示波器基礎(chǔ)原理入門指南(上)

示波器是有史以來電子工程師最有用的工具之一?，F(xiàn)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(yīng)用案例。本入門指南旨在對數(shù)字示波器進(jìn)行描述，出于實用目的以指導(dǎo)用戶在絕大多數(shù)應(yīng)用場合中使用數(shù)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(shù)字示波器的歷史、數(shù)字示波器的類型及其主要子系統(tǒng)、示波器關(guān)鍵指標(biāo)以及其測量方法。

示波器的起源

諾貝爾獎獲得者，德國物理學(xué)家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出于對物理現(xiàn)象的好奇而發(fā)明了 CRT 示波器。他向熒光 CRT 上的水平偏轉(zhuǎn)片施加一個振蕩信號，然后向縱向偏轉(zhuǎn)片發(fā)送一個測試信號。這兩個偏轉(zhuǎn)片會在小熒光屏上產(chǎn)生瞬態(tài)的電波圖像。該發(fā)明逐步演變（圖 2）成一臺測量儀器，并且其性能在后續(xù)的 50 多年里不斷改善。工程師霍華德•衛(wèi)林在 1947 年所作的改進(jìn)讓示波器成為一臺非常實用的儀器，首次能夠通過觸發(fā)器來控制掃描功能。

圖 1：諾貝爾獎獲得者,物理學(xué)家 K.F 布勞恩

圖 2：早期的示波器

早期的示波器由于缺少觸發(fā)器，所以只能在輸入電壓超過可調(diào)閾值時才能對輸入電壓的波形開始進(jìn)行水平追蹤。觸發(fā)功能可以在 CRT 上保持穩(wěn)定的重復(fù)波形，即多次重復(fù)畫出相同軌跡的波形。如果沒有觸發(fā)功能，示波器會將多個掃描波形顯示在不同的位置上，導(dǎo)致屏幕上出現(xiàn)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(xù)改進(jìn)的直接因素是高性能的模擬和數(shù)字半導(dǎo)體裝置，以及軟件的飛速發(fā)展。

數(shù)字化時代的呼喚

得益于較快的模-數(shù)轉(zhuǎn)換速度以及用于記錄并顯示波形的存儲器，數(shù)字示波器在 20 世紀(jì) 80 年代開始崛起并迅速獲得普遍應(yīng)用。

圖 3：模擬示波器發(fā)展為數(shù)字示波器的市場驅(qū)動力

即便是最早的數(shù)字示波器，也提供了模擬示波器所不具備的觸發(fā)、分析和顯示方面的靈活性。半導(dǎo)體和軟件的發(fā)展進(jìn)一步將儀器從模擬為主的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化為主的構(gòu)造。數(shù)字化領(lǐng)域的信號處理為商業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件，示波器卻從中獲益尤多。概括地講，數(shù)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(jìn)行分析，同時也能滿足更加復(fù)雜和更高速率的數(shù)據(jù)流的特殊測量要求，而這些也僅僅是數(shù)字示波器的眾多優(yōu)勢的一部分。數(shù)字示波器可以讓用戶根據(jù)信號某些特定參數(shù)捕捉特定事件，還可以看到事件發(fā)生前的情況。得益于局域網(wǎng)和因特網(wǎng)，用戶能夠在另一個房間、另一個城鎮(zhèn)甚至另一個國家對示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并顯示結(jié)果，使其成為自動檢測系統(tǒng)的組成部分。數(shù)字示波器架構(gòu)的其中一個關(guān)鍵部分是羅德與施瓦茨公司于 2009 年引入了的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，它消除了模擬觸發(fā)系統(tǒng)的固有限制（比如觸發(fā)抖動）。數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)會在下文中作詳細(xì)介紹。

數(shù)字示波器的類型

數(shù)字示波器具備兩項基本功能：信號采集與信號分析。在采集信號樣本過程中，采集到的信號會保存在存儲器中；而在信號分析時，示波器會分析采集到的波形并將其輸出到顯示器。目前市面上有各種各樣的數(shù)字示波器，而這里所介紹的都是當(dāng)今最常見的示波器類型。

數(shù)字采樣示波器

數(shù)字采樣示波器在對信號進(jìn)行垂直設(shè)置之前對信號進(jìn)行采樣。它具備非常寬的帶寬，缺點是動態(tài)范圍有限，一般測量信號的峰-峰值最大約 1 V。與其它某些類型的數(shù)字示波器不同，數(shù)字采樣示波器可以捕捉到信號中遠(yuǎn)高于儀器采樣率的頻率分量。相比于其他類型的示波器，它能夠測量速度更快的重復(fù)周期信號。因此，數(shù)字采樣示波器可勝任超高帶寬的應(yīng)用測量，比如光纖傳輸測量，此類示波器成本也較高。

實時采樣示波器

當(dāng)信號的頻率范圍小于示波器最大采樣頻率的一半時，實時采樣便具有明顯的優(yōu)勢。該技術(shù)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(tài)信號的唯一方法。

嵌入式系統(tǒng)通常包含數(shù)字邏輯信號，以及受時鐘控制或者不受時鐘控制的并行總線和串行總線，以及標(biāo)準(zhǔn)化或者專用的傳輸碼型。

所有這些信號都必須經(jīng)過分析，這往往要求使用復(fù)雜的測試裝置和多種儀器。并且通常還必須同時顯示模擬信號和數(shù)字信號。為此，現(xiàn)在的許多示波器都具備特定的選件，將數(shù)字示波器升級為具有邏輯分析功能的混合工具。這對于數(shù)字電路的快速調(diào)試來說非常重要，因為它具備數(shù)字觸發(fā)功能、高分辨率、采集及分析功能。

混合信號示波器

混合信號示波器擴(kuò)展了數(shù)字示波器的功能，包含有邏輯和協(xié)議分析能力，簡化了試驗平臺并能實現(xiàn)單一儀器的模擬波形、數(shù)字信號和協(xié)議分析的同步可視化。硬件開發(fā)者可以利用混合信號示波器來分析信號的完整性，而軟件開發(fā)者可以利用它們來分析信號內(nèi)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(shù)字通道。模擬通道和數(shù)字通道要求實現(xiàn)同步，使得它們可以在時間上相關(guān)并在同一臺儀器上進(jìn)行分析。

混合域示波器

顧名思義，混合域示波器可以顯示數(shù)字域、模擬域和射頻域的波形數(shù)據(jù)，并建立它們之間的相關(guān)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(yīng)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(tǒng)的時候需要查看跨越子系統(tǒng)的模擬、數(shù)字和高頻信號，那么混合域示波器便可以滿足要求。