什么是示波器？示波器的原理

本文分五篇，第一篇介绍示波器的原理，包含模拟示波器和各种常见的数字示波器。第二篇介绍示波器的主要指标：带宽，采样率，内存深度，分辨率；以及示波器对测量的影响。第三篇介绍探头的种类和原理，以及探头寄生参数对测量的影响。第四篇介绍示波器的一个重要功能-触发。触发的原理和常用的触发模式。第五篇介绍示波器安全使用注意事项，接地的正确方法，接地对测量的影响，浮地测量注意事项。

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示波器的原理

1. 什么是示波器

示波器是一种电信号的图形显示设备，在大多数的应用中，这个图形显示信号怎么样随时间变化，其中竖轴（Y）表示电压，横轴（X）表示时间。显示辉度或亮度有时称为Z轴。如图1

图1显示的波形X，Y和Z成分

这个简单的图形可以显示与信号有关的许多东西，如：

• 信号的时间值和电压值
• 振荡信号的频率
• 信号表示的电路的“运动部件”
• 信号特定部分相对于其它部分发生的频率
• 有故障的元件是否会使信号失真
• 多少信号是直流？多少信号是交流？
• 多少信号是噪声？噪声是否随时间变化？

2. 模拟示波器

最早的示波器是模拟示波器，出现于20世纪40年代，第一代示波器只有几M Hz的带宽。模拟示波器都采用阴极射线管的CRT显示屏。模拟示波器内部产生周期性锯齿波形信号控制荧光屏电子枪的水平偏转，被测的电压信号经放大后控制电子枪的垂直偏转，这样扫描后就可以在屏幕上看到被测信号电压随时间的变化轨迹。图2是一个典型模拟示波器的结构框图。

图2 模拟示波器的结构框图

  为了在示波器上看到稳定的波形，需要示波器的水平扫描与被测信号的同步，所以示波器中设计了相应的触发电路用于控制扫描的起始时刻。模拟示波器的触发一般都比较简单，通常就是边沿触发。一旦有被测信号触发的边沿到来，示波器内部就开始产生锯齿波控制水平方向的扫描，这样在示波器屏幕上每次看到的波形都是被测信号出发点以后的波形。如果被测的信号是周期性的，例如是时钟信号，在示波器上就可以看到稳定的信号波形。

模拟示波器的优点：实时性好；荧光显示真实；价格便宜。

模拟示波器的缺点：带宽有限；没有存储和分析能力；捕获单次或偶发信号的能力有限；触发功能有限；性能不稳定。因为这些缺点的限制，随着数字示波器的发明和成本降低，模拟示波器在大部分市场已经被数字示波器取代。

3. 数字示波器

数字示波器可以细分为很多种：数字存储示波器，数字荧光示波器，数字采样示波器，数字混合信号示波器等等，本文重点介绍数字存储示波器，是工程师较普遍使用的一种数字示波器。

• 早期的数字示波器

  早期的数字示波器仍然使用CRT的显示屏，其工作原理如图3，这种数字示波器最大的区别在于输入信号并不直接调制到显示屏，而是通过高速ADC芯片对输入信号进行采样和数字化，并把数字化样点先保存到缓存中，然后通过信号处理电路把缓存里的数据读出，通过DAC芯片把相应的数字量转换成模拟量，并在CRT屏上显示。
  

图3早期的数字示波器结构框图

信号经过了数字化-存储-显示的过程，所以CRT的扫描速度不会再制约输入信号的带宽。只要前端放大器带宽足够，且ADC的采样率足够，就可以对信号进行一段时间的高速采样。这种示波器的的缺点是只能采样并存储一段波形，再读出数据并显示，由于读取和显示的速度远慢于数据采样的速度，必须等待读取和数据处理完成才能开始下一段波形数据的采集。在等待时间段，会造成波形遗漏。

• 现代数字存储示波器

随技术发展，现代示波器普遍采用了液晶显示屏，增强了用户观察波形的体验，同时不需要把数字样点重新转成模拟量显示。同时随芯片技术进步，功能越来越复杂。

图4一个现代示波器的结构框图。

现代示波器的5个主要组成部分：

1. 放大器和衰减器：信号通过探头或者测试电缆进入示波器后，首先经过放大器和衰减器。对于数字示波器，前端的放大和衰减电路还是模拟电路，它们会决定数字示波器的关键指标---带宽。后文会详细讲述示波器的带宽和如何选择带宽。
2. 模数转换ADC：通过前端的放大和衰减电路把信号调整到合适的幅度后，就进入数字示波器的下一步---数字化。数字化的过程是通过ADC完成的，数字示波器以很高的采样率对被测信号进行采样，把输入的连续变化的模拟信号转成一个个离散的数字化样点。所有的数据波形的处理和测量，分析等工作都是在数字化领域完成的。信号的模数转换的最高速率为采样率，这是数字示波器的第二个关键指标，单位为Sa/s,即每秒可以采样多少个样点。
3. 存储器：数字示波器的采样率都很高，通常都在每秒钟几十亿次甚至几百亿次，现有技术做不到一秒钟处理完这些样点的数据。因此，数字示波器在ADC后面都有高速缓存，用来临时存储采样的数据，这些缓存有时也称为示波器的内存。缓存的大小通常称为内存深度，是数字示波器第三个关键指标，单位是Sample样点数，它决定了示波器一次连续采集能采到的最大样点数。
4. 波形重建：数字示波器先把一段数据采集到高速缓存中，再由后面的处理器将缓存中数据取出进行内插，分析，测量，显示。数据处理可以采用多种方式实现，嵌入式微处理器，通用CPU和专用ASIC芯片。
5. 波形显示：数字示波器的显示屏可以采用传统的CRT或者液晶显示屏。

• 数字荧光示波器

图5 数字荧光示波器

数字存储示波器是采用串行处理结构来捕获，处理，显示信号。在这个过程中，微处理器的速度是瓶颈，限制了波形捕获速率。数字荧光示波器是并行处理结构。如图5，数字荧光示波器把数字化波形数据光栅化到数字荧光数据库中，存储在数据库中的信号图像快照会通过管线直接传输到显示系统，这种波形数据直接光栅化及从数据库直接拷贝到显示存储器，消除了其他结构中固有的数据处理瓶颈，增强了实时显示更新功能。

• 数字采样示波器

数字采样示波器的结构中，衰减器/放大器和采样桥接的位置颠倒，如图6.它先对输入信号采样，然后执行衰减或放大。然后在采样桥接器后面，可以使用低带宽放大器，因为信号已经被转采样门转成较低的频率，从而大大提高了仪器带宽。这种高带宽的代价是采样示波器的动态范围有限。大多数采样示波器的动态范围限定在大约1Vp-p.

图6 数字采样示波器结构

• 数字混合信号示波器

混合信号示波器是一种特殊的数字实时示波器，其本质是在传统的实时示波器的2个或4个模拟测量通道的基础上增加了额外的16个数字逻辑通道。其好处是可以同时测试更多路的数字信号。