示波器基础知识

本应用指南概括介绍了示波器的基础知识。 您将详细了解示波器的概念，以及如何使用示波器。 我们将通 过讨论示波器的一些应用，让您掌握示波器的基本测量和性能特征。 我们还会介绍一些不同类型的探头， 并讨论它们的优缺点。

简介

电子技术已经深入到我们生活的方方面面。数以百万计的人每天都在使用手机、电视、计算机等电子设备。随着电子技术的发展，这些设备的运行速度也在不断加快。如今，大多数设备都采用了高速数字技术。

工程师需要具备精确设计和测试高速数字设备中组件的能力。用于设计和测试这些组件的仪器必须特别适用于处理高速和高频信号。示波器就是这样一种仪器。

示波器是一种功能强大的工具，在电子设备的设计和测试中非常有用。它们对于判断系统中哪些组件运行正常、哪些出现故障至关重要。示波器还能帮助您判断新设计的组件是否按预期工作。与万用表相比，示波器功能更强大，因为它能让您直观地看到电子信号的真实波形。

示波器被广泛应用于各个领域，从汽车工业到大学科研实验室，再到航空航天与国防工业。各类公司依赖示波器来帮助他们发现缺陷，制造出功能完善的产品。

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，您可以判断电子系统中的某个组件是否正常工作。因此，要了解示波器的工作原理，首先需要掌握基本的信号理论

波的特性

电子信号以波形或脉冲的形式存在。波的基本特性包括以下几点：

幅度

在工程应用中，幅度主要有两种常见的定义。第一种通常称为峰值幅度，指的是扰动的最大偏移量的大小。第二种称为均方根（RMS）幅度。要计算波形的RMS电压，需要将波形平方，求其平均电压，然后取平方根。

对于正弦波，RMS幅度等于峰值幅度的0.707倍。

相位偏移

相位偏移是指两条本质相同的波形之间的水平位移量。它通常以度或弧度表示。对于正弦波，一个完整周期对应360度。因此，如果两条正弦波相差半个周期，它们之间的相对相位偏移就是180度。

周期

波的周期是指波形重复一次所需的时间，单位为秒。

频率

每一个周期性波形都有其频率。频率指的是波形在一秒钟内重复的次数（当以赫兹为单位时）。频率也是周期的倒数。

波形

波形是波的形状或图示。波形可以提供有关信号的丰富信息，例如电压是否突然变化、是否线性变化或保持恒定。标准波形种类很多，本节将介绍最常见的几种。

正弦波

正弦波通常与交流电（AC）源相关，例如家用电源插座。正弦波的峰值幅度不一定恒定。如果峰值幅度随着时间逐渐减小，这种波形称为阻尼正弦波。

方波/矩形波

方波是指电压周期性地在两个不同的数值之间跳变，高电平与低电平的持续时间相等。矩形波与方波类似，但其高电平与低电平的持续时间不相等。

三角波/锯齿波

在三角波中，电压随时间线性变化。波形的边缘称为斜坡，因为其电压随时间向上或向下“爬升”。锯齿波的形状类似，一侧（前沿或后沿）为线性变化，另一侧则为几乎瞬间的电压下降。

脉冲

脉冲是在其他恒定电压下突然出现的单个扰动。 设想一下，这就像是我们在房间里轻触开关打开电灯，然后迅速关掉。 一系列脉冲称为一个脉冲序列。 继续我们的类比，这就好像我们一次次地快速开灯和关灯。脉冲是信号中出现的毛刺或错误的常见波形。 如果信号携带的是单片信息，则脉冲也可能是波形。

复合波

波也可以是上述波形的混合。 它们不一定都有周期性，而是可能呈现出非常复杂的波形。

模拟信号与数字信号

模拟信号可以在某范围内呈现任何值。 让我们来想一下模拟时钟，这很有用。 时钟指针每十二小时绕着钟 面旋转一周。 在这段时间里，时钟指针不断移动。 在读数上，没有跳跃或离散。 现在，我们将其与数字时 钟做一下比较。 数字时钟只会告诉您小时和分钟。 因此，它被离散化为微小的间隔。 上一秒可能还是 11:54，然后就突然跳到 11:55。 数字信号同样是离散和量化的。 通常，离散信号具有两个可能的值（高或 低、1 或 0 ，等等）。 因此，数字信号可能在这两种可能性之间来回跳跃。

什么是示波器？为什么您需要示波器？

信号完整性 示波器的主要目的是，给电信号提供一个准确的直观显示。 鉴于此原因，信号完整性非常重要。 信号完整 性是指示波器重建波形以便能准确表示原始信号的能力。 如果一台示波器的信号完整性较低，那么它就毫 无用处。因为当示波器上的波形与真实信号不具有相同的形状或特性时，执行测试就毫无意义。

然而，有 一点必须要记住，那就是无论示波器性能有多好，示波器上的波形永远不是真实信号的准确表示。 这是因 为当您将示波器连接到电路时，示波器就已经成为电路的一部分。 换句话说，就是会产生一些负载效应。 虽然仪器制造商努力将负载效应降至最低，但在一定程度上它们总是存在的。

示波器的外观

一般来说，现代的数字化示波器与图 8 所示的示波器很相似。 不过，示波器有多种类型，您的示波器可能 看起来会大有不同。 尽管如此，一些基本功能是大多数示波器都有的。 大多数示波器的前面板可以分为几 个基本部分：通道输入端、显示屏、水平控件、垂直控件和触发控件。 如果您的示波器没有基于 Microsoft Windows 的操作系统，则可能会有一组软键来控制屏幕菜单。

您可以通过通道输入端将信号发送到示波器，通道输入端就是用于插入探头的连接器。 显示屏就是显示这些 信号的屏幕。 水平控件和垂直控件包括旋钮和按钮，用于控制屏幕显示信号的水平轴（通常表示时间）和垂 直轴（表示电压）。 触发控制区则让您可以告诉示波器，您希望时基在什么条件下开始采集。许多示波器都具有与个人计算机上一样的连接功能。 例如 CD-ROM 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视器、鼠标和键盘输入。

示波器的用途

示波器是一种用于将某个变量显示为另一变量的函数的测试与测量仪表。 例如，它可以在显示屏上绘制电 压（y 轴）与时间（x 轴）的关系图。 图 10 就是这样一个关系图示例。 如果您想测试某个电子元件是否工 作正常，这就非常有用。 如果您知道在撤出该元件后信号波形应有的样子，则可以使用示波器来查看该元 件是否确实输出了正确的信号。 请注意，x 轴和 y 轴被网格分成了多个部分。 尽管对于现代示波器而言， 大多数测量都可以通过示波器自动执行，而且结果更加准确，但网格让您能够通过目测估计进行测量。 示波器不仅可以绘制电压与时间的关系图，还具有更多功能。 示波器有多个输入，称为通道，每个通道都 能独立工作。 因此，您可以将通道 1 连接到某个设备，将通道 2 连接到另一个设备。 然后，示波器就可以 绘制通道 1 所测电压与通道 2 所测电压之间的关系。 这种模式称为示波器的 XY 模式。 当绘制 I-V 图或李 萨如图（Lissajous）时，这种模式很有用，通过这些图的形状，您就可以知道两个信号之间的相位差和频 率比。 图 11 显示的便是李萨如图以及它们所代表的相位差/频率比。

示波器的类型

模拟示波器

最早的示波器就是模拟示波器，使用阴极射线管来显示波形。 当电子击中屏幕时，屏幕上的磷光粉会发 光，当有连续的磷光粉发光时，您就可以看到信号的表现了。 要使显示的波形看起来稳定就需要触发。 当 一个完整的轨迹显示结束时，示波器就处于等待状态，直到下一个特定事件发生（例如，跨越某个电压的 上升沿），然后再次开始显示轨迹。 未触发的显示是不能使用的，因为波形在显示屏上未显示为稳定波形 （DSO 和 MSO 示波器也是如此，后面会讨论到）。 模拟示波器非常有用，因为发光的磷光粉不会立即消失。 您可以看到示波器的多条轨迹相互重叠，从而可 以看出信号中的毛刺或不规则现象。 由于在电子撞击屏幕时才会显示波形，因此显示信号的强度与实际信 号的强度直接相关。 这就使显示相当于一个三维图（换句话说，x 轴是时间，y 轴是电压，z 轴是强度）。 模拟示波器的缺点是它不能“冻结”显示，不能使波形保留较长的时间。 一旦磷物质扩散，那部分信号就 会消失。 此外，不能对波形自动执行测量。 而是必须使用显示屏上的网格进行测量。 由于电子束的水平和 垂直扫描速度有限，模拟示波器所能显示的信号类型也非常有限。 虽然现在仍有许多人在使用模拟示波 器，但在市场上已不多见了。 目前，数字示波器已成为现代的主流工具。

数字存储示波器（DSO）

数字存储示波器（通常称为 DSO）是为了弥补模拟示波器的许多不足而发明的。 DSO 输入一个信号，然 后通过模数转换器 将其数字化。 图 12 所示的便是是德科技数字示波器所采用的一种 DSO 架构。 它使用衰减器对波形进行缩放。 在将波形传递到模数转换器（ADC）时，垂直放大器提供额外的缩放。 模 数转换器对输入信号进行采样并将其数字化。 然后，将数据存储在存储器中。 触发器搜索触发事件，时基 调整示波器的时间显示。 在示波器最终显示信号之前，微处理器系统会执行您指定的任何后期处理。 将数据保持数字形式使示波器可以对波形进行各种测量。 信号也可以长期存储在存储器中。 这些数据可以 通过闪存、LAN、USB 或 DVD-RW 进行打印或传输到计算机。 事实上，现在您可以使用虚拟的前面板通 过计算机控制和监视示波器。

混合信号示波器（MSO）

在 DSO 中，输入信号是模拟信号，通过模数转换器进行数字化。 不过随着数字电子技术的发展，同时监 测模拟信号和数字信号已变得越来越有必要。 因此，示波器厂商开始生产能够触发和显示模拟与数字两种 信号的混合信号示波器。 通常情况下，这些示波器的模拟通道数量较少（2 个或 4 个），数字通道较多（8 个或 16 个，见图 13）。

便携/手持式示波器

顾名思义，便携式示波器是一种小到可以随身携带的示波器。 如果您需要将示波器带到多个地方，或者在 实验室里从一个工作台移动到另一个工作台，那么便携式示波器可能非常适合您。 图 14 所示的便是一台便 携式示波器 — Keysight InfiniiVision X 系列示波器。 便携式示波器的优点是重量轻、便于携带、开关机速度快，并且易于使用。 它们的性能往往低于大型示波 器，但 Keysight InfiniiVision 1000、2000 和 3000T X 系列示波器的出现，正在改变这一点。 这些示波器具 有便携式示波器常见的所有便携性和易用性特点，功能也足够强大，带宽高达 6GHz，可以应对当今的大多 数调试需求。

示波器的类型

经济型示波器

经济型示波器价格低廉，但其性能不如高性能示波器。 这类示波器通常多用于大学实验室中。 这类示波器 的主要优点是价格便宜。 只需一个相对较低的价格，您就能获得一台非常有用的示波器。

高性能示波器

高性能示波器可提供目前最优异的性能。 对于需要带宽高、采样和更新速率快、存储器深度大和测量功能 多的示波器的用户来说，高性能示波器是最佳选择。 图 15 所示的便是一台高性能示波器 — Keysight Infiniium 90000A 系列示波器。 高性能示波器的主要优点是，让您能够正确分析各种信号，并提供了许多应用程序和工具，可以更简单、 更快速地分析当前技术。 其主要缺点是价格高，体积大。

示波器的使用场合

如果一家公司正在测试或使用电子信号，则很可能拥有示波器。 因此，示波器的应用领域有很多：

• 汽车技术人员使用示波器来诊断汽车的电气问题。
• 大学实验室使用示波器传授学生电子学知识。
• 全世界的研究组织都要使用示波器。
• 手机制造商使用示波器来测试手机信号的完整性。
• 军事和航空行业使用示波器来测试雷达通信系统。
• 研发工程师使用示波器来测试和设计新技术。
• 示波器还用于合规性测试。

例如 USB 和 HDMI 的合规性测试：USB 和 HDMI 的输出必须达到某 些特定标准。 以上仅仅是示波器的一小部分用途。 而它的确是一种功能强大的多功能仪表。

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