示波器工作原理、基本功能、示波器與頻譜儀的區別

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，是電子工程師的眼睛，它能把肉眼看不見的電信號變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器的首要條件：準確的顯示波形，保證信號完整性測量。

　　示波器的功能：用來測量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測電流的波形外，還可以測定頻率、電壓強度等。凡可以變為電效應的周期性物理過程都可以用示波器進行觀測。

示波器工作原理

　　示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點（這是傳統的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。

　　首先示波器從設計原理上分為模擬示波器和數字示波器兩種，最早出現的示波器為模擬示波器，而今由于帶寬等問題，模擬示波器已經漸漸被淘汰。那模擬示波器的原理是怎么樣的呢？下面這張圖就可以很好的說明：

　　模擬示波器內部會產生周期性的鋸齒波信號來控制銀光平電子槍的水平偏轉，被測的電壓信號經過放大后控制熒光屏電子槍的垂直偏轉。這樣一來，光斑或者亮線就清楚的顯示在熒光屏上了，就是波形嘛。

　　從設計理念上來分析，模擬示波器有許多不可比擬的好處，例如信號波形不會丟失、不存在死區時間等。而數字示波器雖然一開始會存在這些問題，但隨著現在電子技術的大力發展，這種瑕疵已經變得越來越小。那數字示波器的設計原理又是怎么樣的呢？

　　波形首先要通過探頭，經由前端的放大器進行放大，之后由模數轉換單元進行轉換，進而存儲到采集內存中，然后顯示到顯示器上。

　　在這一整個過程中，波形并不是實時呈現在屏幕上的，而是經過采集內存之后又呈現在波形上的。因此如果整個采樣和轉換時間較長的話，就會產生較大的死區時間，所以在死區時間內的波形就無法觀察到了。這也就是為什么很多人至今仍然堅持認為數字示波器不如模擬示波器好的原因所在。

　　模擬示波器的優點毋庸贅述，實時性好、原理簡單、價格便宜。但是本身的儀器原理也包含了終將會被時代拋棄的硬傷。大抵有以下幾條：

　　一、帶寬有限：這絕對是致命硬傷。模擬示波器的輸入信號是放大后直接控制CRT顯示屏的電子槍偏轉。雖然放大器的帶寬可以越來預高，但是CRT電子槍的偏轉速度是有限的，對于高頻信號，電子槍的速度跟不上信號變化。因此，當前模擬示波器帶寬真的很難做上去。

　　二、無法存儲和分析：很多老工程師非常清楚，用模擬示波器保存波形是要拿相機拍照的，如果要測幅度、周期、上升時間，只能手動去搞。要是想測相位差、功率這些，對于數字示波器這種只是勾選一下就能完成的事情，對于模擬示波器簡直是體力活。

　　三、觸發能力太弱：基本只能邊沿觸發吧。想脈寬觸發？斜率觸發？根本不可能！更不要開個圖形來做模板觸發這種腦洞大開的觸發方式了。

　　四、性能不穩定：畢竟是大量的模擬器件，時間長了之后指標就不穩了，溫漂也要比數字示波器嚴重的多。在20世紀80年代開始，數字示波器逐漸嶄露頭角。特別是隨著高速ADC芯片和數字處理技術的發展，數字示波器在帶寬、觸發、分析、顯示方面全面超越了模擬示波器?，F在市面上在售的示波器基本全都是數字示波器了。

　　這里要強調的一點仍然是死區時間，這依賴的是數字示波器后面的處理和顯示速度。雖然在現有的技術水平下仍然無法做到實時處理，但是處理的速度越快，丟失的波形就越少，有關這方面性能是指標叫做——波形刷新率。對于200MHz帶寬示波器來說，幾乎所有的品牌都會配1G的采樣率，但是波形刷新率是更為重要的參數之一。波形刷新率越高，波形觀測的死區時間就小了好多。

　　不管怎么說，數字示波器取代模擬示波器都是大勢所趨。在電子技術飛速發展的階段，相信模擬示波器的價格優勢也會慢慢消失殆盡。

示波器基本功能

　　1、可以測量直流信號、交流信號的電壓幅度

　　2、可以測量交流信號的周期，并以此換算出交流信號的頻率。

　　3、可顯示交流信號的波形。

　　4、可以用兩個通道分別進行信號測量。

　　5、可以在屏幕上同時顯示兩個信號的波形，即雙蹤測量功能。此功能能夠測量兩個信號之間的相位差，和波形之間形狀的差別。

　　示波器面板旋鈕的功能

　　1、 掃描速度旋鈕，可以改變示波器掃描線從左向右移動的速度。

　　2、 電壓選擇旋鈕，可以改變輸入電壓使掃描線在示波器屏幕Y軸方向的偏轉幅度。

　　3、 上下調整旋鈕、左右調整旋鈕，可以改變掃描線在屏幕中上下左右兩個方向的位置。

　　4、 電壓標準旋鈕向順時針方向達到最大值的狀態為標準狀態。其它位置為非標準狀態。

　　5、 掃描速度標準旋鈕向順時針方向達到最大值的狀態為標準狀態。其他位置為非標準狀態。

　　6、 為同步旋鈕，它能使示波器的波形穩定下來。

　　7、 功能選擇鍵為CH1通道選擇、CH2通道選擇、雙蹤功能選擇。

　　8、 功能選擇鍵為CH1信號同步、CH2信號同步。

　　9、 為測量功能選擇開關，能使測量處與交流DC、直流AC、和接地GHD三種狀態。當處于直流DC狀態時，無論是直流還是交流信號都能夠進行測量。當處于交流AC狀態時，示波器測量接口的內部被串上的一個電容，此時信號中的直流成分被電容阻隔，而交流成分卻可以通過電容而被測量。

　　當處于接地狀態的時，示波器的測量接口在示波器內部與地短路，此時外部信號不能進入示波器。

　　10、為亮度調整旋鈕，可以調整圖像的亮度。

　　11、為聚焦調整旋鈕，可以使圖像變得精細。

示波器與頻譜儀的區別

　　從實時帶寬、動態范圍、靈敏度和功率測量準確度四個方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標的區別。

　　1 實時帶寬

　　對于示波器來說，帶寬通常是其測量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對信號進行實時分析的實時帶寬作為討論對象。

　　對于頻譜儀來說，末級模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶崟r帶寬，大多數的頻譜分析的實時帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實時帶寬通常為幾十兆赫茲，當然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達到500兆赫茲。而示波器的實時帶寬為其實時取樣的有效模擬帶寬，一般為數百兆赫茲，高的可達數千兆赫茲。

　　這里需要指出的是，大多數的示波器在垂直刻度設置不同時，其實時帶寬可能并不一致，在垂直刻度設置到最靈敏時，其實時帶寬通常會下降。

　　從實時帶寬來說，示波器普遍優于頻譜儀，這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處，特別是在調制分析上有著無可比擬的優勢。

　　2 動態范圍

　　動態范圍指標因其定義不同而有所不同，很多情況下，動態范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當改變測量設置時，儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設置不一樣的情況下，其測量大信號所帶來的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時測量大小信號的能力，即在不改變任何測量設置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設置情況下的最佳動態范圍。

　　對于頻譜儀來說，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動態范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術指標計算，其理想動態范圍約為90dB（受二階失真限制）。

　　大多數的示波器由于受其AD有效取樣位數和噪聲底的限制，傳統示波器的理想動態范圍通常不超過50dB。（對于R&S RTO示波器，在100KHz RBW時，其動態范圍可高達86dB）

　　從動態范圍來看，頻譜儀要優于示波器。但這里要指出的是，這對于常在信號的頻譜分析來說確實如此，然而示波器的頻譜是同一幀數據，頻譜儀的頻譜大多數情況下都不是同一幀數據，因而對于瞬變信號來說，頻譜儀可能無法測量到。而示波器發現瞬變信號（信號滿足動態范圍的情況下）的概率要大得多。

　　3 靈敏度

　　這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測試到最小信號的水平。這個指標與儀器設置緊密相關。

　　對于示波器而言，示波器在Y軸設置至最靈敏檔時，通常為1mV/div時示波器所能測試到最小信號，拋開端口不匹配等因素來看，示波器的信號通道產生的噪聲以及軌跡不穩定帶來的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

　　4 功率測量準確度

　　對于頻域分析來說，功率測量準確度是非常重要的技術指標。無論是示波器還是頻譜儀，對功率測量準確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

　　對于示波器來說，功率測量準確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統誤差、頻率響應、AD量化誤差、校準信號誤差等。

　　對于頻譜儀來說，功率測量準確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉換誤差、頻率響應、校準信號誤差等。

　　另外，在頻率范圍內，示波器的頻率響應指標也是很好的，4GHz范圍內不超過0.5dB，從這點來說，示波器甚至優于頻譜儀的性能。

　　總的來說，示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長，頻譜儀在靈敏度等技術指標上更勝一籌，示波器在實時帶寬上較頻譜儀更為出色。在測量不同類型的信號時，可根據測試需求和儀器的不同技術特點進行選擇。