是德科技示波器的原理简单介绍
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是德科技 了解示波器的基本原理
应用指南
本应用指南简要介绍示波器的基本原理，让您了解什么是示波器， 以及如何操作示波器。我们将会探讨示波器的应用，并概括介绍 其基本的测量和性能特征。本文还将介绍不同类型的探头，并讨 论它们的优缺点。
引言
电子技术在我们的生活中无所不在。每天都有上百万人使用 电子产品，例如手机、电视和计算机。随着电子技术的进步， 这些产品的工作速度也变得越来越快。如今，大多数电子产 品都采用了高速数字技术。
结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
03 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号
示波器的主要用途是显示电子信号。通 过观察示波器上显示的信号，您可以确 定电子系统的某个元器件是否在正常工 作。因此，要想了解示波器的工作方式， 必须先要了解信号的基本原理。
180 ⛪ᱷ根据1:1Lissajous 图的形9状0可⛪以ᱷ得知1两:1个信
号之间的相位差与频率比。图 11 显示了 Lissajous 图及其代表的相位差 / 频率比。
90 ⛪ᱷ1:2
图 11.Lissajous 图形
90 ⛪ᱷ1:1 30 ⛪ᱷ1:3
90 ⛪ᱷ1:2
09 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
工程师们应当能够精确地设计和测试他们在高速数字产品中 所使用的元器件。他们在设计和测试元器件时所使用的仪器 必须特别适合处理高速和高频的特性才行，而示波器正好是 这样的一种仪器。
示波器是一种功能强大的工具，在设计和测试电子器件方面 很有用。它们在您判定系统器件是否正常方面扮演极为重要 的角色，而且还能帮助您确定新设计的元器件是否按照预想 的方式进行工作。示波器的功能远比数字万用表更强大，因 为它们可以使您观察电子信号的实际情况。
您可以通过通道输入接头（即插入到探 头的连接器）把信号发送到示波器中。 显示屏是用来显示这些信号的屏幕。水 平和垂直控制区域包含了一些旋钮和按 键，可用于控制在显示屏上的信号的水 平轴（通常表示时间）和垂直轴（通常 表示电压）。触发控制支持您对示波器 进行设置，确定在何种条件下时基可以 执行采集任务。
波形的周期是指波形重复出现一次所花 费的时间，以秒为单位。
频率
每个周期性波形都有一个频率。频率是 指波形在一秒内重复出现的次数（如果 您使用 Hz 为单位）。频率与周期互为倒 数。
周期 图 2. 三角波的周期
04 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号（续）
波形
正弦波
方波 / 矩形波
图 9. Keysight Infiniium 9000 系列示波器的后面板
触发控 制区域
垂直控 制区域
08 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
示波器的用途
示波器是一种测试与测量仪器，可显示 某个变量与另一个变量之间的关系。例 如，它可以在显示屏上绘制一个电压（y 轴）—时间（x 轴）图。图 10 显示了一 个图表示例。如果您需要测试某个电子 器件是否正常工作，这项功能会很有用。 如果您知道移除该器件之后信号的波形 会发生什么变化，您就可以利用示波器 来查看这个器件是否在输出正确的信号。 请注意，x 轴和 y 轴会以网格线分成一些 格子。您可以利用这种网格线执行手动 测量，但新型示波器能够自动执行大多 数的测量，并且得到更精确的结果。
波形是指波的形状或图像。波形可以提供 许多有关信号的信息，例如，它可以告诉 您电压是否突然发生改变、呈线性变化或 保持不变。标准的波形有很多种，本节仅 介绍您最常遇到的几种。
正 弦 波 通 常 与 交 流（AC） 电 源 有 关， 例 如您屋内的电源插座。正弦波的峰值幅度 并非一直恒定，如果峰值幅度会随着时间 不断地下降，我们就称这种波形为阻尼正 弦波。
是，无论示波器的性能有多高也无法完全 再现真实信号。这是因为当您将示波器连 接到电路时，示波器就会变成电路的一部 分。换言之会有一些负载效应产生。仪器 制造商虽然尽力将负载效应降至最低，但 就某种程度而言它们仍然会存在。
07 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
方波会在两个不同的值之间周期性地跳 动，因此在高点和低点部分的长度会相等。 矩形波不同的地方在于高、低点部分的长 度并不相等。
图 3. 正弦波
图 4. 方波
05 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号（续）
三角波 / 锯齿波
在三角波中，电压会随着时间呈线性变 化。它的信号边沿称为斜波，这是因为 其波形会斜升或斜降到某个电压。由于 锯齿波前面或后面的信号沿会随着时间 产生线性的电压响应，所以看起来与三 角波类似。但对面的信号沿几乎是立即 下降的。
脉冲
脉冲是指突然出现在固定电压中的干扰， 就像在一个房间中突然打开电灯，然后 迅速熄灭电灯的情形。一连串的脉冲被 称为脉冲串。延续前面的比喻，这就好 比不断重复快速开灯与关灯的动作一样。
脉冲是信号中常见的毛刺或错误波形。 如果信号只传送一条信息，那么脉冲也 可看作是一个波形。
图 5. 三角波
图 6. 锯齿波
示波器探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 负载效应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 无源探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 有源探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 电流探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 探头附件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
波形特性
电子信号会以波形或脉冲的形式出现。波 形的基本特性包括：
幅度
在工程应用中经常使用的幅度定义主要 有两个。第一种通常称为峰值幅度，定 义为干扰信号的最大位移量。第二种是 均 方 根（RMS） 幅 度。 要 计 算 波 形 的 RMS 电压，必须将波形值平方并求出平 均电压，然后再求平方根。
峰值幅度
RMS 幅度
对正弦波来说，RMS 幅度等于峰值幅度 的 0.707 倍。
相移
图 1. 正弦波的峰值幅度和 RMS 幅度
相移是指两个其他条件都相同的波形之 间的水平位移量，以度或弧度为单位。正 弦波的周期以 360 度来表示。因此，如 果两个正弦波相差半个周期，那么它们的 相对相移就是 180 度。
周期
重要的示波器性能特性 . . . . . . . . 18 带宽 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 通道 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 采样率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 存储深度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 波形捕获率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 连通性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
复合波
波形也可以是以上各种波形的混合。它们 不一定要具备周期性，而且可以是非常复 杂的波形。
模拟信号与数字信号的比较
模Βιβλιοθήκη Baidu信号代表给定范围内的任意值。您 不妨想象一下模拟时钟，时针每隔 12 个
小时旋转 1 周。在此期间，时针一直不 断移动，不会出现读值跳动或不连续的情 形。现在将它与数字时钟比较一下。数字 时 钟 仅 显 示 小 时 和 分 钟， 因 此 是 以 分 钟 作为间隔时间。它会一下子从 11:54 跳至 11:55。数字信号同样具备离散和量化的 特性。通常，离散信号具有两个可能的值 （高或低，1 或 0 等），因此信号会在这 两个可能的值之间上下跳动。
示波器的应用极为广泛，包括通用电子测试、工业自动化、 汽车、大学的研究实验室以及航空航天 / 国防产业等。许多 公司都依赖示波器来查找缺陷，从而制造出质量过硬的产品。
目录
简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 电子信号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
图 7. 脉冲
06 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？
信号完整性
示波器的主要用途是精确地显示电子信 号。因此，信号完整性显得非常重要。信 号完整性是指示波器重建波形并且精确显 示原始信号的能力。由于在示波器的波形 不同于真实信号时，测试毫无意义，所以 信号完整性低的示波器是没有价值的。但
波形特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 模拟信号与数字信号的比较 . . . . . . 5 什么是示波器，
您为什么需要它？ . . . . . . . . . . . . . 6 信号完整性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 示波器的外观 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 示波器的用途 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 示波器的类型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 示波器的使用范围 . . . . . . . . . . . . . 12
示波器的后面板如图 9 所示。
如图所示，许多示波器都拥有与个人计 算机相同的连通性，包括光盘驱动器、 CD-RW 驱动器、DVD-RW 驱动器、USB 端口、串行端口，以及外部监测器、鼠 标和键盘输入等。
显示屏
水平控制区域
功能键
通道输入
图 8. Keysight InfiniiVision 2000 X 系列示波器的前面板
基本的示波器控制与测量 . . . . . . 12 基本的前面板控制 . . . . . . . . . . . . . 12 功能键 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 基本测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 基本的运算功能 . . . . . . . . . . . . . . . 17
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
示波器的类型 模拟示波器
第一种是模拟示波器，它使用阴极射线管 来显示波形。屏幕上涂有荧光物质，只要 被电子束集中就会发光。当连续的荧光点 亮起时，您可以看到信号的再现图形。为 了使示波器稳定地显示波形，必须使用触 发。当显示屏上的整个波形迹线完成时， 示波器会等到特定的事件发生后（例如， 上升沿超过某个电压值）再次开始显示迹 线。未经触发的显示画面是没有用处的， 因为它显示的波形并不稳定（同样适用于 下面将会讨论的 DSO 和 MSO 示波器）。
示波器的外观
一般，现代示波器的外观与图 8 中的示 波器相似。然而示波器种类繁多，您的 示波器看起来或许会与之不尽相同。尽 管如此，大多数示波器都具备一些基本 特性。多数示波器的前面板大致可分为 几个区域：通道输入、显示屏、水平控制、 垂直控制以及触发控制。如果您的示波 器未配备 Microsoft Windows 操作系统， 那么它很可能会提供一组功能键，用于 控制屏幕上的菜单。
图 10. 在示波器上显示的方波的电压－时间图
示波器的功用不只是绘制电压—时间图。
示波器提供多个输入（也称通道），每
个通道都能独立工作。因此，您可以将
通道 1 连接到某个器件，并将通道 2 连 接到另一个器件。随后，示波器可以绘
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出通道 1 与通道 2 分别测得的电压之间 的比较图。该模式称为示波器的 XY 模 式，适用于绘制 I-V 图或 Lissajous 图。
应用指南
本应用指南简要介绍示波器的基本原理，让您了解什么是示波器， 以及如何操作示波器。我们将会探讨示波器的应用，并概括介绍 其基本的测量和性能特征。本文还将介绍不同类型的探头，并讨 论它们的优缺点。
引言
电子技术在我们的生活中无所不在。每天都有上百万人使用 电子产品，例如手机、电视和计算机。随着电子技术的进步， 这些产品的工作速度也变得越来越快。如今，大多数电子产 品都采用了高速数字技术。
结论 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
03 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号
示波器的主要用途是显示电子信号。通 过观察示波器上显示的信号，您可以确 定电子系统的某个元器件是否在正常工 作。因此，要想了解示波器的工作方式， 必须先要了解信号的基本原理。
180 ⛪ᱷ根据1:1Lissajous 图的形9状0可⛪以ᱷ得知1两:1个信
号之间的相位差与频率比。图 11 显示了 Lissajous 图及其代表的相位差 / 频率比。
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图 11.Lissajous 图形
90 ⛪ᱷ1:1 30 ⛪ᱷ1:3
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09 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
工程师们应当能够精确地设计和测试他们在高速数字产品中 所使用的元器件。他们在设计和测试元器件时所使用的仪器 必须特别适合处理高速和高频的特性才行，而示波器正好是 这样的一种仪器。
示波器是一种功能强大的工具，在设计和测试电子器件方面 很有用。它们在您判定系统器件是否正常方面扮演极为重要 的角色，而且还能帮助您确定新设计的元器件是否按照预想 的方式进行工作。示波器的功能远比数字万用表更强大，因 为它们可以使您观察电子信号的实际情况。
您可以通过通道输入接头（即插入到探 头的连接器）把信号发送到示波器中。 显示屏是用来显示这些信号的屏幕。水 平和垂直控制区域包含了一些旋钮和按 键，可用于控制在显示屏上的信号的水 平轴（通常表示时间）和垂直轴（通常 表示电压）。触发控制支持您对示波器 进行设置，确定在何种条件下时基可以 执行采集任务。
波形的周期是指波形重复出现一次所花 费的时间，以秒为单位。
频率
每个周期性波形都有一个频率。频率是 指波形在一秒内重复出现的次数（如果 您使用 Hz 为单位）。频率与周期互为倒 数。
周期 图 2. 三角波的周期
04 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号（续）
波形
正弦波
方波 / 矩形波
图 9. Keysight Infiniium 9000 系列示波器的后面板
触发控 制区域
垂直控 制区域
08 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
示波器的用途
示波器是一种测试与测量仪器，可显示 某个变量与另一个变量之间的关系。例 如，它可以在显示屏上绘制一个电压（y 轴）—时间（x 轴）图。图 10 显示了一 个图表示例。如果您需要测试某个电子 器件是否正常工作，这项功能会很有用。 如果您知道移除该器件之后信号的波形 会发生什么变化，您就可以利用示波器 来查看这个器件是否在输出正确的信号。 请注意，x 轴和 y 轴会以网格线分成一些 格子。您可以利用这种网格线执行手动 测量，但新型示波器能够自动执行大多 数的测量，并且得到更精确的结果。
波形是指波的形状或图像。波形可以提供 许多有关信号的信息，例如，它可以告诉 您电压是否突然发生改变、呈线性变化或 保持不变。标准的波形有很多种，本节仅 介绍您最常遇到的几种。
正 弦 波 通 常 与 交 流（AC） 电 源 有 关， 例 如您屋内的电源插座。正弦波的峰值幅度 并非一直恒定，如果峰值幅度会随着时间 不断地下降，我们就称这种波形为阻尼正 弦波。
是，无论示波器的性能有多高也无法完全 再现真实信号。这是因为当您将示波器连 接到电路时，示波器就会变成电路的一部 分。换言之会有一些负载效应产生。仪器 制造商虽然尽力将负载效应降至最低，但 就某种程度而言它们仍然会存在。
07 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
方波会在两个不同的值之间周期性地跳 动，因此在高点和低点部分的长度会相等。 矩形波不同的地方在于高、低点部分的长 度并不相等。
图 3. 正弦波
图 4. 方波
05 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
电子信号（续）
三角波 / 锯齿波
在三角波中，电压会随着时间呈线性变 化。它的信号边沿称为斜波，这是因为 其波形会斜升或斜降到某个电压。由于 锯齿波前面或后面的信号沿会随着时间 产生线性的电压响应，所以看起来与三 角波类似。但对面的信号沿几乎是立即 下降的。
脉冲
脉冲是指突然出现在固定电压中的干扰， 就像在一个房间中突然打开电灯，然后 迅速熄灭电灯的情形。一连串的脉冲被 称为脉冲串。延续前面的比喻，这就好 比不断重复快速开灯与关灯的动作一样。
脉冲是信号中常见的毛刺或错误波形。 如果信号只传送一条信息，那么脉冲也 可看作是一个波形。
图 5. 三角波
图 6. 锯齿波
示波器探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 负载效应 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 无源探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 有源探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 电流探头 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 探头附件 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
波形特性
电子信号会以波形或脉冲的形式出现。波 形的基本特性包括：
幅度
在工程应用中经常使用的幅度定义主要 有两个。第一种通常称为峰值幅度，定 义为干扰信号的最大位移量。第二种是 均 方 根（RMS） 幅 度。 要 计 算 波 形 的 RMS 电压，必须将波形值平方并求出平 均电压，然后再求平方根。
峰值幅度
RMS 幅度
对正弦波来说，RMS 幅度等于峰值幅度 的 0.707 倍。
相移
图 1. 正弦波的峰值幅度和 RMS 幅度
相移是指两个其他条件都相同的波形之 间的水平位移量，以度或弧度为单位。正 弦波的周期以 360 度来表示。因此，如 果两个正弦波相差半个周期，那么它们的 相对相移就是 180 度。
周期
重要的示波器性能特性 . . . . . . . . 18 带宽 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 通道 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 采样率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 存储深度 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 波形捕获率 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 连通性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
复合波
波形也可以是以上各种波形的混合。它们 不一定要具备周期性，而且可以是非常复 杂的波形。
模拟信号与数字信号的比较
模Βιβλιοθήκη Baidu信号代表给定范围内的任意值。您 不妨想象一下模拟时钟，时针每隔 12 个
小时旋转 1 周。在此期间，时针一直不 断移动，不会出现读值跳动或不连续的情 形。现在将它与数字时钟比较一下。数字 时 钟 仅 显 示 小 时 和 分 钟， 因 此 是 以 分 钟 作为间隔时间。它会一下子从 11:54 跳至 11:55。数字信号同样具备离散和量化的 特性。通常，离散信号具有两个可能的值 （高或低，1 或 0 等），因此信号会在这 两个可能的值之间上下跳动。
示波器的应用极为广泛，包括通用电子测试、工业自动化、 汽车、大学的研究实验室以及航空航天 / 国防产业等。许多 公司都依赖示波器来查找缺陷，从而制造出质量过硬的产品。
目录
简介 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 电子信号 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
图 7. 脉冲
06 | 是德科技 | 了解示波器的基本原理 — 应用指南
什么是示波器，您为什么需要它？
信号完整性
示波器的主要用途是精确地显示电子信 号。因此，信号完整性显得非常重要。信 号完整性是指示波器重建波形并且精确显 示原始信号的能力。由于在示波器的波形 不同于真实信号时，测试毫无意义，所以 信号完整性低的示波器是没有价值的。但
波形特性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 波形 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 模拟信号与数字信号的比较 . . . . . . 5 什么是示波器，
您为什么需要它？ . . . . . . . . . . . . . 6 信号完整性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 示波器的外观 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 示波器的用途 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 示波器的类型 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 示波器的使用范围 . . . . . . . . . . . . . 12
示波器的后面板如图 9 所示。
如图所示，许多示波器都拥有与个人计 算机相同的连通性，包括光盘驱动器、 CD-RW 驱动器、DVD-RW 驱动器、USB 端口、串行端口，以及外部监测器、鼠 标和键盘输入等。
显示屏
水平控制区域
功能键
通道输入
图 8. Keysight InfiniiVision 2000 X 系列示波器的前面板
基本的示波器控制与测量 . . . . . . 12 基本的前面板控制 . . . . . . . . . . . . . 12 功能键 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 基本测量 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 基本的运算功能 . . . . . . . . . . . . . . . 17
什么是示波器，您为什么需要它？（续）
示波器的类型 模拟示波器
第一种是模拟示波器，它使用阴极射线管 来显示波形。屏幕上涂有荧光物质，只要 被电子束集中就会发光。当连续的荧光点 亮起时，您可以看到信号的再现图形。为 了使示波器稳定地显示波形，必须使用触 发。当显示屏上的整个波形迹线完成时， 示波器会等到特定的事件发生后（例如， 上升沿超过某个电压值）再次开始显示迹 线。未经触发的显示画面是没有用处的， 因为它显示的波形并不稳定（同样适用于 下面将会讨论的 DSO 和 MSO 示波器）。
示波器的外观
一般，现代示波器的外观与图 8 中的示 波器相似。然而示波器种类繁多，您的 示波器看起来或许会与之不尽相同。尽 管如此，大多数示波器都具备一些基本 特性。多数示波器的前面板大致可分为 几个区域：通道输入、显示屏、水平控制、 垂直控制以及触发控制。如果您的示波 器未配备 Microsoft Windows 操作系统， 那么它很可能会提供一组功能键，用于 控制屏幕上的菜单。
图 10. 在示波器上显示的方波的电压－时间图
示波器的功用不只是绘制电压—时间图。
示波器提供多个输入（也称通道），每
个通道都能独立工作。因此，您可以将
通道 1 连接到某个器件，并将通道 2 连 接到另一个器件。随后，示波器可以绘
180 ⛪ᱷ1:1
出通道 1 与通道 2 分别测得的电压之间 的比较图。该模式称为示波器的 XY 模 式，适用于绘制 I-V 图或 Lissajous 图。