什么是示波器？示波器的原理

本文分五篇，第一篇介紹示波器的原理，包含模擬示波器和各種常見(jiàn)的數(shù)字示波器。第二篇介紹示波器的主要指標(biāo)：帶寬，采樣率，內(nèi)存深度，分辨率；以及示波器對(duì)測(cè)量的影響。第三篇介紹探頭的種類和原理，以及探頭寄生參數(shù)對(duì)測(cè)量的影響。第四篇介紹示波器的一個(gè)重要功能-觸發(fā)。觸發(fā)的原理和常用的觸發(fā)模式。第五篇介紹示波器安全使用注意事項(xiàng)，接地的正確方法，接地對(duì)測(cè)量的影響，浮地測(cè)量注意事項(xiàng)。

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示波器的原理

1. 什么是示波器

示波器是一種電信號(hào)的圖形顯示設(shè)備，在大多數(shù)的應(yīng)用中，這個(gè)圖形顯示信號(hào)怎么樣隨時(shí)間變化，其中豎軸（Y）表示電壓，橫軸（X）表示時(shí)間。顯示輝度或亮度有時(shí)稱為Z軸。如圖1

圖1顯示的波形X，Y和Z成分

這個(gè)簡(jiǎn)單的圖形可以顯示與信號(hào)有關(guān)的許多東西，如：

• 信號(hào)的時(shí)間值和電壓值
• 振蕩信號(hào)的頻率
• 信號(hào)表示的電路的“運(yùn)動(dòng)部件”
• 信號(hào)特定部分相對(duì)于其它部分發(fā)生的頻率
• 有故障的元件是否會(huì)使信號(hào)失真
• 多少信號(hào)是直流？多少信號(hào)是交流？
• 多少信號(hào)是噪聲？噪聲是否隨時(shí)間變化？

2. 模擬示波器

最早的示波器是模擬示波器，出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，第一代示波器只有幾M Hz的帶寬。模擬示波器都采用陰極射線管的CRT顯示屏。模擬示波器內(nèi)部產(chǎn)生周期性鋸齒波形信號(hào)控制熒光屏電子槍的水平偏轉(zhuǎn)，被測(cè)的電壓信號(hào)經(jīng)放大后控制電子槍的垂直偏轉(zhuǎn)，這樣掃描后就可以在屏幕上看到被測(cè)信號(hào)電壓隨時(shí)間的變化軌跡。圖2是一個(gè)典型模擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 模擬示波器的結(jié)構(gòu)框圖

  為了在示波器上看到穩(wěn)定的波形，需要示波器的水平掃描與被測(cè)信號(hào)的同步，所以示波器中設(shè)計(jì)了相應(yīng)的觸發(fā)電路用于控制掃描的起始時(shí)刻。模擬示波器的觸發(fā)一般都比較簡(jiǎn)單，通常就是邊沿觸發(fā)。一旦有被測(cè)信號(hào)觸發(fā)的邊沿到來(lái)，示波器內(nèi)部就開(kāi)始產(chǎn)生鋸齒波控制水平方向的掃描，這樣在示波器屏幕上每次看到的波形都是被測(cè)信號(hào)出發(fā)點(diǎn)以后的波形。如果被測(cè)的信號(hào)是周期性的，例如是時(shí)鐘信號(hào)，在示波器上就可以看到穩(wěn)定的信號(hào)波形。

模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性好；熒光顯示真實(shí)；價(jià)格便宜。

模擬示波器的缺點(diǎn)：帶寬有限；沒(méi)有存儲(chǔ)和分析能力；捕獲單次或偶發(fā)信號(hào)的能力有限；觸發(fā)功能有限；性能不穩(wěn)定。因?yàn)檫@些缺點(diǎn)的限制，隨著數(shù)字示波器的發(fā)明和成本降低，模擬示波器在大部分市場(chǎng)已經(jīng)被數(shù)字示波器取代。

3. 數(shù)字示波器

數(shù)字示波器可以細(xì)分為很多種：數(shù)字存儲(chǔ)示波器，數(shù)字熒光示波器，數(shù)字采樣示波器，數(shù)字混合信號(hào)示波器等等，本文重點(diǎn)介紹數(shù)字存儲(chǔ)示波器，是工程師較普遍使用的一種數(shù)字示波器。

• 早期的數(shù)字示波器

  早期的數(shù)字示波器仍然使用CRT的顯示屏，其工作原理如圖3，這種數(shù)字示波器最大的區(qū)別在于輸入信號(hào)并不直接調(diào)制到顯示屏，而是通過(guò)高速ADC芯片對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣和數(shù)字化，并把數(shù)字化樣點(diǎn)先保存到緩存中，然后通過(guò)信號(hào)處理電路把緩存里的數(shù)據(jù)讀出，通過(guò)DAC芯片把相應(yīng)的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，并在CRT屏上顯示。
  

圖3早期的數(shù)字示波器結(jié)構(gòu)框圖

信號(hào)經(jīng)過(guò)了數(shù)字化-存儲(chǔ)-顯示的過(guò)程，所以CRT的掃描速度不會(huì)再制約輸入信號(hào)的帶寬。只要前端放大器帶寬足夠，且ADC的采樣率足夠，就可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行一段時(shí)間的高速采樣。這種示波器的的缺點(diǎn)是只能采樣并存儲(chǔ)一段波形，再讀出數(shù)據(jù)并顯示，由于讀取和顯示的速度遠(yuǎn)慢于數(shù)據(jù)采樣的速度，必須等待讀取和數(shù)據(jù)處理完成才能開(kāi)始下一段波形數(shù)據(jù)的采集。在等待時(shí)間段，會(huì)造成波形遺漏。

• 現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器

隨技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)代示波器普遍采用了液晶顯示屏，增強(qiáng)了用戶觀察波形的體驗(yàn)，同時(shí)不需要把數(shù)字樣點(diǎn)重新轉(zhuǎn)成模擬量顯示。同時(shí)隨芯片技術(shù)進(jìn)步，功能越來(lái)越復(fù)雜。

圖4一個(gè)現(xiàn)代示波器的結(jié)構(gòu)框圖。

現(xiàn)代示波器的5個(gè)主要組成部分：

1. 放大器和衰減器：信號(hào)通過(guò)探頭或者測(cè)試電纜進(jìn)入示波器后，首先經(jīng)過(guò)放大器和衰減器。對(duì)于數(shù)字示波器，前端的放大和衰減電路還是模擬電路，它們會(huì)決定數(shù)字示波器的關(guān)鍵指標(biāo)---帶寬。后文會(huì)詳細(xì)講述示波器的帶寬和如何選擇帶寬。
2. 模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC：通過(guò)前端的放大和衰減電路把信號(hào)調(diào)整到合適的幅度后，就進(jìn)入數(shù)字示波器的下一步---數(shù)字化。數(shù)字化的過(guò)程是通過(guò)ADC完成的，數(shù)字示波器以很高的采樣率對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣，把輸入的連續(xù)變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)成一個(gè)個(gè)離散的數(shù)字化樣點(diǎn)。所有的數(shù)據(jù)波形的處理和測(cè)量，分析等工作都是在數(shù)字化領(lǐng)域完成的。信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換的最高速率為采樣率，這是數(shù)字示波器的第二個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，單位為Sa/s,即每秒可以采樣多少個(gè)樣點(diǎn)。
3. 存儲(chǔ)器：數(shù)字示波器的采樣率都很高，通常都在每秒鐘幾十億次甚至幾百億次，現(xiàn)有技術(shù)做不到一秒鐘處理完這些樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)字示波器在ADC后面都有高速緩存，用來(lái)臨時(shí)存儲(chǔ)采樣的數(shù)據(jù)，這些緩存有時(shí)也稱為示波器的內(nèi)存。緩存的大小通常稱為內(nèi)存深度，是數(shù)字示波器第三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，單位是Sample樣點(diǎn)數(shù)，它決定了示波器一次連續(xù)采集能采到的最大樣點(diǎn)數(shù)。
4. 波形重建：數(shù)字示波器先把一段數(shù)據(jù)采集到高速緩存中，再由后面的處理器將緩存中數(shù)據(jù)取出進(jìn)行內(nèi)插，分析，測(cè)量，顯示。數(shù)據(jù)處理可以采用多種方式實(shí)現(xiàn)，嵌入式微處理器，通用CPU和專用ASIC芯片。
5. 波形顯示：數(shù)字示波器的顯示屏可以采用傳統(tǒng)的CRT或者液晶顯示屏。

• 數(shù)字熒光示波器

圖5 數(shù)字熒光示波器

數(shù)字存儲(chǔ)示波器是采用串行處理結(jié)構(gòu)來(lái)捕獲，處理，顯示信號(hào)。在這個(gè)過(guò)程中，微處理器的速度是瓶頸，限制了波形捕獲速率。數(shù)字熒光示波器是并行處理結(jié)構(gòu)。如圖5，數(shù)字熒光示波器把數(shù)字化波形數(shù)據(jù)光柵化到數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫(kù)中，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的信號(hào)圖像快照會(huì)通過(guò)管線直接傳輸?shù)斤@示系統(tǒng)，這種波形數(shù)據(jù)直接光柵化及從數(shù)據(jù)庫(kù)直接拷貝到顯示存儲(chǔ)器，消除了其他結(jié)構(gòu)中固有的數(shù)據(jù)處理瓶頸，增強(qiáng)了實(shí)時(shí)顯示更新功能。

• 數(shù)字采樣示波器

數(shù)字采樣示波器的結(jié)構(gòu)中，衰減器/放大器和采樣橋接的位置顛倒，如圖6.它先對(duì)輸入信號(hào)采樣，然后執(zhí)行衰減或放大。然后在采樣橋接器后面，可以使用低帶寬放大器，因?yàn)樾盘?hào)已經(jīng)被轉(zhuǎn)采樣門轉(zhuǎn)成較低的頻率，從而大大提高了儀器帶寬。這種高帶寬的代價(jià)是采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍有限。大多數(shù)采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍限定在大約1Vp-p.

圖6 數(shù)字采樣示波器結(jié)構(gòu)

• 數(shù)字混合信號(hào)示波器

混合信號(hào)示波器是一種特殊的數(shù)字實(shí)時(shí)示波器，其本質(zhì)是在傳統(tǒng)的實(shí)時(shí)示波器的2個(gè)或4個(gè)模擬測(cè)量通道的基礎(chǔ)上增加了額外的16個(gè)數(shù)字邏輯通道。其好處是可以同時(shí)測(cè)試更多路的數(shù)字信號(hào)。