深入了解示波器-初級(jí)

深入了解示波器

深入了解示波器

初級(jí)

引言

光源

自然界運(yùn)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(yùn)轉(zhuǎn)的自然節(jié)律。物理世界里，能量、振動(dòng)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?yàn)榛l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?hào)，以便通過示波器能夠進(jìn)行觀察

和研究。有了示波器，科學(xué)家、工程師、技術(shù)人員、教育工作者和他人光電元件

能夠“觀察”隨時(shí)間變化的事件。

示波器是任何設(shè)計(jì)、制造或是維修電子設(shè)備的必備之物。當(dāng)今世界瞬時(shí)圖1.示波器收集科學(xué)數(shù)據(jù)的例子

萬變，工程師們需要最好的工具，快速而精確地解決測(cè)量疑難。在工程

師看來，面對(duì)當(dāng)今各種測(cè)量挑戰(zhàn)，示波器自然是滿足要求的關(guān)鍵工具。

閱讀完本讀本，您可以掌握如下內(nèi)容：

示波器的用途不僅僅局限于電子領(lǐng)域。示波器利用信號(hào)變換器，適用于

描述示波器如何工作

各種各樣的物理現(xiàn)象。信號(hào)變換器能夠響應(yīng)各種物理激勵(lì)源，使之轉(zhuǎn)變

區(qū)別模擬、數(shù)字存儲(chǔ)、數(shù)字熒光和數(shù)字采樣示波器的異同

為電信號(hào)，包括聲音、機(jī)械應(yīng)力、壓力、光、熱。麥克風(fēng)屬于信號(hào)變換

描述電波的類型

器，它實(shí)現(xiàn)把聲音轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。由示波器收集科學(xué)數(shù)據(jù)的例子如圖

1理解示波器的基本控制

所示。

進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)量

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(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)。醫(yī)師使用示波器測(cè)量腦電波。描述示波器在實(shí)際工作中使用示波器時(shí)，借助隨同示波器一同提供的手冊(cè)，能幫助

的用途是沒有止境的。您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各種應(yīng)用備忘錄，其

中的注意事項(xiàng)可以幫助您優(yōu)化示波器，以滿足特定測(cè)量的需求。

本讀本提供的概念將引導(dǎo)讀者逐步理解示波器的基礎(chǔ)知識(shí)和操作方式。

如果您需要其他的幫助，或者您對(duì)本讀本有任何的建議和問題，請(qǐng)與泰

本讀本的后面的術(shù)語表對(duì)各術(shù)語進(jìn)行了定義。針對(duì)示波器的原理和控

克的代理商聯(lián)系，或者訪問。

制，本讀本列出了詞匯表以及練習(xí)中設(shè)計(jì)的多項(xiàng)選擇題，對(duì)課堂學(xué)習(xí)很

有幫助。并不要求有數(shù)學(xué)和電子學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)。

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初級(jí)

信號(hào)完整性如果不預(yù)防地進(jìn)行一些測(cè)量，高速帶來的問題可能會(huì)影響其他常規(guī)的數(shù)

信號(hào)完整性的意義字設(shè)計(jì)。如果電路時(shí)斷時(shí)續(xù)發(fā)生故障，或者如果電路在電壓和溫度的極

限條件下發(fā)生差錯(cuò)，可能就是里面隱藏著信號(hào)完整性的問題。最終，影

任何好的示波器系統(tǒng)的關(guān)鍵點(diǎn)在于精確地重建波形的能力，稱為信號(hào)完

響的是投放市場(chǎng)的時(shí)間、產(chǎn)品的可靠性、電磁兼容性（EMI

整性。攝像機(jī)捕獲信號(hào)圖象，以便我們隨后能夠進(jìn)行觀察和解釋。在這

compliance），等等。

一點(diǎn)上，示波器很是類似。信號(hào)完整性有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。

您攝下圖片的時(shí)間，它是否與實(shí)際發(fā)生的情況一致？為什么要考慮信號(hào)完整性問題？

圖片是清晰的還是模糊的？讓我們來看一看今天數(shù)字設(shè)計(jì)中引起信號(hào)衰減的特殊原因。比起過去，

每一秒您能攝下多少?gòu)埦_的圖片？為什么這些問題變得更為普遍？

綜合起來，不同的系統(tǒng)和不同性能的示波器，有不同的實(shí)現(xiàn)最高信號(hào)完

答案是速度。在“過去緩慢的年月”，維護(hù)可接受的數(shù)字信號(hào)完整性就

整性的能力。探頭也對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)完整性有影響。

意味著對(duì)細(xì)節(jié)的關(guān)注，比如時(shí)鐘的分布、信號(hào)通道的設(shè)計(jì)、白噪聲、負(fù)

信號(hào)完整性影響許多電子設(shè)計(jì)規(guī)律。但在數(shù)年以前，數(shù)字設(shè)計(jì)者并不以載的影響、傳輸線的影響、總線終端、解耦和功率的分配。現(xiàn)在，上述

為重。他們著重于邏輯的設(shè)計(jì)，便能使邏輯電路順利工作。在進(jìn)行高速規(guī)則仍舊適用，但是??

設(shè)計(jì)時(shí)，噪聲和不確定信號(hào)偶有發(fā)生，RF（射頻）設(shè)計(jì)者需要對(duì)此進(jìn)

總線的周期時(shí)間比20年以前快過了千倍！原來需要數(shù)毫秒才能完成的

行考慮。而數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行著緩慢的轉(zhuǎn)換，信號(hào)如所預(yù)料的一樣穩(wěn)定。

事務(wù)處理現(xiàn)在僅需要數(shù)納秒。為實(shí)現(xiàn)速度的提高，邊緣的速度也經(jīng)過加

處理器的時(shí)鐘速率上升了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。3D圖象處理、視頻和服務(wù)器I/速：邊緣升降速度比20年前快了100倍以上。

等計(jì)算機(jī)應(yīng)用需要巨大的帶寬。如今的許多電信設(shè)備也是基于數(shù)字

O進(jìn)步是相當(dāng)令人矚目的。但是，某些物理現(xiàn)實(shí)阻礙著電路板技術(shù)跟上速

的，同樣也需要大量的帶寬資源。數(shù)字處理的高清晰度電視同樣如此。

度提高的步調(diào)。數(shù)十年以來，芯片內(nèi)部總線的傳輸時(shí)間基本上沒有什么

目前，微處理器設(shè)備處理的數(shù)據(jù)速率高達(dá)2、3GS/s，甚至5GS/s（吉

變化。物理尺寸自然越來越小，但是電路板上總還得安插實(shí)際的IC元

采樣值每秒）。同時(shí)，一些內(nèi)存設(shè)備采用的時(shí)鐘以及

400-MHz200-ps件、連接器、無源部件，當(dāng)然還需安排總線本身。實(shí)際的布局增加了間

上升時(shí)間的數(shù)據(jù)信號(hào)。

距，而這些距離意味著時(shí)間的消耗，這與速度形成了矛盾。

重要的是，隨著速度的提高，原用于車輛、錄像機(jī)、機(jī)械控制器的普通

需要注意的是，數(shù)字信號(hào)的邊緣速度（上升時(shí)間）對(duì)頻率的影響遠(yuǎn)大于

設(shè)備應(yīng)用得越來越少。與那些的處理器類似，工作于

IC800-MHz20-重復(fù)速率的影響。正因?yàn)槿绱?，一些設(shè)計(jì)人員有意識(shí)“減緩”相關(guān)的上

MHz時(shí)鐘速率的處理器也許同樣有上升時(shí)間的問題。設(shè)計(jì)者不得不考

升時(shí)間，使IC器件正常工作。

慮交叉情況下對(duì)性能的影響。其結(jié)果，幾乎所有的設(shè)計(jì)中都包含高速設(shè)

計(jì)。

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過去為預(yù)測(cè)電路中的信號(hào)狀態(tài)，常常單獨(dú)考慮各個(gè)基本的電路模塊。但

是當(dāng)邊緣速度比信號(hào)通道延遲還要快四到六倍時(shí)，簡(jiǎn)單的劃分模塊就不

再可行。Y(電壓)

不考慮周期速率，當(dāng)驅(qū)動(dòng)低于四到六納秒邊緣速率的信號(hào)時(shí)，六英寸長(zhǎng)

的電路板已經(jīng)變成波導(dǎo)線。其結(jié)果，產(chǎn)生新的信號(hào)通道。這些無形中形X(時(shí)間)

成的連接并不屬于設(shè)計(jì)的初衷，但是不可預(yù)料地影響著正常信號(hào)。Z(亮度)

X(時(shí)間)

另外，高速的邊緣速度通常需要有更高的電流保障。更高的電流常引起

地線的反射。特別是在許多信號(hào)同時(shí)轉(zhuǎn)換的瞬間，寬總線容易出現(xiàn)此情Z(亮度)

況。而且，大電流引起電磁輻射量的增加，導(dǎo)致信號(hào)串?dāng)_。圖2.顯示波形的X、Y和Z分量

示波器

考慮數(shù)字信號(hào)的模擬特性

什么是示波器，它是如何工作的？本節(jié)將解答這些基本問題。

所有這一切的共同特征是什么？他們都是典型的模擬現(xiàn)象。為解決信號(hào)

完整性問題，數(shù)字設(shè)計(jì)人員必須步入模擬領(lǐng)域。而為踏出這一步，需要示波器本質(zhì)上是一種圖形顯示設(shè)備，它描繪電信號(hào)的圖形曲線。在大多

有工具來幫助他們指示數(shù)字和模擬信號(hào)之間的相互關(guān)系。數(shù)應(yīng)用中，呈現(xiàn)的圖形能夠表明信號(hào)隨時(shí)間的變化過程：垂直（Y）軸

表示電壓，水平（X）軸表示時(shí)間。有時(shí)稱亮度為Z軸。（參看圖2。）

模擬信號(hào)完整性問題常常導(dǎo)致數(shù)字的差錯(cuò)。利用示波器跟蹤數(shù)字故障的

這一簡(jiǎn)單的圖形能夠說明信號(hào)的許多特性，例如：

原因是很有必要的。示波器能夠顯示波形的細(xì)節(jié)、邊緣和噪聲；示波器

能探測(cè)和顯示瞬態(tài)情況；也能幫助您精確測(cè)量時(shí)間的關(guān)系，比如建立和信號(hào)的時(shí)間和電壓值

保持時(shí)間。振蕩信號(hào)的頻率

信號(hào)所代表電路的“變化部分”

理解示波器系統(tǒng)的每一部分，理解各部分如何運(yùn)作，這樣會(huì)有助于您有

信號(hào)的特定部分相對(duì)于其他部分的發(fā)生頻率

效地應(yīng)用示波器，使您更有把握面對(duì)測(cè)量方面的挑戰(zhàn)。

是否存在故障部件使信號(hào)產(chǎn)生失真

信號(hào)的直流值(DC)和交流值(AC)

信號(hào)的噪聲值和噪聲是否隨時(shí)間變化

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正弦波衰減的正弦波

方波矩形波

鋸齒波三角波

脈沖波

階躍波

圖3.普通波形圖4.普通波形的激勵(lì)源

理解波形和波形的測(cè)量波形能夠揭示信號(hào)的許多特性。當(dāng)看到波形的高度變化，則表示電壓值

在變化。當(dāng)看到的是平坦的水平線，則表示在一段時(shí)間內(nèi)，信號(hào)沒有變

通常把隨時(shí)間重復(fù)的模式稱為波，聲波、腦電波、海浪、電壓波形都

化。平直斜線表示線性變化，電壓以恒定的斜率上升或下降。波形中的

具有重復(fù)的特點(diǎn)。示波器測(cè)量的是電壓波形。波的周期是波動(dòng)重復(fù)的

尖角指示的是突然的變更。圖3提供出普通波形圖，而圖4展示出這些

部分。波形是波的圖形表現(xiàn)形式。電壓波形描述水平方向的時(shí)間和垂

普通波形的來源。

直方向的電壓。

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正弦波衰減的正弦波鋸齒波三角波

圖5.正弦波和衰減的正弦波圖7.鋸齒波和三角波

方波和矩形波

方波是另一種常見的波形。從本質(zhì)上看，方波是以相同的時(shí)間間隔，不

停開關(guān)的電壓（或者不斷為高低值）。它是測(cè)試放大器的標(biāo)準(zhǔn)波形，好

的放大器在增加方波幅值的同時(shí)有最小的失真。電視、廣播和計(jì)算機(jī)電

正弦波正弦波

路中經(jīng)常使用方波作為定時(shí)信號(hào)。

圖6.方波和矩形波矩形波與方波類似，不同之處在于高低電壓值的間隔時(shí)間并不等長(zhǎng)。在

分析數(shù)字電路時(shí)，矩形波非常有用。圖6是方波和矩形波的示例。

波的類型

大多數(shù)波都屬于如下類型：鋸齒波和三角波

正弦波鋸齒波和三角波來源于線性控制電壓的電路。例如，模擬示波器的水平

方波和矩形波掃描，或者電視的光柵掃描。這類波形以恒定速率對(duì)電壓電平值進(jìn)行轉(zhuǎn)

三角波和鋸齒波換。這些漸增過程稱為斜坡信號(hào)。圖7是鋸齒波和三角波的示例。

階躍波和脈沖波

周期和非周期信號(hào)

同步和異步信號(hào)

復(fù)雜波

正弦波

有幾個(gè)原因說明正弦波是基本波形。它具有和諧的數(shù)學(xué)特性，這與您高

中在三角學(xué)課程中學(xué)習(xí)到的正弦函數(shù)曲線的形狀一樣。房間墻角的電源

出口輸出的電壓值也如同正弦波那樣變化。信號(hào)發(fā)生器振蕩電路產(chǎn)生的

測(cè)試信號(hào)通常就是正弦波。大多數(shù)AC電源產(chǎn)生的是正弦波。（AC表示

的是交流，實(shí)際上電壓值也在改變。DC表示的是直流，同時(shí)意味著穩(wěn)

定的電流和電壓，電池產(chǎn)生的就是DC。）

衰減的正弦波是振蕩電路產(chǎn)生的特殊實(shí)例，它隨時(shí)間而衰減。圖5是正

弦波和衰減的正弦波的示例。

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階躍波脈沖波脈沖序列復(fù)雜波

圖8.階躍波、脈沖波和脈沖序列圖9.復(fù)雜波的例子：一段NTSC復(fù)合視頻信號(hào)

階躍波和脈沖波同步信號(hào)和異步信號(hào)

象階躍波和脈沖波之類的信號(hào)很少發(fā)生，并且是非周期信號(hào)。這類信號(hào)如果二信號(hào)之間具備定時(shí)關(guān)系，則稱它們是同步的。舉例來說，計(jì)算機(jī)

被稱為單脈沖或瞬時(shí)信號(hào)。階躍波指示的是電壓的突然變化，打開電源中的時(shí)鐘、數(shù)據(jù)和地址信號(hào)就是同步信號(hào)。

開關(guān)時(shí)電壓的情況即是如此。

異步用來說明信號(hào)之間沒有定時(shí)關(guān)系。比如說，接觸計(jì)算機(jī)鍵盤的行為

脈沖指示的是電壓的突然的兩次變化，打開電源開關(guān)馬上又關(guān)閉時(shí)，產(chǎn)和計(jì)算機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘之間沒有時(shí)間的關(guān)聯(lián)，兩者可被認(rèn)為是異步的。

生的電壓波形就是脈沖。在計(jì)算機(jī)電路進(jìn)行傳輸時(shí)，一個(gè)脈沖可以表示

信息的一位。脈沖也可能是電路中的低頻干擾，或某種缺陷。一系列傳復(fù)雜波

輸脈沖的集合成為脈沖序列。計(jì)算機(jī)的數(shù)字部件通過脈沖進(jìn)行相互通一些波形組合正弦波、方波、階躍波和脈沖的特性，形成新的波形，對(duì)

信。在X射線和通信設(shè)備中，脈沖應(yīng)用廣泛。圖8是階躍波、脈沖波和于許多示波器來說是一種考驗(yàn)。信號(hào)的信息可以置入幅值、相位中，可

脈沖序列的示例。能還置入頻率變量當(dāng)中。例如，圖9表示的是平常的復(fù)合視頻信號(hào)，但

是在低頻包絡(luò)里也置入了許多高頻波形周期。對(duì)于這個(gè)例子，理解各處

周期信號(hào)和非周期信號(hào)的相對(duì)電平和定時(shí)關(guān)系是非常重要的。為了觀察這樣的信號(hào)，需要用示

不斷重復(fù)的信號(hào)稱為周期信號(hào)，而不斷變化的信號(hào)稱為非周期信號(hào)。靜波器來捕獲低頻包絡(luò)，并以一定的亮度級(jí)表示復(fù)雜高頻波形。如此一

止圖象與周期信號(hào)相似，而移動(dòng)圖象則與非周期信號(hào)等同。來，就可以觀察到整個(gè)混合圖象，方便直觀地進(jìn)行解釋說明。對(duì)于如圖

9所示的視頻信號(hào)，模擬和數(shù)字的熒光示波器非常適合觀察這樣的復(fù)雜

波形。顯示器提供必要的發(fā)生頻率的信息，或者亮度等級(jí)，這些對(duì)理解

波形的實(shí)際特性頗為重要。

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頻率

每秒3周期=3Hz

周期

1秒

圖10.正弦波的頻率和周期圖11.正弦波的幅度和讀數(shù)

波形測(cè)量

電壓

使用示波器時(shí)有許多測(cè)量參數(shù)。本小節(jié)將對(duì)一些常見的測(cè)量參數(shù)進(jìn)行說

電壓是電路兩點(diǎn)間的電勢(shì)能或信號(hào)強(qiáng)度。有時(shí)把地線或零電壓作為參考

明。

點(diǎn)。如果測(cè)量的是波形從最高峰值到最低峰值的電壓值，則稱為電壓的

峰值-峰值。

頻率和周期

不斷重復(fù)的信號(hào)具有頻率特性。頻率的單位是赫茲（Hz），表示一秒時(shí)

幅度

間內(nèi)信號(hào)重復(fù)的次數(shù)。成為周期每秒。重復(fù)信號(hào)也具有周期特性，即信

幅度是指電路兩點(diǎn)間電壓量。幅度通常指被測(cè)信號(hào)以地或零電壓為參考

號(hào)完成一個(gè)循環(huán)所需要的時(shí)間量。周期和頻率互為倒數(shù)關(guān)系，即1/周

時(shí)的最大電壓。圖11所示的波形的幅度為1V，而電壓的峰值-峰值為

期等于頻率，同理1/頻率等于周期。例如，如圖10所示，該正弦信號(hào)

2V。

的頻率是3Hz，而周期是1/3秒。

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利用數(shù)字示波器對(duì)波形進(jìn)行測(cè)量

電壓現(xiàn)代的數(shù)字示波器使波形測(cè)量變得更為容易。通過前面板按鈕，以及基

于屏幕的菜單，方便選擇全自動(dòng)的測(cè)量參數(shù)。包括幅值、周期、上升/

電流

下降時(shí)間，等等。許多數(shù)字儀器也能提供均值和均方值的計(jì)算、占空比

和其他數(shù)學(xué)運(yùn)算。自動(dòng)化測(cè)量通過屏幕讀取數(shù)值。一般來說，讀取的數(shù)

值可能比直接利用有刻度的工具更為準(zhǔn)確。

一些數(shù)字熒光示波器用到的全自動(dòng)波形測(cè)量參數(shù)有：

相位周期占空比＋高

頻率占空比－低

寬度＋延遲最小值

圖12.相移寬度－相位最大值

上升時(shí)間突發(fā)寬度過沖＋

相位下降時(shí)間峰值-峰值過沖－

參照正弦波很容易理解相位。正弦波的電壓值是基于圓形運(yùn)動(dòng)的。參照幅度均值均方值

圖11，一個(gè)圓的度數(shù)是360°，而正弦波的一個(gè)周期也是360°。為描消光率周期均值周期均方值

述經(jīng)過的周期數(shù)，可以參照正弦波的相位的角度。平均光功率周期區(qū)

相移用來描述兩個(gè)不同相似信號(hào)在時(shí)間上的差值。圖12中，標(biāo)號(hào)為“電

流”的波形比標(biāo)號(hào)為“電壓”的波形超前90°，因?yàn)閮烧叩竭_(dá)同一點(diǎn)

剛好相差1/4周（360o/4=90°）。在電子學(xué)中，相移比較普遍。

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垂直系統(tǒng)顯示系統(tǒng)

垂直

衰減器放大器

陰極射線管

觸發(fā)

系統(tǒng)

水平系統(tǒng)

探頭

掃描水平

發(fā)生器放大器

斜線時(shí)基

圖13.模擬示波器體系結(jié)構(gòu)

示波器的類型轉(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。

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(jī)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(hào)

是模擬設(shè)備，而CD播放器是屬于數(shù)字設(shè)備。呈現(xiàn)出明亮而緩慢移動(dòng)的點(diǎn)，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(hào)頻率超過CRT的寫速度時(shí)，顯示出來的

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

過于暗淡，難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。

大多數(shù)的應(yīng)用。但是，對(duì)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(jìn)一步劃分，數(shù)字示波器可以分當(dāng)把示波器探頭和電路連接到一起后，電壓信號(hào)通過探頭到達(dá)示波器的

為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。垂直系統(tǒng)。圖13圖解出模擬示波器是如何顯示被測(cè)信號(hào)。設(shè)置垂直標(biāo)

度（對(duì)伏特/格進(jìn)行控制）后，衰減器能夠減小信號(hào)的電壓，而放大器

模擬示波器可以增加信號(hào)電壓。

在本質(zhì)上，模擬示波器工作方式是直接測(cè)量信號(hào)電壓，并通過從左到右

隨后，信號(hào)直接到達(dá)CRT的垂直偏轉(zhuǎn)板。電壓作用于這些垂直偏轉(zhuǎn)板，

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

引起亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)。亮點(diǎn)是由打在CRT內(nèi)部熒光物質(zhì)上的電子束

射線管（CRT）。電子束投到熒幕的某處，屏幕后面總會(huì)有明亮的熒光

產(chǎn)生的。正電壓引起點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，而負(fù)電壓引起點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。

物質(zhì)。當(dāng)電子束水平掃過顯示器時(shí)，信號(hào)的電壓是電子束發(fā)生上下偏

11

深入了解示波器

初級(jí)

沒經(jīng)觸發(fā)的顯示經(jīng)觸發(fā)的顯示

圖14.觸發(fā)器能穩(wěn)定重復(fù)的波形，使信號(hào)產(chǎn)生清晰的圖象

模擬示波器跟

信號(hào)也經(jīng)過觸發(fā)系統(tǒng)，啟動(dòng)或觸發(fā)水平掃描。水平掃描是水平系統(tǒng)亮點(diǎn)數(shù)字示波器采樣信號(hào)

蹤信號(hào)并重構(gòu)顯示

在屏幕中移動(dòng)的行為。觸發(fā)水平系統(tǒng)后，亮點(diǎn)以水平時(shí)基為基準(zhǔn)，依照

特定的時(shí)間間隔從左到右移動(dòng)。許多快速移動(dòng)的亮點(diǎn)融合到一起，形成圖15.模擬示波器跟蹤信號(hào)，而數(shù)字示波器采樣信號(hào)并重構(gòu)圖象

實(shí)心的線條。如果速度足夠高，亮點(diǎn)每秒鐘掃過屏幕的次數(shù)高到

500000次。數(shù)字示波器

水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)共同作用，形成顯示在屏幕上的信號(hào)圖象。觸發(fā)器與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)

能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)重復(fù)的信號(hào)，它確保掃描總是從重復(fù)信號(hào)的同一點(diǎn)開始，換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存

目的就是使呈現(xiàn)的圖象清晰。參照?qǐng)D14。儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止。隨后，數(shù)字示波器重

構(gòu)波形。（參看圖15。）

另外，模擬示波器有對(duì)聚焦和亮度的控制，可調(diào)節(jié)出銳利和清晰的顯示

結(jié)果。數(shù)字示波器分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和

采樣示波器。

為顯示“實(shí)時(shí)”條件下或突發(fā)條件下快速變化的信號(hào)，人們經(jīng)常推薦使

用模擬示波器。模擬示波器的顯示部分基于化學(xué)熒光物質(zhì)，它具有亮度數(shù)字的手段則意味著，在示波器的顯示范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定、明亮和清晰

級(jí)這一特性。在信號(hào)出現(xiàn)越多的地方，軌跡就越亮。通過亮度級(jí)，僅觀地顯示任何頻率的波形。對(duì)重復(fù)的信號(hào)而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示

察軌跡的亮度就能區(qū)別信號(hào)的細(xì)節(jié)。波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱之為3dB點(diǎn)。對(duì)于單脈沖和瞬態(tài)

事件，例如脈沖和階躍波，帶寬局限于示波器采樣率之內(nèi)。為了解更多

的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參照性能術(shù)語和應(yīng)用部分的采樣率一節(jié)。

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初級(jí)

圖16.數(shù)字存儲(chǔ)示波器順序處理體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器串行處理體系結(jié)構(gòu)

常規(guī)的數(shù)字示波器是數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）。它的顯示部分更多基于與模擬示波器一樣，DSO第一部分（輸入）是垂直放大器。在這一階

光柵屏幕而不是基于熒光。段，垂直控制系統(tǒng)方便您調(diào)整幅度和位置范圍。

數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）便于您捕獲和顯示那些可能只發(fā)生一次的事緊接著，在水平系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）部分，信號(hào)實(shí)時(shí)在離散點(diǎn)采

件，通常稱為瞬態(tài)現(xiàn)象。以數(shù)字形式表示波形信息，實(shí)際存儲(chǔ)的是二進(jìn)樣，采樣位置的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值稱為采樣點(diǎn)。該處

制序列。這樣，利用示波器本身或外部計(jì)算機(jī)，方便進(jìn)行分析、存檔、理過程稱為信號(hào)數(shù)字化。水平系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘決定ADC采樣的頻度。該

打印和其他的處理。波形沒有必要是連續(xù)的；即使信號(hào)已經(jīng)消失，仍能速率稱為采樣速率，表示為樣值每秒（S/s）。

夠顯示出來。與模擬示波器不同的是，數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠持久地保留

信號(hào)，可以擴(kuò)展波形處理方式。然而，DSO沒有實(shí)時(shí)的亮度級(jí)；因此，

他們不能表示實(shí)際信號(hào)中不同的亮度等級(jí)。

組成DSO的一些子系統(tǒng)與模擬示波器的一些部分相似。但是，DSO包

含更多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，因此它能夠收集顯示整個(gè)波形的數(shù)據(jù)。從捕

獲信號(hào)到在屏幕上顯示波形，DSO采用串行的處理體系結(jié)構(gòu)，如圖16

所示。隨后將對(duì)串行處理體系作講解。

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初級(jí)

來自ADC的采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在捕獲存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，叫做波形點(diǎn)。幾個(gè)采樣點(diǎn)可

以組成一個(gè)波形點(diǎn)。波形點(diǎn)共同組成一條波形記錄。創(chuàng)建一條波形記錄

的波形點(diǎn)的數(shù)量稱為記錄長(zhǎng)度。觸發(fā)系統(tǒng)決定記錄的起始和終止點(diǎn)。

DSO信號(hào)通道中包括微處理器，被測(cè)信號(hào)在顯示之前要通過微處理器

處理。微處理器處理信號(hào)，調(diào)整顯示運(yùn)行，管理前面板調(diào)節(jié)裝置，等

等。信號(hào)通過顯存，最后顯示到示波器屏幕中。

圖17.TDS694C提供多通道同時(shí)的高速單次脈沖捕獲，增加了對(duì)偶發(fā)毛刺

和瞬態(tài)現(xiàn)象的捕獲

在示波器的能力范圍之內(nèi)，采樣點(diǎn)會(huì)經(jīng)過補(bǔ)充處理，顯示效果得到增

強(qiáng)。可以增加預(yù)觸發(fā)，使在觸發(fā)點(diǎn)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(dòng)參數(shù)測(cè)量，使測(cè)量過程得到簡(jiǎn)化。

DSO提供高性能處理單脈沖信號(hào)和多通道的能力（參看圖17）。DSO

是低重復(fù)率或者單脈沖、高速、多通道設(shè)計(jì)應(yīng)用的完美工具。在數(shù)字

設(shè)計(jì)實(shí)踐中，工程師常常同時(shí)檢查四路甚至更多的信號(hào)，而DSO則成

為標(biāo)準(zhǔn)的合作伙伴。

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初級(jí)

圖18.數(shù)字熒光示波器的并行處理體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字熒光示波器請(qǐng)注意，由顯示的更新速率簡(jiǎn)單地推斷采集到事件的概率是不可能的。

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的如果只是依靠顯示更新速率，就確認(rèn)示波器能采集到波形的所有相關(guān)

體系結(jié)構(gòu)使之能提供獨(dú)特的捕獲和顯示能力，加速重構(gòu)信號(hào)。信息，那么是很容易犯錯(cuò)誤的，因?yàn)?，?shí)際上示波器并沒有作到。

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(hào)；相對(duì)而言，數(shù)字存儲(chǔ)示波器串行處理采集到的波形。由于微處理器限制著波形的

DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，如圖18所示。DPO采采集速率，所以微處理器是串行處理的瓶頸。

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(hào)的可

DPO把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)進(jìn)一步光柵化，存入熒光數(shù)據(jù)庫(kù)中。每1/30

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

秒，這大約是人類眼睛能夠覺察到的最快速度，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的信

將對(duì)該并行處理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

號(hào)圖象直接送到顯示系統(tǒng)。波形數(shù)據(jù)直接光柵化，以及直接把數(shù)據(jù)庫(kù)

數(shù)據(jù)拷貝到顯存中，兩者共同作用，改變了其他體系在數(shù)據(jù)處理方面

并行處理體系結(jié)構(gòu)

的瓶頸。結(jié)果是增加了“使用時(shí)間”，增強(qiáng)顯示更新能力。信號(hào)細(xì)節(jié)、

DPO的第一階段（輸入）與模擬示波器相似（垂直放大器），第二階段

間斷事件和信號(hào)的動(dòng)態(tài)特性都能實(shí)時(shí)采集。DPO微處理器與集成的捕

與DSO相似（ADC）。但是，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，DPO與原來的示波器相

獲系統(tǒng)一道并行工作，完成顯示管理、自動(dòng)測(cè)量和設(shè)備調(diào)節(jié)控制工作，

比就有顯著的不同之處。

同時(shí)，又不影響示波器的捕獲速度。

對(duì)所有的示波器而言，包括模擬、DSO和DPO示波器，都存在著釋抑

時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，儀器處理最近捕獲的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)，等待下

一觸發(fā)事件的發(fā)生。在這段時(shí)間內(nèi)，示波器對(duì)所有信號(hào)都是視而不見

的。隨著釋抑時(shí)間的增加，對(duì)查看到低頻度和低重復(fù)事件的可能性就

會(huì)降低。

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初級(jí)

DPO如實(shí)地仿真模擬示波器最好的顯示屬性，并在三維顯示信號(hào)：時(shí)

間、幅度和以時(shí)間為參變量的幅度變化，三者都是實(shí)時(shí)的。

模擬示波器依靠化學(xué)熒光物質(zhì)，與此不同，DPO使用完全的電子數(shù)字

熒光，其實(shí)質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)。針對(duì)示波器顯示屏幕的每一個(gè)點(diǎn)，

數(shù)據(jù)庫(kù)中都有獨(dú)立的“單元（cell）”。一旦采集到波形（即示波器一觸

發(fā)），波形就映射到數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫(kù)的單元組內(nèi)。每一個(gè)單元代表著屏

幕中的某位置。當(dāng)波形涉及到該單元，單元內(nèi)部就加入亮度信息；沒有

涉及到則不加入。因此，如果波形經(jīng)常掃過的地方，亮度信息在單元內(nèi)

會(huì)逐步累積。

當(dāng)數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫(kù)傳送到示波器的顯示屏幕后，根據(jù)各點(diǎn)發(fā)生的信號(hào)頻

率的比例，顯示屏展示加入亮度形式的波形區(qū)域，這與模擬示波器的亮

度級(jí)特性非常類似。DPO也可以顯示不斷變化的發(fā)生頻率的信息，顯

示屏對(duì)不同的信息呈現(xiàn)不同的顏色，這一點(diǎn)與模擬示波器不同。利用圖19.一些DPO能夠在數(shù)秒之內(nèi)捕獲成百上千萬的波形，有效地?cái)U(kuò)展了功

DPO，可以比較由不同觸發(fā)器產(chǎn)生的波形之間的異同，例如，比較某能，例如捕獲中斷和難以捕獲的事件應(yīng)用，以及展示動(dòng)態(tài)信號(hào)行為。

波形與第100號(hào)觸發(fā)器產(chǎn)生波形的區(qū)別。

數(shù)字熒光示波器（DPO）突破模擬和數(shù)字示波器技術(shù)之間的障礙。它對(duì)那些需要最好的通用設(shè)計(jì)和故障檢測(cè)工具以適合大范圍應(yīng)用的人來

同時(shí)適合觀察高頻和低頻信號(hào)、重復(fù)波形，以及實(shí)時(shí)的信號(hào)變化。只有說，DPO是一個(gè)理想工具。DPO典型應(yīng)用有：通信模板測(cè)試，中斷信

DPO實(shí)時(shí)提供Z（亮度）軸，常規(guī)的DSO已經(jīng)喪失了這一功能。號(hào)的數(shù)字調(diào)試，重復(fù)的數(shù)字設(shè)計(jì)和定時(shí)應(yīng)用。

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初級(jí)

圖20.數(shù)字采樣示波器的體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字采樣示波器

當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，示波器也許不能在一次掃描中采集足夠的樣值。如

果需要正確采集頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣頻率的信號(hào)，那么數(shù)字采樣示

波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇（參看圖21）。這種示波器采集測(cè)量信號(hào)的能力

要比其他類型的示波器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在測(cè)量重復(fù)信號(hào)時(shí)，它能達(dá)到的

帶寬以及高速定時(shí)都十倍于其他示波器。連續(xù)等效時(shí)間采樣示波器能達(dá)

到50GHz的帶寬。

與數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器體系結(jié)構(gòu)不同，在數(shù)字采樣示波器的體系

結(jié)構(gòu)中，置換了衰減器/放大器于采樣橋的位置，參照?qǐng)D20。在衰減或

放大之前對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。由于采樣門電路的作用，經(jīng)過采樣橋以

后的信號(hào)的頻率已經(jīng)變低，因此可以采用低帶寬放大器，其結(jié)果，整個(gè)

儀器的帶寬得到增加。

圖21.TDS8000數(shù)字采樣示波器和80E0420-GHz采樣模塊的時(shí)域反射儀

然而，采樣示波器帶寬的增加帶來的負(fù)面影響是動(dòng)態(tài)范圍的限制。由于

（TDR）顯示

在采樣門電路之前沒有衰減器/放大器，所以不能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行縮

放。所有時(shí)刻的輸入信號(hào)都不能超過采樣橋滿動(dòng)態(tài)范圍。因此，大多數(shù)另外，采樣橋的前面不能增加保護(hù)二極管，否則會(huì)限制帶寬。因此，采

采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍都限制在1V的峰值-峰值。另一方面，數(shù)字存樣示波器的安全輸入電壓大約只有3V，相對(duì)而言，其他示波器可以高

儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器卻能夠處理50到100伏特的輸入。達(dá)500V。

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初級(jí)

示波器的前面板分為三個(gè)主要的區(qū)域，標(biāo)注為垂直區(qū)、水平區(qū)和觸發(fā)

區(qū)。由于模式和類型（模擬或數(shù)字）不同，您的示波器也許還有其他

的區(qū)域。參看圖22，在閱讀本小節(jié)過程中，看看您能否在圖中以及在

自己的示波器中找到前面板的各區(qū)域位置。當(dāng)使用示波器時(shí)，為接納

輸入信號(hào)，需要對(duì)以下配置進(jìn)行調(diào)整：

信號(hào)的衰減和放大值。通過控制伏特/格，可以把信號(hào)的幅度調(diào)整到

期望測(cè)量范圍內(nèi)。

時(shí)基。通過控制秒/格，可以顯示屏中每一水平刻度代表的時(shí)間量。

示波器觸發(fā)。利用觸發(fā)電平，可以穩(wěn)定重復(fù)信號(hào)，或者觸發(fā)單一的

事件。

垂直系統(tǒng)和控制

波形垂直的位置和標(biāo)度由垂直控制部分調(diào)控。垂直控制還能設(shè)置耦合

方式和其他的信號(hào)條件，具體內(nèi)容在本節(jié)的后面部分有講解。通用垂

直控制包括：

圖22.示波器的前面板調(diào)節(jié)控制部分端接設(shè)備

1M歐

50歐

示波器的各個(gè)系統(tǒng)和控制

耦合方式

示波器包含四個(gè)不同的基本系統(tǒng)：垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)和顯DC直流

示系統(tǒng)。理解每一個(gè)系統(tǒng)的含義，有助于您更有效地應(yīng)用示波器，完成AC交流

特定的測(cè)量任務(wù)。請(qǐng)記住，示波器的每一個(gè)系統(tǒng)對(duì)精確地重構(gòu)信號(hào)都大GND地線

有裨益。帶寬限制

本小節(jié)簡(jiǎn)要描述模擬和數(shù)字示波器的基本的系統(tǒng)和調(diào)節(jié)控制。模擬和數(shù)20MHz

字示波器的一些控制并不相同；也許您的示波器還有其他的控制，但并250MHz

沒有在這里提及。全帶寬

位置

偏移

轉(zhuǎn)置－開/關(guān)

標(biāo)度

1-2-5

可變

縮放

18

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初級(jí)

同樣的信號(hào)，采用AC耦合

幅度為Vp-p正弦波與2VDC成分的DC耦合

圖23.AC和DC輸入耦合

位置和每刻度電壓輸入耦合

垂直位置控制使您能按照需求準(zhǔn)確地上下移動(dòng)波形。耦合指的是一個(gè)電路與另外一個(gè)電路中的電信號(hào)的連接方式。既然這

樣，那么輸入耦合就指測(cè)試電路與示波器的連接。耦合方式可以設(shè)置

調(diào)節(jié)每刻度電壓值（通常記為volts/div，伏特/格），那么顯示波形大小

為DC、AC或者地線。DC耦合會(huì)顯示所有輸入信號(hào)。而AC耦合去除

會(huì)隨之改變。較好的通用示波器可以精確顯示信號(hào)電平范圍大概是從4

信號(hào)中的直流成分，結(jié)果是顯示的波形始終以零電壓為中心。圖23圖

微伏到40伏特。

解了兩者的不同之處。當(dāng)整個(gè)信號(hào)（振蕩的電流＋直接電流）大于伏

伏特/格是一個(gè)標(biāo)度因數(shù)。假設(shè)分為八個(gè)主要的刻度格子，如果伏特/特/格的設(shè)置時(shí)，AC耦合非常適用。

格設(shè)置為5伏特，則八個(gè)垂直格中的每一個(gè)都表示5伏特，那么從下到

上整個(gè)屏幕可以顯示40伏特。如果設(shè)置的是0.5伏特/格，那么從下到地線

上可以顯示4伏特，依此類推。屏幕顯示的最大電壓是伏特/格乘上垂地線的設(shè)置不需要輸入信號(hào)與垂直系統(tǒng)相連。觀察地線，就可以知道

直刻度的數(shù)量。注意探頭有1X或10X，它也影響標(biāo)度因數(shù)。如果示波屏幕中零電壓的位置。如果使用的是地線輸入耦合和自動(dòng)觸發(fā)模式，那

器沒有把伏特/格除以衰減系數(shù)，那么您自己應(yīng)該留意。么屏幕中就有一條表示零電壓值的水平線。測(cè)試信號(hào)電壓相對(duì)地的電

通常，伏特/格有可變的增益控制或精密增益控制，使顯示的信號(hào)標(biāo)度平值的便捷方法為，把耦合從DC轉(zhuǎn)換到地，再重新轉(zhuǎn)換回DC。

在數(shù)個(gè)合適的刻度內(nèi)。利用這樣的控制方式，方便對(duì)上升時(shí)間等的測(cè)

量。

19

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初級(jí)

交替模式：輪流繪制通道1和通道2繼續(xù)模式：輪流分段描繪通道1和通道2

首先繪制

隨后繪制

圖24.多通道顯示模式

帶寬限制交替模式輪流繪制每一通道：示波器首先完成通道1的掃描，馬上對(duì)

大多數(shù)示波器中存在限制示波器帶寬的電路。限制帶寬后，可以減少顯通道2進(jìn)行掃描，接著又掃描通道1，如此循環(huán)。這一模式適用于中速

示波形中不時(shí)出現(xiàn)的噪聲，顯示的波形會(huì)顯得更為清晰。請(qǐng)注意，在消到高速的信號(hào)，此時(shí)秒/格標(biāo)度設(shè)置在0.5ms，甚至更快。

除噪聲的同時(shí)，帶寬限制同樣會(huì)減少或消除高頻信號(hào)成分。

斷續(xù)模式是示波器前后變換著描繪信號(hào)中的一小段。變換的速度相當(dāng)

交替和斷續(xù)顯示模式快，人眼難以注意到，波形看上去也是一個(gè)整體。典型地，捕獲的掃描

模擬示波器顯示多個(gè)信