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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）
。
< br>1
．
1
．
示
波器的分类
< br>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，<
/p>
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，
< br>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<
/p>
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 interpola
tion
）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，<
/p>
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：
由于是周期性的信号，信号在每个周期都是
一样的，随机采样就将整个波
形分开采样，
随机采集信号，
经过数个周期，
就能够将一个完整的波形采集完毕，
将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。而顺序采样，就是按照顺序来，
第一次采
1
、
2
、
3
点，第二次采
4
、
5
、
6
点等，直到将整个波形采集完毕。
无论是哪种等效采样方
式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时
采样的速率为
1GSa/s
的示波器，
它使用等效采样的方式来采样，
每次都用最高的
实时采样速率采集数据，
花了
10
次才将一个波形周期采集完毕，
那
么它的等效采
样速率就是
10GSa/s
，即提高到了
10
倍。
对于实时采样，主要表示了单次波形的采集能力，而等效采样，主要用于
周
期性的信号的采样。
比如
TDS784
的实时采样速率为
4GSa/s
，
而等
效采样速率则
高达
250GSa/s
。
在示波器中，可以选择使用还是不使用等效采样的，比如在<
/p>
TDS794D
中，
ACQUIRE MENU
菜单中，有这个选项，见下图所示，
图中选择了只用实时采样
。
在我们的
TDS5054
示波器中，实时采样
和等效采样是自动切换的。
Channels on
TIME BASE
≥
800PS/PT
400PS/PT
200PS/PT
≤
100PS/PT
RT
RT
ET
ET
ET
ET
ET
ET
ET
1
RT
3
RT
2or4
RT
RT
：
real-time
sampling
ET:equivalent-time sampling <
/p>
示波器上
ET
显示的是
< br>IT
1.2.4
示波器的控制
示波器的主要是三个部
分，垂直控制、水平控制和触发控制，除此外，很
多数字示波器都提供了“软键”（
soft
key
）控制，通过在示波器的
屏幕周围排
放一些键，
对于屏幕里面的菜单，
< br>这些键在不同的菜单中对应不同的项目，
因此
定义不固定
，
故称之为
“软键”
。
因为有了
“软键”
，
很多功能
都可以做了进去，
比如波形参数的测试、高级触发方式等。
<
/p>
下图是
Agilent
的
54800
系列的控制面板示意图，它主要分为三个区，水平控
制区、
垂直控制区和触发控制区，
此外还有一些其他的
设置，
包括保存和输入输
出的的部件等。水平控制可以调整时基
的大小，也就是间隔的大小，示波器中，
只有一个水平控制钮，调整它，所有通道的时间
间隔都会变。垂直控制区，在这
里是每个通道都有一个，
不过有
的示波器为了节省面板面积，
有时候所有通道共
用一个垂直控制
钮，
通过另外的按键去选择通道。
有关这些细节，
实践一下马上
有印象了，
这里不做更多的描述。
最后一个是触发，
这是示波器比较关键的部分，
因为数字示波器比起模拟示波器，
触发的多样性是它的一大特点，
< br>有关触发在下
一节详细描述。
1.2.5
示波器的触发
示波器的触发，相对来说，里面的玄机就多一点。我们最常使用的是边沿触
发，比如上升沿触发或者下降沿触发。
一般示波器的主要触发有：
边沿Ed
ge触发
逻辑Logic触发
图像VIDEO触发
通信Comm触发
脉冲Pulse触发
延迟Dela
y触发
单次Single触发
模式Pttern触发
状态State触发
建立保持Setup /hold触发
毛刺Gilth触发
脉冲宽度Width触发
矮电平R
unt触发
转换速率Slew
Rate触发
保持时间Timeout触发
< br>作为熟练的硬件工程师，除了最常用的边沿触发模式外，还应该掌握脉冲触
发中的
毛刺触发、矮电平触发、脉冲宽度触发，以及单次触发等，另外如果需要
测试时序的话，
掌握逻辑触发也是很有用的。
下面以
TDS5054
为例，介绍一下脉冲触发方式。高级的触发设置在触发的菜
单中。点击菜单中
TRIG
，在下拉菜单中选择
EDGE
SETUP
，进入如下设置界面。
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