示波器原理及其应用分析解析

示波器原理及其应用

示波器介绍

示波器的作用

示波器属于通用的仪器，任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。

示波器是用来显示波形的仪器，显示的是信号电压随时间的变化。因此，示波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿/下降沿，信号的过冲，信号的噪声，信号间的时序关系等等。

在示波器显示屏上，横坐标（X）代表时间，纵坐标（Y）代表电压，（注，如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。）还有就是比较少被关注的-亮度（Z），在TEK的DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用16阶灰度来表示出现概率）。

1．1．示波器的分类

示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器和数字示波器都可以用来测试，不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对分析处理有很大的方便。

1.2.1 模拟示波器

模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。

模拟示波器的原理框图如下：

见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。

信号到达触发系统，开始或者触发“水平扫描”，水平扫描是一个是锯齿波，使亮点在水平方向扫描。触发水平系统产生一个水平时基，使亮点在一个精确的时间内从屏幕的左边扫描到右边。在快速扫描过程中，将会使亮点的运动看起来

象一条平滑的曲线。而信号电压加到垂直偏转电压的电极上，效果也是产生了一个移动的亮点，电压为正将使点向上移动，电压为负则向下移动，水平偏转和垂直偏转电压配合在一起，就能够在屏幕上显示信号的波形。在比较高的速度上，亮点能够扫描过屏幕达50,0000次/秒，目前最好的通用示波器也不过每秒捕捉40,0000个波形，因此说模拟示波器比数字示波器的实时性要高，是有货真价实的。

水平扫描和垂直偏转能使信号的波形图像能够显示到屏幕上，不过触发系统也是必不可少的，它不仅仅是让你抓到你需要的波形，还能够使图像稳定地显示到屏幕上，它能使重复的波形能够在同一个点开始扫描，在屏幕显示一个干净和稳定的图像。下图显示了没有触发和触发的波形：没有触发的波形比较乱和在闪动，不稳定，而触发的波形则非常的稳定和干净。

一般来说，使用一个模拟示波器，我们主要需要调整三个基本方面，也就是上面说的三个部分：

信号的衰减或者放大情况：使用volts/div旋钮，可以调整信号在屏幕的范围里面，垂直大小合适。

时基：使用sec/div旋钮，调整每格代表的时间间隔，可以使信号在水平方向放大或者缩小。

触发系统：可以调整触发电平，能够使波形稳定显示，或者寻找到我们需要的波形。

当然，调整亮点的大小和亮底，可以使波形显示达到最佳的显示效果。

1.2.2 数字示波器

一个数字示波器对波形进行采样，并用AD转换器将模拟图像转换为数字波形，最后将波形重现到屏幕上面。

数字示波器的原理图如下：

当我们将探头接到线路上面时，垂直系统控制调整信号的衰减和放大，这个和模拟示波器一样。接着，在采样系统中对信号进行模－数转换（ADC），连续的模拟信号变成了离散的点。水平系统的时基决定了采样率的水平。比如我们的TDS5054的最大采样速率为5GSa/s，说明它最快的情况下能够在每秒钟采样5G 个点。经过采样量化的点被存到存储器里面，并拼成波形图。

在数字示波器中，存储波形点的长度，通常称为存储长度。由于处理要求非常快，这些存储器不是通用的SDRAM，而是专用的高速存储器，价格比较贵，因此比较便宜的示波器都使用标准配置。触发系统决定了保存点的开始和结束点的位置。存储器里面的波形最后传送到显示系统中进行显示。

为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。另外预触发能够让我们能够看到触发前的波形情况。

和模拟示波器一样，使用数字示波器来测试，也需要调整垂直幅度、水平时间间隔和触发设置。

1.2.3 采样方法

对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比较快的信号（这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的），示波器不能够采到足够的采样点来显示波形。因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样，一是实时采样，二是等效采样。

1．实时采样：一次按照顺序来采集采样点，然后采用计算方法内插一些数据，内插技术是评估用一些点来组成波形是否和原来的图像的靠近程度，一般的内插技术（waveform interpolation）有线性和sin(x)/x两种。

如果没有特别表明的情况下，示波器给出的采样速率都是实时采样速率，也就是一次采样的速率。

实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺序采样的。由于采样得到的点是离散的点，而我们显示一般情况下都是显示波形曲线（当然也可以用点显示模式，但是很少用），这就涉及到一个内插的问题，将点还原为曲线，一般有两种方法：直线连接和曲线模拟，曲线模拟主要使用正弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。

2．等效采样：每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就是一个完整的图，不过这要求波形是周期性的，否则误差会比较大。等效采样有两种方式：一种是随机采样，另外一种是顺序采样。

对于那些快速信号，实时采样可能一次采不到足够的点，于是就要采用等效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。等效采样有两种，一种是随机采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：