示波器有什么用？

講示波器，總會不由地想起三星測試的時(shí)光。產(chǎn)品機(jī)種的第一版回板，接下來的時(shí)間都是在實(shí)驗(yàn)室，趕產(chǎn)品的周期，那段時(shí)間不間斷地驗(yàn)證和測試。現(xiàn)在好久不測了，手都生了，突然有點(diǎn)懷念那些家伙了……打?。⊙詺w正傳，直接上思維導(dǎo)圖：

1、作用

講示波器，第一時(shí)間的想問的是：示波器有什么用？有人肯定不假思索地回答：測波形。這個(gè)回答沒問題，只是太籠統(tǒng)。信號分低速高速，示波器測試不同的信號，標(biāo)準(zhǔn)也不同，三個(gè)方向來說：

普通信號，這個(gè)時(shí)候?qū)κ静ㄆ鞯囊蟛桓?，只是用于測試與調(diào)試，很多認(rèn)識的網(wǎng)友手頭都有。但也不是一點(diǎn)要求也沒有，這時(shí)候需要關(guān)注波形捕獲。

高速信號，示波器的要求就高了，那就不是個(gè)人玩得起的。這個(gè)時(shí)候需要對信號進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)一致性測試，示波器就得關(guān)注帶寬、底噪等相關(guān)性能指標(biāo)了。

光通信，這里面包含雷達(dá)、光模塊等，更關(guān)注示波器精度與觸發(fā)帶寬等指標(biāo)。這塊筆者沒有從事過，希望有機(jī)會深入了解。

2、性能

性能部分選擇四個(gè)指標(biāo)來說明：帶寬、采樣率、存儲深度、死區(qū)時(shí)間、底噪。

帶寬

常規(guī)定義：按3 dB衰減輸入信號的最低頻率被視為示波器的帶寬。它決定了這臺示波器測量高頻信號的能力。舉個(gè)例子，一個(gè)1GHz帶寬的示波器，如何驗(yàn)證它是否標(biāo)準(zhǔn)？輸入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的50MHz、1V峰峰值的正弦波信號，在示波器上測得信號幅度為 A，保持輸入信號幅度不變，提高輸入信號的頻率，逐漸增加到1GHz，這時(shí)測得示波器信號幅度為 B。20lg(B/A)所得出的結(jié)果與-3 dB的標(biāo)準(zhǔn)相比。

再強(qiáng)調(diào)一下，這里的-3dB是按信號功率計(jì)算，相當(dāng)于信號的功率降到一半。示波器測量的是電壓信號，功率降到原來的一半，根據(jù)相互關(guān)系，相當(dāng)于示波器測得的電壓值下降到原來的 0. 707 倍。

講到帶寬，筆者第一時(shí)間想到的就是上升時(shí)間，還記得那個(gè)公式嗎？就是0.35的那個(gè)。既然示波器也是高斯頻率響應(yīng)，那就是符合這種關(guān)系的，只不過該怎么測試的問題。

這里不說平坦響應(yīng)，也就不談精度了。當(dāng)然，我們也會在很多網(wǎng)絡(luò)上看到各種公式。

帶寬與時(shí)鐘頻率的關(guān)系。這里的5倍需要注意的前提是上升邊假設(shè)為周期的7%。拐點(diǎn)頻率的公式里，這里RT是周期的1/10。

不糾結(jié)這些，正常來說，選個(gè)5倍就行了，即待測信號為100M，示波器帶寬500M。如果有小伙伴想知道，如果選的示波器帶寬不夠會怎樣？那就給你看一看：同一帶寬示波器測不同上升時(shí)間信號的差別吧。

采樣率

說完帶寬，說說采樣率。這兩大指標(biāo)是刻在示波器的門面上的。

通常采樣率是帶寬4倍或者更高的關(guān)系，需要注意示波器是高頻響應(yīng)的方式。

示波器采樣率是示波器每秒所能夠獲取的采樣點(diǎn)數(shù)。講到信號的采樣，大家都會想到Nyquist 采樣定理，即采樣率頻率大于信號帶寬的2倍，這樣示波器才能重建，不會發(fā)生混疊。

存儲深度

我們測試信號，當(dāng)然希望有更多的信息持續(xù)地顯示在屏幕上。示波器通過ADC將輸入端的信號數(shù)字化，這些采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)被儲存在示波器的存儲器中。而存儲器深度和采樣率及屏幕所持續(xù)的時(shí)間有關(guān)。相關(guān)的公式：采樣率 = 存儲器深度 / 屏幕顯示時(shí)間。

這說明，提高顯示時(shí)間長度的同時(shí)，采樣率就會降低。只有示波器所具有的存儲器深度夠深，才可以在高采樣率下采集更長時(shí)間的波形。

死區(qū)時(shí)間

數(shù)字示波器不同于模擬示波器，是不能實(shí)時(shí)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)字示波器進(jìn)行信號采集，是不住重復(fù)的過程，重復(fù)采集之間的時(shí)間，需要對一些采集的波形進(jìn)行處理和顯示，這段時(shí)間就是死區(qū)時(shí)間。也就是說這段時(shí)間是不能抓捕信號和顯示新的波形，如果這段時(shí)間，正好有異常信號的出現(xiàn)，造成信息的遺漏，不利于信號的調(diào)試。

需要注意的是，死區(qū)時(shí)間還不是固定的，取決于示波器處理數(shù)據(jù)的時(shí)間長短。

底噪

示波器的底噪是由示波器的衰減器，前端放大器及A/D產(chǎn)生，會疊加在信號上，和信號融為一體。也就是說，示波器采樣后會對信號重新放大，同時(shí)底噪也會被同時(shí)放大。

3、探頭

測試信號，除了關(guān)注示波器的帶寬，還要關(guān)注探頭帶寬。假如說示波器帶寬是1GHz，有一個(gè)500MHz帶寬的探頭，那么組合的系統(tǒng)帶寬為500MHz。購買示波器，一般會配上相關(guān)匹配探頭。

探頭分為無源探頭和有源探頭。

無源探頭一般用于低帶寬的示波器，這里低帶寬經(jīng)驗(yàn)值為500 MHz，具有10：1衰減比的高阻輸入，同時(shí)帶來嚴(yán)重的容性負(fù)載。常用的電源紋波測試探頭就是無源的。

有源探頭，顧名思義，內(nèi)部有電源設(shè)備，有一個(gè)電源放大器，嵌入到探頭主體內(nèi)靠近探頭的地方，這樣可以提供較低的容性負(fù)載。

除了無源與有源的分類，還可以分為：單端探頭和差分探頭。

單端探頭分為有源和無源，差分探頭一般是有源探頭。

差分探頭有兩個(gè)輸入端，一個(gè)正極，一個(gè)負(fù)極還有一個(gè)單獨(dú)的地線。輸出信號與出現(xiàn)在兩個(gè)輸入端電壓之間的差值成比例。差分探頭互為參考，而不是對地電壓， 這個(gè)要和單端探頭相區(qū)別。

差分探頭中信號連接之間的有效接地要比單端探頭中大部分的接地層更為理想。此接地有效地將探頭地線以非常低的阻抗連接到被測設(shè)備（簡稱DUT）。

兩者之間的區(qū)別還有電壓測量范圍，有源的測量電壓范圍只能是幾V，無源有高阻的輸入方式，測量的電壓范圍達(dá)到幾百V。

還有什么電流探頭之類的，沒用過，就不做展開了。

4、總結(jié)

示波器分模擬示波器與數(shù)字示波器，我們這里講的主要是數(shù)字示波器。信號進(jìn)來，經(jīng)過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換），對信號進(jìn)行采樣，將采樣到的數(shù)字樣點(diǎn)緩存起來，內(nèi)部信號處理結(jié)束后，再通過DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)化），最終顯示到屏幕上。很多產(chǎn)品都是這種原理，比如之前做過的超聲設(shè)備。


審核編輯：劉清