現(xiàn)代電子測量-示波器

現(xiàn)代電子測量-示波器第一頁，共63頁。時域測試儀器

觀察和測試信號的時域波形、測量脈沖的占空比、上升沿、下降沿、上沖等——示波器；測量信號的電壓、電流及功率——電壓表、電流表及功率計；測量電信號的頻率、周期、相位及時間間隔——通用電子計數(shù)器、頻率計、相位計等；測量失真度及調(diào)制度等——失真度測量儀、調(diào)制度測量儀。第二頁，共63頁。示波器

第三頁，共63頁。示波器的發(fā)展

第一代——模擬示波器（ART-AnalogRealTimeOscilloscope）

廿世紀四十年代——電子示波器興起的時代；廿世紀六十年代——出現(xiàn)了帶寬6GHz的取樣示波器；廿世紀七十年代——模擬式電子示波器達到高峰，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標志著當時科學技術(shù)的最高水平，模擬示波器從此沒有更大的進展；廿世紀八十年代——模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。

第四頁，共63頁。示波器的發(fā)展

第二代——數(shù)字存儲示波器（DSODigitalStorageOscilloscope）1978年——出現(xiàn)了數(shù)字儲存示波器，它是公的第二代示波器產(chǎn)品；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。

第五頁，共63頁。示波器的發(fā)展

第三代——數(shù)字熒光示波器（DPO）

DPO是以數(shù)字熒光技術(shù)為核心的第三代示波器，數(shù)字熒光示波器在技術(shù)上已經(jīng)把前兩代示波器產(chǎn)品數(shù)字模擬示波器和數(shù)字存儲示波器的優(yōu)點集中到一起，實現(xiàn)了所謂數(shù)字示波器模擬化，使數(shù)字示波器得到了更為廣泛的應用。

第六頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

模擬示波器的基本組成原理框圖

ART波形的顯示方式——線掃描

第七頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

模擬示波器與DSO相比的優(yōu)點操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應及時；垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級，DSO分辨率一般只有8位至10位；數(shù)據(jù)更新快：模擬示波器從信號采集一直到在CRT上顯示出波形都是純粹的模擬通道,僅僅在掃描的回掃時間及閉鎖Holdoff時間內(nèi)不采樣信號,因此可以有很好的波形刷新率,一般在200,000次/秒左右，DSO由于進行A/D轉(zhuǎn)換后要進行一系列的信號處理，因此有幾個毫秒級的盲區(qū)，在這個盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的異常信號將被漏失；第八頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

模擬示波器與DSO相比的優(yōu)點實時帶寬和實時顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，DSO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。三維顯示效果：模擬示波器除顯示時間與振幅的關(guān)系外，還可顯示信號能量的變化，即振幅跟隨時間的分布——灰度顯示，這樣模擬示波器就能夠清楚地辨別信號主體與噪聲間的分別，尤其是在觀察復雜動態(tài)的信號時。DSO只能兩維幅度時間地顯示捕獲的信號，而不能表達幅度隨時間的變化頻率，即沒有灰度級變化的顯示；

第九頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

模擬示波器的缺點在顯示方面：由于沒有存儲功能，無法觀測單次信號，對于低頻信號往往只能顯示一個移動的亮點；觸發(fā)方面：模擬示波器只有電平觸發(fā)，而沒有預觸發(fā)和其它高級觸發(fā)方式，這對于系統(tǒng)中多種異常信號是捕獲不到的，并且不能看見事件發(fā)生前的信號情況；在測量方面：模擬示波器必須依賴屏幕上的刻度尺采用人工方式進行，會引進較大的人為誤差；在擴大帶寬方面：高頻的模擬示波器的制作難度集中到CRT上，100M帶寬以上的CRT其成本急劇提高，1GHz頻寬的模擬示波器的一半以上成本來自CRT，其成本比目前3GHz頻寬的數(shù)字示波器還高。

第十頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

數(shù)字存儲示波器原理框圖顯示方面采用光柵掃描技術(shù)，解決了帶寬對CRT的限制。放大采樣A/D變換捕獲存儲區(qū)微處理器顯存顯示第十一頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

DSO技術(shù)的發(fā)展

在取樣率上大大提高，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；DSO波形更新率得到很大提高，使觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強；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。第十二頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

DSO的缺點DSO在數(shù)據(jù)處理上采用串行結(jié)構(gòu)，在信號處理過程中不進行數(shù)據(jù)采集，因此存在信號觀察的“盲區(qū)”；沒有灰度顯示。

第十三頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

數(shù)字熒光示波器的結(jié)構(gòu)框圖

第十四頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

DPO的技術(shù)特點在結(jié)構(gòu)上：DPO將顯示單元和數(shù)據(jù)處理單元形成并行的結(jié)構(gòu)，中心處理器只作數(shù)據(jù)的數(shù)學處理，顯示方面的處理由數(shù)字熒光單元完成，提高了儀器對波形數(shù)據(jù)的處理能力；在波形顯示方面：有了以數(shù)字熒光單元為核心的專門通道，波形的捕獲率有了質(zhì)的提高，目前最高已經(jīng)達到400,000次/秒，達到模擬示波器相同水平，使觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強。在灰度顯示方面：數(shù)字熒光示波器不僅能實現(xiàn)灰度級顯示，而且其三維數(shù)組結(jié)構(gòu)還能實現(xiàn)彩色亮度層次的熒光顯示效果，即彩色顯示。

第十五頁，共63頁。各代示波器基本組成與特點

第十六頁，共63頁。示波器的基本控制垂直系統(tǒng)的基本控制位置和每刻度電壓：控制波形的上下移動和調(diào)節(jié)每刻度的電壓值，需注意的是探頭有1X或10X兩檔衰減值，如果示波器沒有自動將伏特/每格除以衰減系數(shù)，則需自己設置；端接設備：1MΩ/50Ω；輸入耦合方式：有DC、AC或者GND。測試信號電壓相對地的電平值的便捷方法為，把耦合從DC轉(zhuǎn)換到地，再重新轉(zhuǎn)換回DC。帶寬限制：一般示波器都存在限制示波器帶寬的電路。限制帶寬后，可以減少顯示波形中不時出現(xiàn)的噪聲，顯示的波形會顯得更為清晰。但要注意的是，在消除噪聲的同時，帶寬限制同樣會減少或消除高頻信號成分。第十七頁，共63頁。示波器的基本控制垂直系統(tǒng)的基本控制交替和斷續(xù)顯示模式：交替模式適用于中速到高速的信號，此時秒/格標度設置在0.5ms或更快。續(xù)模式適用于掃描速度為1ms或者更低的慢速信號

第十八頁，共63頁。示波器的基本控制水平系統(tǒng)控制

捕獲控制：對于數(shù)字示波器，用戶可以控制捕獲系統(tǒng)如何處理信號，通常可控制的捕獲選項有：

捕獲模式

捕獲系統(tǒng)的啟動和終止

采樣控制

第十九頁，共63頁。示波器的基本控制水平系統(tǒng)控制——捕獲模式

捕獲模式控制如何從采樣點中產(chǎn)生出波形點。采樣點是直接從模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）中得到的數(shù)字值。采樣間隔指的是相鄰采樣點的時間。波形點指的是存儲在存儲區(qū)內(nèi)的數(shù)字值，它將重構(gòu)顯示波形。相鄰波形點之間的時間差用波形間隔表示。

采樣間隔和波形間隔可以一致，也可以不一樣。由此產(chǎn)生出幾種不同的實際捕獲模式。常見的捕獲模式類型有：

采樣模式、峰值檢測模式、高分辨率(HiRes)模式、包絡模式和平均值模式

第二十頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲模式——采樣模式最簡單的捕獲模式，每一個波形間隔，示波器存儲一個采樣點的值，并做為波形的一個點，在采樣模式下不能捕獲發(fā)生在波形點之間的快速變化的信號。

第二十一頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲模式——峰值檢測模式

示波器將波形間隔內(nèi)采樣出來的采樣點，選取其中的最小值和最大值，并把這些樣值當作兩個相關(guān)的波形點。采用峰值檢測模式的示波器以非常高的采樣速率運行ADC，因此可以非常有效地能觀察到偶爾發(fā)生的窄脈沖；

TDS7000系列示波器采用峰值檢測模式能夠捕獲窄到100ps的瞬態(tài)異常第二十二頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲模式——高分辨率(HiRes)模式

該模式在一個波形點時間間隔內(nèi)，采多個樣值，然后算出平均值，得到一個波形點。此時噪聲會對結(jié)果產(chǎn)生負面影響，而低速信號的分辨率會提高。

第二十三頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲模式——包絡模式

包絡模式與峰值檢測模式類似，但是包絡模式是由多次捕獲得到的多個波形的最小和最大波形點，重新組合為新波形，表示波形隨時間變化的最小/最大量。第二十四頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲模式——平均值模式對于平均值模式，在每一個波形間隔，示波器存儲一個采樣點，這一點與采樣模式一致。隨后處理方式則不同，該模式算出連續(xù)捕獲得到的波形點的平均值，然后產(chǎn)生最后的顯示波形。平均值模式在減少噪聲的同時并沒有損失帶寬，但它處理對象是重復的信號。第二十五頁，共63頁。示波器的基本控制捕獲系統(tǒng)的啟動和終止

數(shù)字示波器的最大優(yōu)點之一是它們能夠存儲波形，隨后再作觀察。因此，其前面板中通常都會有一個或多個按鈕，用來啟動和終止捕獲系統(tǒng)，然后從容地分析波形。另外，數(shù)字示波器通常還有單次捕獲控制，通常在使用其他捕獲控制或者使用觸發(fā)控制時，可以控制該特性。

第二十六頁，共63頁。示波器的基本控制采樣控制

有些數(shù)字示波器可以選擇采樣的方式，即實時采樣或者等效時間采樣。對于慢速的捕獲信號，選擇結(jié)果是沒有差別的；只有當ADC采樣速度不夠快速，不能在一遍之內(nèi)把波形點填充到記錄中時，做出選擇才是有意義的。

第二十七頁，共63頁。示波器的基本控制采樣控制——實時采樣

對于頻率范圍在示波器最大采樣速率一半以下的信號，實時采樣是理想的方式。此時，通過一次“掃描”波形，示波器就能獲得足夠多的點重構(gòu)精確的圖象，對于快速、單脈沖和瞬態(tài)信號，實時采樣是唯一的方式。

第二十八頁，共63頁。示波器的基本控制采樣控制——等效時間采樣

在測量高頻信號時，示波器可能不能在一次掃描中收集足夠的樣值。如當信號頻率超過示波器采樣頻率的一半時，等效時間采樣可以精確捕獲這些信號。

第二十九頁，共63頁。示波器的基本控制采樣控制——兩種等效時間采樣的方法隨機和連續(xù)。每一種都有其優(yōu)勢。隨機等效時間采樣允許輸入信號的顯示先于觸發(fā)點，而不需要使用延遲線。連續(xù)等效時間采樣提供更大的時間分辨率和精度。兩者都要求輸入信號具有重復性。

連續(xù)等效時間采樣，經(jīng)過一段延遲時間，在每一個可識別的觸發(fā)處進行單獨采樣。每一個周期完成之后，延遲時間增加。第三十頁，共63頁。示波器的基本控制采樣控制——兩種等效時間采樣的方法隨機等效時間采樣，采樣時鐘與輸入信號和觸發(fā)器的時鐘不同步第三十一頁，共63頁。示波器的基本控制插值模式線性插值法：在相鄰樣點處直接連接上直線。這種方法局限于重建直邊緣的信號，比如方波。

sinx/x插值法：利用曲線來連接樣點，通用性更強。這種插值法彎曲信號波形，使之產(chǎn)生比純方波和脈沖更為現(xiàn)實的普通形狀。當采樣速率是系統(tǒng)帶寬的3到5倍時，sinx/x插值法是建議的插值法。

第三十二頁，共63頁。示波器的基本控制插值模式第三十三頁，共63頁。示波器的基本控制XY模式大多數(shù)示波器都有XY模式來顯示輸入信號，而普通的水平軸是時間基線。第三十四頁，共63頁。示波器的基本控制縮放許多示波器都有一種專門的水平放大設置，通過它可以在屏幕上放大波形的一部分。

第三十五頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制示波器的觸發(fā)功能可以在信號的正確點處同步水平掃描，用來穩(wěn)定重復波形，采集單脈沖波形。觸發(fā)器使重復波形能夠在示波器屏幕上穩(wěn)定顯示，實現(xiàn)方法是不斷地顯示輸入信號的相同部分。否則如果每一次掃描的起始都從信號的不同位置開始，那么屏幕上的圖象會很混亂

第三十六頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)方式

模擬和數(shù)字示波器都有邊緣觸發(fā)的方式，邊緣觸發(fā)是最基本和常見的類型。模擬和數(shù)字示波器都提供觸發(fā)門限，除此之外，許多高級數(shù)字示波器還提供許多特定的觸發(fā)設置，而這些設置是模擬設備所不具備的，它們使對信號的檢測得到簡化。

第三十七頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——常見觸發(fā)方式

第三十八頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)位置數(shù)字示波器提供了水平觸發(fā)位置控制，它代表的是波形記錄中觸發(fā)的水平位置，變更水平觸發(fā)位置，可以采集觸發(fā)事件以前的信號，這樣，可以確定觸發(fā)點前面部分和后面部分所包含的可視信號的長度。模擬示波器在垂直系統(tǒng)中由延遲線提供了小量的預觸發(fā)。第三十九頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)電平和斜率斜率控制決定觸發(fā)點是位于信號的上升沿還是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是負斜率；電平控制決定觸發(fā)點在邊緣的何處發(fā)生。第四十頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)源

任何一個輸入通道；不同于輸入通道的外部源；電源信號；來自一個或多個通道，并由示波器內(nèi)部定義的信號；注意：示波器可以使用交替的觸發(fā)源，而不一定是被顯示信號，如無意之中以通道1作觸發(fā)，而實際又是顯示的通道2的波形。

第四十一頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)模式通用觸發(fā)模式有正常和自動兩種在正常模式下，只有當輸入信號滿足設置的觸發(fā)點時，才進行掃描；否則（對模擬示波器而言）屏幕呈黑色或者（對數(shù)字示波器而言）凍結(jié)在上一次捕獲的波形圖上；在自動模式下，即使沒有觸發(fā)，也能引起示波器的掃描。如果沒有信號輸入，示波器中的定時器觸發(fā)掃描。這使得即使信號并不引起觸發(fā)，顯示也總不會消失。因此，實踐中常常首先采用自動模式調(diào)整好示波器，然后利用正常模式觀察所感興趣的內(nèi)容。

第四十二頁，共63頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)耦合觸發(fā)耦合通常有AC或DC兩種，有的示波器還有高頻抑制、低頻抑制和噪聲抑制的觸發(fā)耦合方式。這些設置對消除觸發(fā)噪聲很有用處，噪聲的消除可以避免錯誤的觸發(fā)。第四十三頁，共63頁。示波器的基本控制數(shù)學和測量操作

模擬示波器只能提供波形的加法和減法操作，而數(shù)字示波器還能夠提供許多高級操作，如：相乘、相除、積分、FFT等。第四十四頁，共63頁。示波器的基本控制探頭

示波器探頭分無源探頭、有源和差分探頭。大多數(shù)無源探頭頭有一些衰減因數(shù)，例如10X、100X，等等。按照慣例，衰減因數(shù)在因數(shù)的后面標注X，例如10X衰減探頭。與此對應，放大因數(shù)把X防到前面，例如X10。有源和差分探頭專門針對集成電路開發(fā)，在訪問和傳輸?shù)绞静ㄆ鞯倪^程中，它們能夠保護信號，以確保信號完整性。為測量具有快速上升時間的信號，使用有源或差分探頭可達到更為精確的結(jié)果。注意：為確保精確重構(gòu)所測的信號，應保證探頭超過信號帶寬5倍。

第四十五頁，共63頁。示波器基本參數(shù)帶寬（Hz）

示波器帶寬指的是正弦輸入信號衰減到其實際幅度的70.7%時的頻率值，即－3dB點，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，細節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失。此時得到的關(guān)于信號的所有特性，過沖和振鈴等都毫無意義。

第四十六頁，共63頁。示波器基本參數(shù)示波器帶寬選擇5倍準則：示波器所需帶寬＝被測信號的最高頻率成分×5

此時示波器的測量誤差不會超過±2%

對于脈沖信號，示波器帶寬可按下述原則選擇：示波器帶寬=k/信號上升時間×3

k是介于0.35和0.45之間的常數(shù)，它的值取決于示波器的頻率響應特性曲線和脈沖上升時間響應。對帶寬小于1GHz的示波器，其常數(shù)k的典型值為0.35，而對帶寬大于1GHz

的示波器，其常數(shù)k的值通常介于0.40和0.45之間。

第四十七頁，共63頁。示波器基本參數(shù)采樣速率（S/s，點/秒）數(shù)字示波器的采樣速率隨著時基設置的改變而改變，其關(guān)系如下：

實際采樣速率=所記錄的波形長度（存儲深度）/（時基單位×掃描長度）

例：一臺示波器存儲深度為1k，掃描長度為10個單位刻度，時基設置為10μs，則此時：示波器實際采樣率=1024/10/10=10.24（MS/s）。

注意：在使用正弦插值法時，為了準確再現(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至少是信號最高頻率成分的10倍。

第四十八頁，共63頁。示波器基本參數(shù)波形捕獲速率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，即波形捕獲速率，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。

第四十九頁，共63頁。示波器使用實例脈沖寬度和上升時間的測量上升時間是一個脈沖從低電壓到高電壓所占時間的數(shù)量。按照慣例，從脈沖全電壓的10％處到90％處來測量上升時間。這就消除了脈沖轉(zhuǎn)角的不規(guī)則性。脈沖寬度是一個脈沖從低電壓到高電壓再到低電平所占時間的數(shù)量。按照慣例，在脈沖全電壓的50％處來測量脈沖寬度

第五十頁，共63頁。示波器使用實例相移的測量線形掃描法

θ=x1/x×360o,要求兩個信號幅度必須相同。

X1X第五十一頁，共63頁。示波器使用實例相移的測量李薩如圖形法（利用示波器的XY模式）

sinθ=2X/(2Xm)2X2Xm第五十二頁，共63頁。示波器使用實例單次信號的捕獲觸發(fā)模式設置成Normal，觸發(fā)條件設置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當值，然后將掃描方式設置成單次方式。第五十三頁，共63頁。示波器使用中的常見問題示波器的接地在使用任何儀器時一定要養(yǎng)成接地的習慣，接地分為安全接地和技術(shù)接地兩種，安全接地是指將儀器的機殼接地，技術(shù)接地是保證信號源、被測電路和測試儀器所構(gòu)成的測試系統(tǒng)必須具有公共的零電位線。對于示波器而言，其探頭的接地端必須與被測系統(tǒng)的地相連，否則可能出現(xiàn)如下情況：第五十四頁，共63頁。示波器使用中的常見問題數(shù)字示波器的混迭現(xiàn)象

數(shù)字示波器如果采樣率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象。

如果在調(diào)整掃描速度時，所顯示的波形參數(shù)（頻率）急劇變化，則說明發(fā)生了混迭，可使用自動設置來避免這種情況的發(fā)生。

第五十五頁，共