示波器工作原理、基本功能、示波器與頻譜儀的區(qū)別

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，是電子工程師的眼睛，它能把肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)變換成看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。示波器的首要條件：準(zhǔn)確的顯示波形，保證信號(hào)完整性測(cè)量。

　　示波器的功能：用來(lái)測(cè)量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線(xiàn)管等組成。除觀測(cè)電流的波形外，還可以測(cè)定頻率、電壓強(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過(guò)程都可以用示波器進(jìn)行觀測(cè)。

示波器工作原理

　　示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測(cè)信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測(cè)信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線(xiàn)。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線(xiàn)，還可以用它測(cè)試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　首先示波器從設(shè)計(jì)原理上分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩種，最早出現(xiàn)的示波器為模擬示波器，而今由于帶寬等問(wèn)題，模擬示波器已經(jīng)漸漸被淘汰。那模擬示波器的原理是怎么樣的呢？下面這張圖就可以很好的說(shuō)明：

　　模擬示波器內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生周期性的鋸齒波信號(hào)來(lái)控制銀光平電子槍的水平偏轉(zhuǎn)，被測(cè)的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后控制熒光屏電子槍的垂直偏轉(zhuǎn)。這樣一來(lái)，光斑或者亮線(xiàn)就清楚的顯示在熒光屏上了，就是波形嘛。

　　從設(shè)計(jì)理念上來(lái)分析，模擬示波器有許多不可比擬的好處，例如信號(hào)波形不會(huì)丟失、不存在死區(qū)時(shí)間等。而數(shù)字示波器雖然一開(kāi)始會(huì)存在這些問(wèn)題，但隨著現(xiàn)在電子技術(shù)的大力發(fā)展，這種瑕疵已經(jīng)變得越來(lái)越小。那數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)原理又是怎么樣的呢？

　　波形首先要通過(guò)探頭，經(jīng)由前端的放大器進(jìn)行放大，之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)而存儲(chǔ)到采集內(nèi)存中，然后顯示到顯示器上。

　　在這一整個(gè)過(guò)程中，波形并不是實(shí)時(shí)呈現(xiàn)在屏幕上的，而是經(jīng)過(guò)采集內(nèi)存之后又呈現(xiàn)在波形上的。因此如果整個(gè)采樣和轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)的話(huà)，就會(huì)產(chǎn)生較大的死區(qū)時(shí)間，所以在死區(qū)時(shí)間內(nèi)的波形就無(wú)法觀察到了。這也就是為什么很多人至今仍然堅(jiān)持認(rèn)為數(shù)字示波器不如模擬示波器好的原因所在。

　　模擬示波器的優(yōu)點(diǎn)毋庸贅述，實(shí)時(shí)性好、原理簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。但是本身的儀器原理也包含了終將會(huì)被時(shí)代拋棄的硬傷。大抵有以下幾條：

　　一、帶寬有限：這絕對(duì)是致命硬傷。模擬示波器的輸入信號(hào)是放大后直接控制CRT顯示屏的電子槍偏轉(zhuǎn)。雖然放大器的帶寬可以越來(lái)預(yù)高，但是CRT電子槍的偏轉(zhuǎn)速度是有限的，對(duì)于高頻信號(hào)，電子槍的速度跟不上信號(hào)變化。因此，當(dāng)前模擬示波器帶寬真的很難做上去。

　　二、無(wú)法存儲(chǔ)和分析：很多老工程師非常清楚，用模擬示波器保存波形是要拿相機(jī)拍照的，如果要測(cè)幅度、周期、上升時(shí)間，只能手動(dòng)去搞。要是想測(cè)相位差、功率這些，對(duì)于數(shù)字示波器這種只是勾選一下就能完成的事情，對(duì)于模擬示波器簡(jiǎn)直是體力活。

　　三、觸發(fā)能力太弱：基本只能邊沿觸發(fā)吧。想脈寬觸發(fā)？斜率觸發(fā)？根本不可能！更不要開(kāi)個(gè)圖形來(lái)做模板觸發(fā)這種腦洞大開(kāi)的觸發(fā)方式了。

　　四、性能不穩(wěn)定：畢竟是大量的模擬器件，時(shí)間長(zhǎng)了之后指標(biāo)就不穩(wěn)了，溫漂也要比數(shù)字示波器嚴(yán)重的多。在20世紀(jì)80年代開(kāi)始，數(shù)字示波器逐漸嶄露頭角。特別是隨著高速ADC芯片和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器在帶寬、觸發(fā)、分析、顯示方面全面超越了模擬示波器。現(xiàn)在市面上在售的示波器基本全都是數(shù)字示波器了。

　　這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)仍然是死區(qū)時(shí)間，這依賴(lài)的是數(shù)字示波器后面的處理和顯示速度。雖然在現(xiàn)有的技術(shù)水平下仍然無(wú)法做到實(shí)時(shí)處理，但是處理的速度越快，丟失的波形就越少，有關(guān)這方面性能是指標(biāo)叫做——波形刷新率。對(duì)于200MHz帶寬示波器來(lái)說(shuō)，幾乎所有的品牌都會(huì)配1G的采樣率，但是波形刷新率是更為重要的參數(shù)之一。波形刷新率越高，波形觀測(cè)的死區(qū)時(shí)間就小了好多。

　　不管怎么說(shuō)，數(shù)字示波器取代模擬示波器都是大勢(shì)所趨。在電子技術(shù)飛速發(fā)展的階段，相信模擬示波器的價(jià)格優(yōu)勢(shì)也會(huì)慢慢消失殆盡。

示波器基本功能

　　1、可以測(cè)量直流信號(hào)、交流信號(hào)的電壓幅度

　　2、可以測(cè)量交流信號(hào)的周期，并以此換算出交流信號(hào)的頻率。

　　3、可顯示交流信號(hào)的波形。

　　4、可以用兩個(gè)通道分別進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。

　　5、可以在屏幕上同時(shí)顯示兩個(gè)信號(hào)的波形，即雙蹤測(cè)量功能。此功能能夠測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的相位差，和波形之間形狀的差別。

　　示波器面板旋鈕的功能

　　1、 掃描速度旋鈕，可以改變示波器掃描線(xiàn)從左向右移動(dòng)的速度。

　　2、 電壓選擇旋鈕，可以改變輸入電壓使掃描線(xiàn)在示波器屏幕Y軸方向的偏轉(zhuǎn)幅度。

　　3、 上下調(diào)整旋鈕、左右調(diào)整旋鈕，可以改變掃描線(xiàn)在屏幕中上下左右兩個(gè)方向的位置。

　　4、 電壓標(biāo)準(zhǔn)旋鈕向順時(shí)針?lè)较蜻_(dá)到最大值的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。其它位置為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

　　5、 掃描速度標(biāo)準(zhǔn)旋鈕向順時(shí)針?lè)较蜻_(dá)到最大值的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。其他位置為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

　　6、 為同步旋鈕，它能使示波器的波形穩(wěn)定下來(lái)。

　　7、 功能選擇鍵為CH1通道選擇、CH2通道選擇、雙蹤功能選擇。

　　8、 功能選擇鍵為CH1信號(hào)同步、CH2信號(hào)同步。

　　9、 為測(cè)量功能選擇開(kāi)關(guān)，能使測(cè)量處與交流DC、直流AC、和接地GHD三種狀態(tài)。當(dāng)處于直流DC狀態(tài)時(shí)，無(wú)論是直流還是交流信號(hào)都能夠進(jìn)行測(cè)量。當(dāng)處于交流AC狀態(tài)時(shí)，示波器測(cè)量接口的內(nèi)部被串上的一個(gè)電容，此時(shí)信號(hào)中的直流成分被電容阻隔，而交流成分卻可以通過(guò)電容而被測(cè)量。

　　當(dāng)處于接地狀態(tài)的時(shí)，示波器的測(cè)量接口在示波器內(nèi)部與地短路，此時(shí)外部信號(hào)不能進(jìn)入示波器。

　　10、為亮度調(diào)整旋鈕，可以調(diào)整圖像的亮度。

　　11、為聚焦調(diào)整旋鈕，可以使圖像變得精細(xì)。

示波器與頻譜儀的區(qū)別

　　從實(shí)時(shí)帶寬、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度和功率測(cè)量準(zhǔn)確度四個(gè)方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)的區(qū)別。

　　1 實(shí)時(shí)帶寬

　　對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，帶寬通常是其測(cè)量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析的實(shí)時(shí)帶寬作為討論對(duì)象。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，末級(jí)模擬中頻的帶寬通常可以作為其信號(hào)分析的實(shí)時(shí)帶寬，大多數(shù)的頻譜分析的實(shí)時(shí)帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實(shí)時(shí)帶寬通常為幾十兆赫茲，當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達(dá)到500兆赫茲。而示波器的實(shí)時(shí)帶寬為其實(shí)時(shí)取樣的有效模擬帶寬，一般為數(shù)百兆赫茲，高的可達(dá)數(shù)千兆赫茲。

　　這里需要指出的是，大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬可能并不一致，在垂直刻度設(shè)置到最靈敏時(shí)，其實(shí)時(shí)帶寬通常會(huì)下降。

　　從實(shí)時(shí)帶寬來(lái)說(shuō)，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對(duì)于某些超寬帶信號(hào)分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　2 動(dòng)態(tài)范圍

　　動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動(dòng)態(tài)范圍被描述為儀器測(cè)量最大信號(hào)和最小信號(hào)的電平差值。當(dāng)改變測(cè)量設(shè)置時(shí)，儀器測(cè)量大信號(hào)和小信號(hào)的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測(cè)量大信號(hào)所帶來(lái)的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時(shí)測(cè)量大小信號(hào)的能力，即在不改變?nèi)魏螠y(cè)量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動(dòng)態(tài)范圍。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動(dòng)態(tài)范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計(jì)算，其理想動(dòng)態(tài)范圍約為90dB（受二階失真限制）。

　　大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制，傳統(tǒng)示波器的理想動(dòng)態(tài)范圍通常不超過(guò)50dB。（對(duì)于R&S RTO示波器，在100KHz RBW時(shí)，其動(dòng)態(tài)范圍可高達(dá)86dB）

　　從動(dòng)態(tài)范圍來(lái)看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對(duì)于常在信號(hào)的頻譜分析來(lái)說(shuō)確實(shí)如此，然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù)，頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù)，因而對(duì)于瞬變信號(hào)來(lái)說(shuō)，頻譜儀可能無(wú)法測(cè)量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號(hào)（信號(hào)滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)范圍的情況下）的概率要大得多。

　　3 靈敏度

　　這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測(cè)試到最小信號(hào)的水平。這個(gè)指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。

　　對(duì)于示波器而言，示波器在Y軸設(shè)置至最靈敏檔時(shí)，通常為1mV/div時(shí)示波器所能測(cè)試到最小信號(hào)，拋開(kāi)端口不匹配等因素來(lái)看，示波器的信號(hào)通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩(wěn)定帶來(lái)的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

　　4 功率測(cè)量準(zhǔn)確度

　　對(duì)于頻域分析來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無(wú)論是示波器還是頻譜儀，對(duì)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

　　對(duì)于示波器來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

　　對(duì)于頻譜儀來(lái)說(shuō)，功率測(cè)量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、參考電平誤差、衰減器誤差、帶寬轉(zhuǎn)換誤差、頻率響應(yīng)、校準(zhǔn)信號(hào)誤差等。

　　另外，在頻率范圍內(nèi)，示波器的頻率響應(yīng)指標(biāo)也是很好的，4GHz范圍內(nèi)不超過(guò)0.5dB，從這點(diǎn)來(lái)說(shuō)，示波器甚至優(yōu)于頻譜儀的性能。

　　總的來(lái)說(shuō)，示波器與頻譜儀在頻域分析性能上各有所長(zhǎng)，頻譜儀在靈敏度等技術(shù)指標(biāo)上更勝一籌，示波器在實(shí)時(shí)帶寬上較頻譜儀更為出色。在測(cè)量不同類(lèi)型的信號(hào)時(shí)，可根據(jù)測(cè)試需求和儀器的不同技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行選擇。