示波器基礎原理入門指南(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用案例。本入門指南旨在對數(shù)字示波器進行描述，出于實用目的以指導用戶在絕大多數(shù)應用場合中使用數(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)、示波器關鍵指標以及其測量方法。

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 上的水平偏轉片施加一個振蕩信號，然后向縱向偏轉片發(fā)送一個測試信號。這兩個偏轉片會在小熒光屏上產生瞬態(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閾值時才能對輸入電壓的波形開始進行水平追蹤。觸發(fā)功能可以在 CRT 上保持穩(wěn)定的重復波形，即多次重復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)改進的直接因素是高性能的模擬和數(shù)字半導體裝置，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 80 年代開始崛起并迅速獲得普遍應用。

圖 3：模擬示波器發(fā)展為數(shù)字示波器的市場驅動力

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。半導體和軟件的發(fā)展進一步將儀器從模擬為主的構造轉變?yōu)閿?shù)字化為主的構造。數(shù)字化領域的信號處理為商業(yè)和工業(yè)產品創(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行分析，同時也能滿足更加復雜和更高速率的數(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。得益于局域網和因特網，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行遠程操作并顯示結果，使其成為自動檢測系統(tǒng)的組成部分。數(shù)字示波器架構的其中一個關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行垂直設置之前對信號進行采樣。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周期信號。因此，數(shù)字采樣示波器可勝任超高帶寬的應用測量，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，以及標準化或者專用的傳輸碼型。

所有這些信號都必須經過分析，這往往要求使用復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并在同一臺儀器上進行分析。

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。