什么是示波器？示波器的原理

本文分五篇，第一篇介紹示波器的原理，包含模擬示波器和各種常見的數字示波器。第二篇介紹示波器的主要指標：帶寬，采樣率，內存深度，分辨率；以及示波器對測量的影響。第三篇介紹探頭的種類和原理，以及探頭寄生參數對測量的影響。第四篇介紹示波器的一個重要功能-觸發。觸發的原理和常用的觸發模式。第五篇介紹示波器安全使用注意事項，接地的正確方法，接地對測量的影響，浮地測量注意事項。

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示波器的原理

1. 什么是示波器

示波器是一種電信號的圖形顯示設備，在大多數的應用中，這個圖形顯示信號怎么樣隨時間變化，其中豎軸（Y）表示電壓，橫軸（X）表示時間。顯示輝度或亮度有時稱為Z軸。如圖1

圖1顯示的波形X，Y和Z成分

這個簡單的圖形可以顯示與信號有關的許多東西，如：

• 信號的時間值和電壓值
• 振蕩信號的頻率
• 信號表示的電路的“運動部件”
• 信號特定部分相對于其它部分發生的頻率
• 有故障的元件是否會使信號失真
• 多少信號是直流？多少信號是交流？
• 多少信號是噪聲？噪聲是否隨時間變化？

2. 模擬示波器

最早的示波器是模擬示波器，出現于20世紀40年代，第一代示波器只有幾M Hz的帶寬。模擬示波器都采用陰極射線管的CRT顯示屏。模擬示波器內部產生周期性鋸齒波形信號控制熒光屏電子槍的水平偏轉，被測的電壓信號經放大后控制電子槍的垂直偏轉，這樣掃描后就可以在屏幕上看到被測信號電壓隨時間的變化軌跡。圖2是一個典型模擬示波器的結構框圖。

圖2 模擬示波器的結構框圖

  為了在示波器上看到穩定的波形，需要示波器的水平掃描與被測信號的同步，所以示波器中設計了相應的觸發電路用于控制掃描的起始時刻。模擬示波器的觸發一般都比較簡單，通常就是邊沿觸發。一旦有被測信號觸發的邊沿到來，示波器內部就開始產生鋸齒波控制水平方向的掃描，這樣在示波器屏幕上每次看到的波形都是被測信號出發點以后的波形。如果被測的信號是周期性的，例如是時鐘信號，在示波器上就可以看到穩定的信號波形。

模擬示波器的優點：實時性好；熒光顯示真實；價格便宜。

模擬示波器的缺點：帶寬有限；沒有存儲和分析能力；捕獲單次或偶發信號的能力有限；觸發功能有限；性能不穩定。因為這些缺點的限制，隨著數字示波器的發明和成本降低，模擬示波器在大部分市場已經被數字示波器取代。

3. 數字示波器

數字示波器可以細分為很多種：數字存儲示波器，數字熒光示波器，數字采樣示波器，數字混合信號示波器等等，本文重點介紹數字存儲示波器，是工程師較普遍使用的一種數字示波器。

• 早期的數字示波器

  早期的數字示波器仍然使用CRT的顯示屏，其工作原理如圖3，這種數字示波器最大的區別在于輸入信號并不直接調制到顯示屏，而是通過高速ADC芯片對輸入信號進行采樣和數字化，并把數字化樣點先保存到緩存中，然后通過信號處理電路把緩存里的數據讀出，通過DAC芯片把相應的數字量轉換成模擬量，并在CRT屏上顯示。
  

圖3早期的數字示波器結構框圖

信號經過了數字化-存儲-顯示的過程，所以CRT的掃描速度不會再制約輸入信號的帶寬。只要前端放大器帶寬足夠，且ADC的采樣率足夠，就可以對信號進行一段時間的高速采樣。這種示波器的的缺點是只能采樣并存儲一段波形，再讀出數據并顯示，由于讀取和顯示的速度遠慢于數據采樣的速度，必須等待讀取和數據處理完成才能開始下一段波形數據的采集。在等待時間段，會造成波形遺漏。

• 現代數字存儲示波器

隨技術發展，現代示波器普遍采用了液晶顯示屏，增強了用戶觀察波形的體驗，同時不需要把數字樣點重新轉成模擬量顯示。同時隨芯片技術進步，功能越來越復雜。

圖4一個現代示波器的結構框圖。

現代示波器的5個主要組成部分：

1. 放大器和衰減器：信號通過探頭或者測試電纜進入示波器后，首先經過放大器和衰減器。對于數字示波器，前端的放大和衰減電路還是模擬電路，它們會決定數字示波器的關鍵指標---帶寬。后文會詳細講述示波器的帶寬和如何選擇帶寬。
2. 模數轉換ADC：通過前端的放大和衰減電路把信號調整到合適的幅度后，就進入數字示波器的下一步---數字化。數字化的過程是通過ADC完成的，數字示波器以很高的采樣率對被測信號進行采樣，把輸入的連續變化的模擬信號轉成一個個離散的數字化樣點。所有的數據波形的處理和測量，分析等工作都是在數字化領域完成的。信號的模數轉換的最高速率為采樣率，這是數字示波器的第二個關鍵指標，單位為Sa/s,即每秒可以采樣多少個樣點。
3. 存儲器：數字示波器的采樣率都很高，通常都在每秒鐘幾十億次甚至幾百億次，現有技術做不到一秒鐘處理完這些樣點的數據。因此，數字示波器在ADC后面都有高速緩存，用來臨時存儲采樣的數據，這些緩存有時也稱為示波器的內存。緩存的大小通常稱為內存深度，是數字示波器第三個關鍵指標，單位是Sample樣點數，它決定了示波器一次連續采集能采到的最大樣點數。
4. 波形重建：數字示波器先把一段數據采集到高速緩存中，再由后面的處理器將緩存中數據取出進行內插，分析，測量，顯示。數據處理可以采用多種方式實現，嵌入式微處理器，通用CPU和專用ASIC芯片。
5. 波形顯示：數字示波器的顯示屏可以采用傳統的CRT或者液晶顯示屏。

• 數字熒光示波器

圖5 數字熒光示波器

數字存儲示波器是采用串行處理結構來捕獲，處理，顯示信號。在這個過程中，微處理器的速度是瓶頸，限制了波形捕獲速率。數字熒光示波器是并行處理結構。如圖5，數字熒光示波器把數字化波形數據光柵化到數字熒光數據庫中，存儲在數據庫中的信號圖像快照會通過管線直接傳輸到顯示系統，這種波形數據直接光柵化及從數據庫直接拷貝到顯示存儲器，消除了其他結構中固有的數據處理瓶頸，增強了實時顯示更新功能。

• 數字采樣示波器

數字采樣示波器的結構中，衰減器/放大器和采樣橋接的位置顛倒，如圖6.它先對輸入信號采樣，然后執行衰減或放大。然后在采樣橋接器后面，可以使用低帶寬放大器，因為信號已經被轉采樣門轉成較低的頻率，從而大大提高了儀器帶寬。這種高帶寬的代價是采樣示波器的動態范圍有限。大多數采樣示波器的動態范圍限定在大約1Vp-p.

圖6 數字采樣示波器結構

• 數字混合信號示波器

混合信號示波器是一種特殊的數字實時示波器，其本質是在傳統的實時示波器的2個或4個模擬測量通道的基礎上增加了額外的16個數字邏輯通道。其好處是可以同時測試更多路的數字信號。