示波器基礎原理入門指南(上)

概要

示波器是有史以來電子工程師最有用的工具之一。現代模擬示波器面世以來，有成百上千的文章描述了示波器的功能、原理、使用方法以及特定的應用案例。本入門指南旨在對數字示波器進行描述，出於實用目的以指導用戶在絕大多數應用場合中使用數字示波器來替代模擬示波器。本入門指南簡要介紹了示波器的起源、模擬示波器到數字示波器的歷史、數字示波器的類型及其主要子系統、示波器關鍵指標以及其測量方法。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/338109.htm

示波器的起源

諾貝爾獎獲得者，德國物理學家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出於對物理現象的好奇而發明了 CRT 示波器。他向螢光 CRT 上的水平偏轉片施加一個振蕩信號，然後向縱向偏轉片發送一個測試信號。這兩個偏轉片會在小螢光屏上產生瞬態的電波圖像。該發明逐步演變（圖 2）成一臺測量儀器，並且其性能在後續的 50 多年裡不斷改善。工程師霍華德•衛林在 1947 年所作的改進讓示波器成為一臺非常實用的儀器，首次能夠通過觸發器來控制掃描功能。

圖 1：諾貝爾獎獲得者,物理學家 K.F 布勞恩

圖 2：早期的示波器

早期的示波器由於缺少觸發器，所以只能在輸入電壓超過可調閾值時才能對輸入電壓的波形開始進行水平追蹤。觸發功能可以在 CRT 上保持穩定的重複波形，即多次重複畫出相同軌跡的波形。如果沒有觸發功能，示波器會將多個掃描波形顯示在不同的位置上，導致屏幕上出現不連貫的雜亂圖形或者移動的圖像。示波器的性能和功能得以持續改進的直接因素是高性能的模擬和數字半導體裝置，以及軟體的飛速發展。

數位化時代的呼喚

得益於較快的模-數轉換速度以及用於記錄並顯示波形的存儲器，數字示波器在 20 世紀 80 年代開始崛起並迅速獲得普遍應用。

圖 3：模擬示波器發展為數字示波器的市場驅動力

即便是最早的數字示波器，也提供了模擬示波器所不具備的觸發、分析和顯示方面的靈活性。半導體和軟體的發展進一步將儀器從模擬為主的構造轉變為數位化為主的構造。數位化領域的信號處理為商業和工業產品創造了有利條件，示波器卻從中獲益尤多。概括地講，數字示波器不僅能以前所未有的方式來處理信號，還可以更廣泛的對信號進行分析，同時也能滿足更加複雜和更高速率的數據流的特殊測量要求，而這些也僅僅是數字示波器的眾多優勢的一部分。數字示波器可以讓用戶根據信號某些特定參數捕捉特定事件，還可以看到事件發生前的情況。得益於區域網和網際網路，用戶能夠在另一個房間、另一個城鎮甚至另一個國家對示波器進行遠程操作並顯示結果，使其成為自動檢測系統的組成部分。數字示波器架構的其中一個關鍵部分是羅德與施瓦茨公司於 2009 年引入了的數字觸發系統，它消除了模擬觸發系統的固有限制（比如觸發抖動）。數字觸發系統會在下文中作詳細介紹。

數字示波器的類型

數字示波器具備兩項基本功能：信號採集與信號分析。在採集信號樣本過程中，採集到的信號會保存在存儲器中；而在信號分析時，示波器會分析採集到的波形並將其輸出到顯示器。目前市面上有各種各樣的數字示波器，而這裡所介紹的都是當今最常見的示波器類型。

數字採樣示波器

數字採樣示波器在對信號進行垂直設置之前對信號進行採樣。它具備非常寬的帶寬，缺點是動態範圍有限，一般測量信號的峰-峰值最大約 1 V。與其它某些類型的數字示波器不同，數字採樣示波器可以捕捉到信號中遠高於儀器採樣率的頻率分量。相比於其他類型的示波器，它能夠測量速度更快的重複周期信號。因此，數字採樣示波器可勝任超高帶寬的應用測量，比如光纖傳輸測量，此類示波器成本也較高。

實時採樣示波器

當信號的頻率範圍小於示波器最大採樣頻率的一半時，實時採樣便具有明顯的優勢。該技術讓儀器可以在單次掃描中獲取大量樣本點，提供高度精確的顯示。這是目前能夠捕捉最快速單次瞬態信號的唯一方法。

嵌入式系統通常包含數字邏輯信號，以及受時鐘控制或者不受時鐘控制的並行總線和串行總線，以及標準化或者專用的傳輸碼型。

所有這些信號都必須經過分析，這往往要求使用複雜的測試裝置和多種儀器。並且通常還必須同時顯示模擬信號和數位訊號。為此，現在的許多示波器都具備特定的選件，將數字示波器升級為具有邏輯分析功能的混合工具。這對於數字電路的快速調試來說非常重要，因為它具備數字觸發功能、高解析度、採集及分析功能。

混合信號示波器

混合信號示波器擴展了數字示波器的功能，包含有邏輯和協議分析能力，簡化了試驗平臺並能實現單一儀器的模擬波形、數位訊號和協議分析的同步可視化。硬體開發者可以利用混合信號示波器來分析信號的完整性，而軟體開發者可以利用它們來分析信號內容。

典型的混合信號示波器具有兩個或者四個模擬通道，以及更多的數字通道。模擬通道和數字通道要求實現同步，使得它們可以在時間上相關並在同一臺儀器上進行分析。

混合域示波器

顧名思義，混合域示波器可以顯示數字域、模擬域和射頻域的波形數據，並建立它們之間的相關性，各個域均會以不同的方式顯示信號。這一點在許多測量應用中是很有用的。比如，如果用戶在評估一個嵌入式（板級）信號處理系統的時候需要查看跨越子系統的模擬、數字和高頻信號，那麼混合域示波器便可以滿足要求。