示波器详解

本文是介绍和总结了示波器的一些内容，有助于大学生学习以及复习

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• 示波器是什么

• 传感器可以把这些力转换成电信号，然后可以使用示波器观察和分析这些信号。示波器就可以用作观察这些事件的变化

• 优秀的示波器需要具备准确重建波形的能力，称之为信号完整性

• 示波器基本上是一种图形显示设备，它绘制一个电信号的图形

• 波是随时间推移重复出现的码型的通用术语，比如声波、 脑电波、海浪和电压波都是重复的码型。

• 波形的测量

• 频率和周期

• 电压

• 幅度

• 相位

• 对测量数据的影响可以通过对实测值应用“平方和的均方根”公式解决

• 应用于教学运用，像普源这样的企业有专门的教学型号 维修机器，顾名思义，示波器就是把波形显示出来，观察波形的数据，找故障

• 使用示波器的人群

• 科学家、工程师、物理学家、医学研究人员、汽车机械师、维修师和教育工作者使用示波器来观察信号随时间的变化

• 示波器类型

• 模拟示波器

• 模拟示波器就是跟踪信号

• 数字示波器

• 与模拟示波器相比，数字示波器采用模数转换器 (ADC)，把测得的电压转换成数字信息。它作为一串样点采集波形，然后存储这些样点，直到累积足够的样点，描述波形。然后，数字示波器会重组波形，显示在屏幕上

• 分类

• 数字存储示波器(DSOs)

• 数字荧光示波器(DPOs)

• 混合信号示波器(MSOs)

• 数字采样示波器

• 总结原理就是，对信号采样，构建显示画面

• 混合域示波器(MDO)把RF频谱分析仪与MSO或DP。结合 在一起，实现从数字域、模拟域到RF域的信号相关视图

• 混合信号示波器(MS)把DP。的性能与16通道逻辑分析仪 的基本功能结合起来，包括并行/串行总线协议解码和触发

• 示波器控制

• 示波器的前面板分成三个主要区域，分别标为垂直、水平和触发。您的示波器可能会有其它区域，具体视示波器型号和类型而定。在阅读本节时，看看您能否确定图20中的这些前面板区域，在示波器上能否找到这些区域。

• 在使用示波器时，您需要调节三个基本设置，适应输入信

• ■垂直：信号的衰减或放大程度。使用伏特/格控制功能, 把信号幅度调节到所需的量程。

• ■水平：时基。使用秒/格控制功能，设置屏幕中水平方向 表示的每格时间数量。

• ■触发：触发示波器。使用触发电平稳定重复的信号，或 触发单个事件。

• 与示波器相关的探头

• 即使是最先进的仪器，其精度也取决于输入仪器的数据。 探头功能与示波器相结合，作为测量系统的一部分操作。 精密测量始于探头尖端

• 为保证准确地重建信号，在选择与示波器配套使用的探头时，应尽量选择超过信号带宽五倍的探头

• 无源探头

• 为测量典型信号和电压电平，无源探头以经济的价格提供 了杰出的易用性和多种测量功能。无源电压探头与电流探 头配套使用，为测量电源提供了理想的解决方案

• 有源和差分探头

• 有源和差分探头采用专门研制的集成电路，在示波器接入 和传输过程中保留信号，保证信号完整性。为测量快速上 升时间的信号，高速有源探头或差分探头将提供更准确的结果

• 逻辑探头

• 逻辑探头提供了两个8通道适配夹。每条通道 末端有一个探头尖端，带有嵌入式接地，简化了与被测器 件的连接。

• 部分实用的测量和示波器性能术语

• 带宽

• 带宽决定着示波器测量信号的基本能力。在信号频率提高时，示波器准确显示信号的能力会下降。这个指标表明了示波器能够准确测量的频率范围。

• 为确定准确检定特定应用中信号幅度所需的示波器带宽， 应采用“五倍法则”。

• 使用五倍法则选择的示波器将在测量中提供小于±2%的误差

• 带宽越高，可能实现的信号复现精度就越高

• 上升时间

• 示波器必须有充足的上升时间，才能准确捕获迅速跳变的细节

• 有一个常数，可以把示波器的带宽和上升时间关联起来，公式如下：带宽= （K/上升时间）其中k是位于0.35和0.45之间的值，具体视示波器频响曲线形状和脉冲上升时间响应的形状而定

• 采样率

• 采样率用样点/秒(S/s)表示，指数字示波器获得信号快照 或样点的频度，与摄像机的帧数类似。示波器采样速度越 快(即采样率越高)，分辨率及显示的波形细节越高，丢失关键信息或事件的可能性越小

• 波形捕获速率

• 所有示波器都会眨眼睛。也就是说，它们会每秒睁开眼睛多少次，来捕获信号，其间则会闭上眼睛。这就是波形捕 获速率，用波形/秒（wfms/s）表示。采样率表明了示波器在 —个波形或周期内对输入信号采样的频次，波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度有多快。

• 触发功能

• 示波器的触发功能在正确的信号点上同步水平扫描，这对 清楚地检定信号至关重要。触发控制功能允许稳定重复的 波形，捕获单次波形。

• 有效位

• 有效位是一个衡量数字示波器准确重建正弦波信号形状能 力的指标。这个指标把示波器的实际误差与理论上“理想 的”数字化器进行比较。由于实际误差包括噪声和失真， 因此必须指定信号的频率和幅度

• 频响

• 单纯的带宽并不足以保证示波器能够准确地捕获高频信号。示波器设计的目标是特定类型的频响：最大平坦包络 延迟(MFED)。这种类型的频响提供了完美的脉冲保真度及最低的过冲和振铃。由于数字示波器由实际放大器、衰减器、ADC、互连和继电器组成，因此MFED响应是唯一 能够实现的目标。脉冲保真度因示波器型号和制造商变化很大

• 垂直灵敏度

• 垂直灵敏度表示垂直放大器可以放大弱信号的程度，通常 用每格毫伏(mV)表示。通用示波器检测到的最小电压一般 约为屏幕上每个竖格1 mV

• 扫描速度

• 扫描速度表示轨迹以多快的速度扫描通过示波器屏幕，使您能够看到精细的细节。示波器的扫描速度用每格时间 渺)表示

• 增益精度

• 增益精度表示垂直系统衰减或放大信号的精度，通常用百 分比误差表示

• 水平精度(时基)

• 水平或时基精度表示水平系统显示信号定时的精度，通常 用百分比误差表示

• 垂直分辨率(模数转换器)

• ADC及数字示波器的垂直分辨率表示其把输入电压转换成 数字值的精度。垂直分辨率用位数表示。计算技术可以改 善有效分辨率，hi-res采集模式是一个很好的例子。

• 定时分辨率(MSO)

• 捕获数字信号使用的定时分辨率是一个重要的MS。采集指 标。采集信号的定时分辨率越好，测量信号变化时间的精 度越高。

• 连接能力

• 分析测量结果的需求仍是首要目标。需要简便频繁地存档 和共享信息和测量结果的重要程度也在不断增长。示波器 连接能力提供了高级分析功能，简化了测量结果的存档和共享

• 扩展能力

• 示波器能够在需求变化时满足您的需求

• 简便易用

• Windows界面和其他界面都操作很简单

• 示波器选购的细节

• 介绍垂直分辨率

• 4、5、6系得MSO采用得是12位数模转换器ADC，垂直分辨率比普通8位ADC高出16倍

• 4、5、6系MSO优势

• 4、5、6系MSO超越了传统4通道限制，提供了最多8条模拟输入通道 优势就是有了更多输入和混合信号的分析

• 4、5、6系的MSO的FlexChannel输入进一步扩展了信号的查看能力，只需要把TLP058逻辑探头插到随便什么输入中，一条模拟通道就会转换成8条数字通道，并且向下兼容TekVPI探头

• 3系得MDO通过一只专用逻辑探头提供了16条数字通道，MSO选型中包括了这只逻辑探头

• 采用得是堆叠显示模式

• 堆叠就是每个片段都能清晰可见，每一个片段就是一个波形，测量精度更高

• 也有传统得叠加模式，可以简便得比较波形

• 强大得测量功能

• 高级测量和分析

• 3系和4系的操作系统是嵌入式，5、6系的是可以选配windows系统

• 示波器的最大采样率单位意思

• 1GS/s 的意思就是1秒采一亿个点

• 数字通道和频谱分析仪输入

• 具体介绍

• 当今示波器为在系统级调试复杂设计不仅仅提供了模拟通道

• 如果您需要分析一条并行总线或多条串行总线，泰克MSO系列混合信号示波器为一次分析多个信号提供了16条数字通道及最多4 条模拟通道。

• 如果您正在处理RF信号，泰克MDO系列混合域示波器提供了内置频谱分析仪，能够以时间相关的方式分析模拟信号、数字信号和 RF 信号。

• 带宽（重点）

• 入门级示波器通常最大带宽为100MHz。它们可以准确地(在2%范围内)显示最高20MHz的正弦波信号幅度

• 示波器及探头的组成系统带宽至少应该是信号最大模拟带宽的5倍，以实现土2%的测量误差，也就是“5倍法则"

• 高速数字信号、串行通讯信号、视频信号及其它复杂信号可能会要求500MHz或以上的示波器带宽

• 上升时间（模拟工程师关注着带宽，而数字工程师则更关注脉冲和阶跃等信号的上升时间）

• 示波器上升时间越快，测量快速跳变的信号细节越准确。准确进行时间测量也需要快速上升时间。

• 上升时间的计算公式为k/带宽，其中k在0.35(一般适用于带宽<1GHz的示波器)和0.40-0.45(>1GHz)之间。

• 与带宽类似，示波器的上升时间也应该小于1/5x信号最快的上升时间，相当于小于5倍

• ITTL和CMOS可能需要400 300 ps的上升时间。

• 探头 -------------------------------------------------------------

• 首先，无源探头应选择高带宽、低负载的探头。有源单端探头提供了1一4GHz带宽，有源差分探头提供了20GHz及以上的带宽

• 高压探头可以测量40kV的峰值电压。专用探头包括逻辑探头、光学探头和近场探头。

• 通道（重点）

• 数字示波器采样模拟通道，存储和显示数据。一般来说，通道越多越好，但通道数量增加时，价格也会提高

• 两条或四条模拟通道可以查看和比较波形的信号时序，当你进行数字系统并行数据调试则需要增加8条或16条数字通道或更多通道。

• 示波器拥有的时间相关的模拟通道和数字通道越多，可以同时测量的电路点越多,解码多路并行总线越容易

• 采样率-------------------------------------------------------------------

• 示波器的采样率与摄像机的帧速率类似，它决定着示波器可以捕获多少波形细节

• 采样率(每秒样点数，S/s)是指示波器对信号采样的频率。我们再次推荐“5倍法则”使用的采样率最低是电路最高频率的5倍

• 大多数入门级示波器(最大)采样率在1-2GS/s，中档示波器可能会在5-10GS/s

• 采样率越快，丢失的信息越少，示波器描绘信号波形的能力越好，存储器的存满速度也就越快，但这会限制可以捕获的时间

• 触发

• 触发提供了稳定的显示画面，可以稳定的显示复杂波形的特定部分

• 提供的触发功能选项越多，示波器用途越广泛(您找到问题根本原因的速度也越快) 类似找错误功能

• 记录长度 ---------------------------------------------------------------------------

• 记录长度是指一个完整波形记录中拥有的样点数。示波器只能存储数量有限的样点，因此一般来说，记录长度越大越好。

• 捕获的时间=记录长度/采样率

• 强大的波形导航和分析功能

• 搜索特定波形错误，自动完成搜索过程，加快找错误的时间

• 自动波形测量---------------------------------------------------------------

• 自动波形测量功能可以简便地获得准确的数字读数

• 高级应用支持

• 先进的示波器拥有应用软件，进行光接口和电接口设计，调试和一致性测试

• 操作简便快捷

• 连接功能和扩展

• 影响示波器测试精度的五大因素

• 示波器模数转换器 ADC 位数

• 示波器前端放大器

• 示波器采集模式

• 示波器的采样率

• 探头的选择与设置至关重要

• 探头详解

• 无源探头

• 无源探头价格经济，使用便捷

• 有源高频探头

• 有源探头测量复杂电路中的高频信号提供了完美的通用性和精度

• 差分探头

• 差分探头提供了最高的CMRR、广泛的频率范围和输入间最小的时间偏移，是精确测量差分信号的最佳选择

• 单端高压探头

• 高压测量解决方案扩展了示波器从“提升”或“浮动”电压系统中安全精确地捕获实时信号信息的能力

• 电流探头

• 电流探头系统可以轻松便捷地测量电流及进行计算