不懂示波器的工程師不是好工程師，從原理到應(yīng)用一文搞定！

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。數(shù)字示波器的基本元素

每一臺數(shù)字示波器都具備四個基本功能模塊 – 垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)。為了理解數(shù)字示波器的整體功能，理解各個模塊的功能至關(guān)重要。

數(shù)字示波器前面板的大部分區(qū)域均用于控制垂直、水平和觸發(fā)功能，因為大部分必需的調(diào)節(jié)工作都是由這些功能來完成。垂直功能部分通過控件改變“volts per division”（每格電壓值）數(shù)值來控制信號的衰減或放大，使信號能夠以適當(dāng)幅度進(jìn)行顯示。水平控件與儀器的時基有關(guān)，其“每格秒數(shù)”控件用于確定顯示屏上水平每格所代表的時間量。觸發(fā)系統(tǒng)會執(zhí)行信號穩(wěn)定化處理以及示波器初始化等基本功能以進(jìn)行信號采集，用戶可以選擇并修改具體觸發(fā)類型。而最后的顯示系統(tǒng)則包括顯示器本身和顯示驅(qū)動器，以及用于執(zhí)行顯示功能的軟件。

垂直系統(tǒng)

該系統(tǒng)（圖 4）讓用戶能夠垂直定位和縮放波形，選擇輸入耦合方式，以及修改信號特征使其以特定方式顯示在屏幕上。用戶可以將波形垂直放置在顯示屏上的精確位置，并增加或者縮小其大小尺寸。所有示波器的顯示屏幕上均設(shè)有柵格，用于將屏幕上的可視區(qū)域劃分為 8 個或者 10 個垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說，對于顯示柵格有 10格的示波器來說，如果總體可顯示的電壓為 50 V，那么每格代表 5 V。

圖 4：垂直系統(tǒng)

8格、10格或者其它一些柵格在選擇上是隨意的，為簡單起見通常會選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會對顯示比例造成影響，有些探頭不會對信號造成衰減（1X 探頭），有些探頭會有 10 倍衰減功能 (10X 探頭)，有些甚至可以達(dá)到 1000 倍衰減。探頭的問題會在下文再進(jìn)行討論。

前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號被探頭捕捉，到經(jīng)過線纜傳入儀器的整個過程的信號傳輸。直流耦合提供 1 M歐姆或者 50 歐姆的輸入耦合阻抗。

選擇 50 歐姆的輸入耦合可以將輸入信號直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對應(yīng)的 1M 歐姆端子數(shù)值）會在縱向增益放大器前方放置一個放大器，通常在所有情況下均將帶寬限制為 500 MHz。如此高阻抗的好處在于提供了內(nèi)在的高電壓保護(hù)。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統(tǒng)會斷開連接，0-V 的點會顯示在屏幕上。

其它與垂直系統(tǒng)相關(guān)的電路還包括一個帶寬限制器，用于在對顯示波形進(jìn)行降噪時衰減高頻信號成分。許多示波器還利用一個 DSP 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來擴展儀器帶寬，通過調(diào)整示波器通道的相位和幅值響應(yīng)使儀器帶寬超出前端的原始響應(yīng)。然而，這些電路要求采樣率滿足奈奎斯特定理 —— 采樣率必須大于信號最大基頻的兩倍。為了實現(xiàn)這一點，儀器通常會被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無法降低采樣率以察看更長的持續(xù)時間。

水平系統(tǒng)

相對于垂直系統(tǒng)，水平系統(tǒng)與信號采集更相關(guān)，強調(diào)采樣率、存儲深度以及其它與數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換直接相關(guān)的性能指標(biāo)。

采樣點之間的時間間隔稱為采樣間隔，樣點值代表保存在存儲器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點之間的時間間隔稱為波形間隔，由于一個波形點可能建立在多個采樣點的基礎(chǔ)上，因此兩者是相關(guān)的，有時也可能具有相同的數(shù)值。

一般示波器的采集模式菜單非常有限，因為一個通道只能產(chǎn)生一個波形，用戶只能選擇一種采樣類型或者一種波形算法類型。但是，某些示波器可以在一個通道上并行顯示三個波形，而且各個波形都可以對采樣類型和波形算法類型進(jìn)行組合。典型的模式包括：

• 采樣模式：對于每個波形間隔，均由一個采樣點來產(chǎn)生一個波形點。
• 高分辨率模式：對于每個波形間隔，會顯示波形間隔的平均采樣點。
• 峰值檢測模式：對于每個波形間隔，會顯示波形內(nèi)的最小采樣點和最大采樣點。
• RMS：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點 RMS 值。這與瞬時功率成比例。

典型的波形算法模式包括：
• 包絡(luò)模式：基于由至少兩個觸發(fā)事件所捕捉的波形，示波器會生成一個邊界（包絡(luò)線）來表示波形的最大值和最小值。

• 平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個波形間隔樣本的平均值。

觸發(fā)系統(tǒng)

觸發(fā)器是每個數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號事件進(jìn)行詳細(xì)分析以及提供穩(wěn)定的重復(fù)波形視圖。觸發(fā)系統(tǒng)的精度及其靈活性決定了如何顯示以及分析測量信號。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來顯著的優(yōu)勢。

模擬觸發(fā)

示波器的觸發(fā)器（圖 5）確保為重復(fù)信號的持續(xù)監(jiān)視提供穩(wěn)定的波形顯示。作為對特定事件的響應(yīng)，觸發(fā)器在隔離和顯示諸如“矮波”邏輯電平等具體信號特征以及通道之間由串?dāng)_、緩慢邊緣或者無效定時所引起的信號干擾時非常有用。觸發(fā)類型的數(shù)量以及觸發(fā)器的靈活性歷年來一直在不斷進(jìn)步。

圖 5：模擬觸發(fā)系統(tǒng)

“數(shù)字”示波器是指對測量信號進(jìn)行采樣并將其保存為離散數(shù)字值的儀器，而一般示波器的觸發(fā)系統(tǒng)則一直用于處理原始測量的模擬信號，因此稱之為模擬觸發(fā)系統(tǒng)。

輸入放大器對被測信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其幅值與 ADC 和顯示器的工作范圍相匹配，經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號從放大器輸出之后會并行發(fā)送至模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 以及觸發(fā)系統(tǒng)。

ADC 會通過一條路徑對測量信號進(jìn)行采樣，數(shù)字化的樣本數(shù)值會被寫入到采集存儲器當(dāng)中；而在另一條路徑上，觸發(fā)系統(tǒng)會將信號與有效的觸發(fā)事件（比如信號跨越了“邊緣”觸發(fā)的觸發(fā)門限）進(jìn)行對比。當(dāng)發(fā)生有效的觸發(fā)條件時，示波器會最終確定 ADC 的樣本并處理和顯示所需的波形。測量信號一旦跨越觸發(fā)電平，便會導(dǎo)致一個有效的觸發(fā)事件。然而，為了讓信號能夠在顯示器上準(zhǔn)確顯示，必須提供精確的觸發(fā)點定時。否則，所顯示的波形將不會與觸發(fā)點（觸發(fā)電平與觸發(fā)位置的交點）重疊。

而這可能由多種因素所導(dǎo)致。首先，觸發(fā)系統(tǒng)中的信號會通過比較器與觸發(fā)門限進(jìn)行比較，而比較器輸出端的邊緣時間必須利用時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 進(jìn)行準(zhǔn)確測量。

如果 TDC 的測量結(jié)果不準(zhǔn)確，那么所顯示的波形與觸發(fā)點之間出現(xiàn)偏移，并且每個觸發(fā)事件都會改變這一偏移量，導(dǎo)致觸發(fā)抖動。

另一個因素是測量信號的兩條路徑中存在誤差源。信號會經(jīng)過兩條不同的路徑進(jìn)行處理（ADC 的采集路徑以及觸發(fā)系統(tǒng)路徑），兩者均含有不同的線性以及非線性失真。這導(dǎo)致所顯示的信號與確定的觸發(fā)點之間存在系統(tǒng)錯配。在最壞的情況中，即便可以在顯示器上看到這些觸發(fā)事件，觸發(fā)器也將無法對有效的觸發(fā)事件作出響應(yīng)，或者觸發(fā)器會對那些采集路徑無法捕捉和顯示的觸發(fā)事件作出響應(yīng)。

最后一個因素是兩條路徑中存在不同的噪聲源，這些噪聲源包括具有不同噪聲等級的放大器。這將引起延遲和幅值差異，表現(xiàn)在顯示屏上就是觸發(fā)位置出現(xiàn)偏移（抖動）。而當(dāng)以數(shù)字觸發(fā)方式來工作的時候，觸發(fā)器將不會出現(xiàn)這些誤差。

數(shù)字觸發(fā)

與模擬觸發(fā)系統(tǒng)相反，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)（圖 6）直接對 ADC 所采集的樣本進(jìn)行操作，信號不會被分離為兩條路徑，而是對所需的同一路信號進(jìn)行處理并顯示出來。于是，將可從根本上避免模擬觸發(fā)系統(tǒng)所存在的信號損傷。為了評估觸發(fā)點，數(shù)字觸發(fā)器將采用精確的 DSP 算法來檢測有效的觸發(fā)器事件，并準(zhǔn)確地測量時間戳。執(zhí)行實時信號處理所面臨的挑戰(zhàn)在于需要無縫監(jiān)視測量信號。比如，RS?RTO 系列示波器中的數(shù)字觸發(fā)器采用了 8 位 ADC 以 10GS/s 的速率進(jìn)行采樣，并以 80 Gb/s 的速率來處理數(shù)據(jù)。

圖 6：數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)

由于數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)采用與采集路徑相同的數(shù)字化數(shù)據(jù)，因此可以實現(xiàn) ADC 范圍之內(nèi)的信號事件觸發(fā)。對于選定的觸發(fā)事件，信號可以通過比較器與已定義的觸發(fā)門限進(jìn)行對比。在一個簡單的例子中（邊緣觸發(fā)），當(dāng)信號在要求的方向上越過觸發(fā)門限，無論是信號的上升沿還是下降沿，該事件都會被檢測到。在數(shù)字系統(tǒng)中，信號由所采集到的樣本來表示，而采樣率必須至少是信號中最高頻率的兩倍。當(dāng)滿足這一條件，才能實現(xiàn)信號的重構(gòu)。

完全根據(jù) ADC 樣本來進(jìn)行觸發(fā)判決是不夠的，因為跨越觸發(fā)門限值的過程可能會丟失，因此需要利用內(nèi)插算法提高時間分辨率，使采樣速率達(dá)到 20 GS/s。經(jīng)過插入算法之后，比較器會將樣本數(shù)值和已定義的觸發(fā)門限值進(jìn)行對比，如果檢測到觸發(fā)事件，那么比較器的輸出電平便會發(fā)生變化。

如圖 7 所示，通過2倍插入方式將采樣分辨率提高兩倍，從而減少信號的“盲”區(qū)。左圖的波形采樣中并未包含波形圖中過沖部分，并且 基于ADC 樣本的觸發(fā)門限無法檢測到過沖發(fā)生。右圖通過插值的方式將波形采樣率提高兩倍，因此過沖能夠引起觸發(fā)。過沖的最高頻率為 3.5 GHz，因此當(dāng) ADC以10GS/s采樣率工作的時候數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)能夠檢測到高頻分量。

圖 7：減少“盲”區(qū)

由于毛刺以及脈沖寬度等觸發(fā)類型均基于定時條件，因此數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)能夠非常精確地觸發(fā)這些事件，這是因為它可以實時確定了觸發(fā)門限處的交點。觸發(fā)事件的時間分辨率可以達(dá)到為 1 ps，而最小可檢測的脈沖寬度為50ps。

數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的具體優(yōu)勢如表1 所示。

表 1：數(shù)字觸發(fā)的優(yōu)點
觸發(fā)過程

觸發(fā)掃描會在選定的點開始，能夠顯示諸如正弦波和方波等周期信號，還可以顯示非周期信號，比如信號脈沖或者無法以固定頻率重復(fù)出現(xiàn)的脈沖等。最常見的觸發(fā)類型是邊緣觸發(fā)，當(dāng)電壓超過某個設(shè)定數(shù)值之后便會“啟動”觸發(fā)。用戶可以選擇上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。毛刺觸發(fā)讓儀器能夠被脈沖所觸發(fā)，該脈沖的寬度可以大于或者小于某具體的時間。通常會采用這種方法來嘗試找出隨機發(fā)生或者間歇性發(fā)生的錯誤，因此要找出這些錯誤也是非常困難的。

脈沖寬度觸發(fā)與毛刺觸發(fā)非常相似，也是要找出特定的脈沖寬度，并且它允許沿著水平觸發(fā)位置指定任意具體寬度的脈沖，無論是正脈沖還是負(fù)脈沖。其優(yōu)點在于用戶可以看到觸發(fā)前后所發(fā)生的事情，因此如果找出一個錯誤，查看觸發(fā)前的情況可以提供更多關(guān)于出錯原因的參考信息。如果將水平延遲設(shè)為 0，那么觸發(fā)事件會被放置在屏幕的中央，于是便能在屏幕左邊看到觸發(fā)之前的情況，而在屏幕右邊能夠看到觸發(fā)之后的情況。

除了上述的類型以外，還有許多其它觸發(fā)類型，這些觸發(fā)類型針對于特定的情況，能夠檢測到感興趣的事件。比如，用戶可以觸發(fā)由幅值、時間（脈沖寬度、毛刺、斜率、建立和保持，以及超時）以及邏輯狀態(tài)或者碼型所定義的脈沖。其它觸發(fā)功能包括串行碼型觸發(fā)，A+B 觸發(fā)以及并行或串行總線觸發(fā)。

數(shù)字示波器可以觸發(fā)單一事件以及延遲觸發(fā)事件，控制何時對這些事件作出響應(yīng)，以及在特定的時間、狀態(tài)或者過渡之后重置觸發(fā)以再次開始觸發(fā)序列。因此，即便是最為復(fù)雜的信號事件也能夠被捕捉到。

數(shù)字示波器具備觸發(fā)位置控件，能夠在波形記錄中設(shè)置觸發(fā)水平位置。通過改變觸發(fā)水平位置，用戶可以捕捉到信號在觸發(fā)事件前的情況。觸發(fā)水平位置確定了觸發(fā)點前后的可視信號長度。示波器的觸發(fā)沿設(shè)置可以調(diào)整發(fā)生觸發(fā)的信號點（即調(diào)整為上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)）。

觸發(fā)模式

觸發(fā)模式用于確定示波器是否以及在什么情況下顯示波形。所有示波器均可啟用兩種觸發(fā)模式：一般（Normal）模式以及自動(auto)模式。當(dāng)設(shè)置為一般模式時，示波器僅在信號達(dá)到指定位置時才會觸發(fā)。而在自動模式中，即使沒有觸發(fā)，儀器也會進(jìn)行掃描。

觸發(fā)耦合和關(guān)斷

某些示波器可以選擇觸發(fā)信號的耦合類型（AC 或者 DC），而某些儀器還能夠設(shè)置高頻抑制、低頻抑制以及噪聲抑制等耦合類型。為了避免錯誤發(fā)生觸發(fā)事件，人們設(shè)計了更加高級的設(shè)定來消除觸發(fā)信號中的噪聲以及其它頻譜成分。要保證示波器在信號的正確位置觸發(fā)有時其實并不簡單，因此大多數(shù)示波器均提供了“觸發(fā)抑制”這種方式來使其變得更加簡單。觸發(fā)抑制是觸發(fā)事件發(fā)生之后的一段可調(diào)時間內(nèi)，示波器無法進(jìn)行觸發(fā)。該功能在對復(fù)雜波形圖進(jìn)行觸發(fā)時是非常有用的，可以確保示波器僅在需要的點上進(jìn)行觸發(fā)。

顯示系統(tǒng)與用戶界面

顧名思義，顯示系統(tǒng)用于控制呈現(xiàn)信號。顯示屏的所有標(biāo)記構(gòu)成了稱為十字線或者網(wǎng)格線的柵格。數(shù)字示波器及其所執(zhí)行的任務(wù)都是非常復(fù)雜的，因此必須提供廣泛且易于理解的用戶界面。比如，RS?RTO 系列的觸摸屏顯示器采用了彩色編碼的控制按鍵、扁平化的菜單結(jié)構(gòu)以及頻繁使用的功能按鍵。在 RS?RTM 系列中，按下一鍵測量按鈕即可調(diào)用顯示信號的“快速測量”功能。另外，還具有半透明的對話框、可移動的測量窗口、可配置的工具欄以及實時波形的預(yù)覽圖標(biāo)。