獲得高于 2%的精度。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，您不知道你的感興趣的信號(hào)帶寬，但是您知道它的最快 上升時(shí)間，大多數(shù)

13、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(hào)的最快上升時(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(hào)，顯示來自于多次信號(hào)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最高頻率，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(duì)照你的預(yù)算來評(píng)定通常 要觀察信號(hào)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(duì)信號(hào)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

14、就越小如果需要觀測(cè)較長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的慢變信號(hào)，則最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(cè)量的波形的類型，以及示波器所 采用的信號(hào)重建方式。為了準(zhǔn)確地再現(xiàn)信號(hào)并避免混淆，奈奎斯定理規(guī)定：信號(hào)的采樣速率必須 不小于其最高頻率成分的兩倍。然而，這個(gè)定理的前提是基于無限長(zhǎng)時(shí)間和連 續(xù)的信號(hào)。由于沒有示波器可以提供無限時(shí)間的記錄長(zhǎng)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(shí)際上，信號(hào)的準(zhǔn)確再現(xiàn)取決于其采樣速率和信號(hào)

15、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(cè)量正弦信號(hào)的正弦插值法，以 及測(cè)量矩形波、脈沖和其他信號(hào)類型的線性插值法。有一個(gè)在比較取樣速率和信號(hào)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(hào)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(hào)， 在這些測(cè)量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測(cè)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(hào)的頻率

16、 ; 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(jí)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(hào)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(hào)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

17、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(zhǎng)度除以精確重現(xiàn)信號(hào)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(zhǎng)度。在正確位置上捕捉信號(hào)的有效觸發(fā)，通?？梢詼p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(cè)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(zhǎng)度，以便對(duì)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(hào)，只需要 500點(diǎn)的記錄長(zhǎng)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(zhǎng)度。要求何種觸發(fā)？ 示波器的觸發(fā)能使信號(hào)在正確的位置點(diǎn)同步水平掃描，決定著信號(hào)特性是 否清晰。觸發(fā)控制

18、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(duì)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，從而最有效地利用取樣速度和存儲(chǔ)深度?，F(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(hào)，如此先進(jìn)的觸發(fā)能力，在設(shè)置 測(cè)試過程時(shí)提供了很大程度的靈活性，而且能大大地簡(jiǎn)化工作。有多少通道？ 您需

19、要的通道數(shù)取決于您的應(yīng)用。對(duì)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(hào)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(hào)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(hào)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?，F(xiàn)象嗎？ 三個(gè)主要因素影響著示波器顯示日常測(cè)試與調(diào)試中所遇到的未知和復(fù)雜信 號(hào)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(cè)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(duì)信號(hào)和控制的變化反應(yīng)有多快的概念，而峰值 檢測(cè)有助于在較慢的信號(hào)中捕捉快速信號(hào)的峰值。最好的辦法是看看示波器對(duì) 您的信號(hào)處理情況，觀察一下更新速率和峰值檢測(cè)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、