示波器基礎(chǔ)原理入門(mén)指南(上)

示波器是有史以來(lái)電子工程師最有用的工具之一。現(xiàn)代模擬示波器面世以來(lái)，有成百上千的文章描述了示波器的功能、原理、使用方法以及特定的應(yīng)用案例。本入門(mén)指南旨在對(duì)數(shù)字示波器進(jìn)行描述，出于實(shí)用目的以指導(dǎo)用戶(hù)在絕大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中使用數(shù)字示波器來(lái)替代模擬示波器。本入門(mén)指南簡(jiǎn)要介紹了示波器的起源、模擬示波器到數(shù)字示波器的歷史、數(shù)字示波器的類(lèi)型及其主要子系統(tǒng)、示波器關(guān)鍵指標(biāo)以及其測(cè)量方法。

示波器的起源

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者，德國(guó)物理學(xué)家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出于對(duì)物理現(xiàn)象的好奇而發(fā)明了 CRT 示波器。他向熒光 CRT 上的水平偏轉(zhuǎn)片施加一個(gè)振蕩信號(hào)，然后向縱向偏轉(zhuǎn)片發(fā)送一個(gè)測(cè)試信號(hào)。這兩個(gè)偏轉(zhuǎn)片會(huì)在小熒光屏上產(chǎn)生瞬態(tài)的電波圖像。該發(fā)明逐步演變（圖 2）成一臺(tái)測(cè)量?jī)x器，并且其性能在后續(xù)的 50 多年里不斷改善。工程師霍華德•衛(wèi)林在 1947 年所作的改進(jìn)讓示波器成為一臺(tái)非常實(shí)用的儀器，首次能夠通過(guò)觸發(fā)器來(lái)控制掃描功能。

圖 1：諾貝爾獎(jiǎng)獲得者,物理學(xué)家 K.F 布勞恩

圖 2：早期的示波器

早期的示波器由于缺少觸發(fā)器，所以只能在輸入電壓超過(guò)可調(diào)閾值時(shí)才能對(duì)輸入電壓的波形開(kāi)始進(jìn)行水平追蹤。觸發(fā)功能可以在 CRT 上保持穩(wěn)定的重復(fù)波形，即多次重復(fù)畫(huà)出相同軌跡的波形。如果沒(méi)有觸發(fā)功能，示波器會(huì)將多個(gè)掃描波形顯示在不同的位置上，導(dǎo)致屏幕上出現(xiàn)不連貫的雜亂圖形或者移動(dòng)的圖像。示波器的性能和功能得以持續(xù)改進(jìn)的直接因素是高性能的模擬和數(shù)字半導(dǎo)體裝置，以及軟件的飛速發(fā)展。

數(shù)字化時(shí)代的呼喚

得益于較快的模-數(shù)轉(zhuǎn)換速度以及用于記錄并顯示波形的存儲(chǔ)器，數(shù)字示波器在 20 世紀(jì) 80 年代開(kāi)始崛起并迅速獲得普遍應(yīng)用。

圖 3：模擬示波器發(fā)展為數(shù)字示波器的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力

即便是最早的數(shù)字示波器，也提供了模擬示波器所不具備的觸發(fā)、分析和顯示方面的靈活性。半導(dǎo)體和軟件的發(fā)展進(jìn)一步將儀器從模擬為主的構(gòu)造轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化為主的構(gòu)造。數(shù)字化領(lǐng)域的信號(hào)處理為商業(yè)和工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件，示波器卻從中獲益尤多。概括地講，數(shù)字示波器不僅能以前所未有的方式來(lái)處理信號(hào)，還可以更廣泛的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，同時(shí)也能滿(mǎn)足更加復(fù)雜和更高速率的數(shù)據(jù)流的特殊測(cè)量要求，而這些也僅僅是數(shù)字示波器的眾多優(yōu)勢(shì)的一部分。數(shù)字示波器可以讓用戶(hù)根據(jù)信號(hào)某些特定參數(shù)捕捉特定事件，還可以看到事件發(fā)生前的情況。得益于局域網(wǎng)和因特網(wǎng)，用戶(hù)能夠在另一個(gè)房間、另一個(gè)城鎮(zhèn)甚至另一個(gè)國(guó)家對(duì)示波器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作并顯示結(jié)果，使其成為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的組成部分。數(shù)字示波器架構(gòu)的其中一個(gè)關(guān)鍵部分是羅德與施瓦茨公司于 2009 年引入了的數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)，它消除了模擬觸發(fā)系統(tǒng)的固有限制（比如觸發(fā)抖動(dòng)）。數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)在下文中作詳細(xì)介紹。

數(shù)字示波器的類(lèi)型

數(shù)字示波器具備兩項(xiàng)基本功能：信號(hào)采集與信號(hào)分析。在采集信號(hào)樣本過(guò)程中，采集到的信號(hào)會(huì)保存在存儲(chǔ)器中；而在信號(hào)分析時(shí)，示波器會(huì)分析采集到的波形并將其輸出到顯示器。目前市面上有各種各樣的數(shù)字示波器，而這里所介紹的都是當(dāng)今最常見(jiàn)的示波器類(lèi)型。

數(shù)字采樣示波器

數(shù)字采樣示波器在對(duì)信號(hào)進(jìn)行垂直設(shè)置之前對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。它具備非常寬的帶寬，缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)范圍有限，一般測(cè)量信號(hào)的峰-峰值最大約 1 V。與其它某些類(lèi)型的數(shù)字示波器不同，數(shù)字采樣示波器可以捕捉到信號(hào)中遠(yuǎn)高于儀器采樣率的頻率分量。相比于其他類(lèi)型的示波器，它能夠測(cè)量速度更快的重復(fù)周期信號(hào)。因此，數(shù)字采樣示波器可勝任超高帶寬的應(yīng)用測(cè)量，比如光纖傳輸測(cè)量，此類(lèi)示波器成本也較高。

實(shí)時(shí)采樣示波器

當(dāng)信號(hào)的頻率范圍小于示波器最大采樣頻率的一半時(shí)，實(shí)時(shí)采樣便具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)讓儀器可以在單次掃描中獲取大量樣本點(diǎn)，提供高度精確的顯示。這是目前能夠捕捉最快速單次瞬態(tài)信號(hào)的唯一方法。

嵌入式系統(tǒng)通常包含數(shù)字邏輯信號(hào)，以及受時(shí)鐘控制或者不受時(shí)鐘控制的并行總線(xiàn)和串行總線(xiàn)，以及標(biāo)準(zhǔn)化或者專(zhuān)用的傳輸碼型。

所有這些信號(hào)都必須經(jīng)過(guò)分析，這往往要求使用復(fù)雜的測(cè)試裝置和多種儀器。并且通常還必須同時(shí)顯示模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。為此，現(xiàn)在的許多示波器都具備特定的選件，將數(shù)字示波器升級(jí)為具有邏輯分析功能的混合工具。這對(duì)于數(shù)字電路的快速調(diào)試來(lái)說(shuō)非常重要，因?yàn)樗邆鋽?shù)字觸發(fā)功能、高分辨率、采集及分析功能。

混合信號(hào)示波器

混合信號(hào)示波器擴(kuò)展了數(shù)字示波器的功能，包含有邏輯和協(xié)議分析能力，簡(jiǎn)化了試驗(yàn)平臺(tái)并能實(shí)現(xiàn)單一儀器的模擬波形、數(shù)字信號(hào)和協(xié)議分析的同步可視化。硬件開(kāi)發(fā)者可以利用混合信號(hào)示波器來(lái)分析信號(hào)的完整性，而軟件開(kāi)發(fā)者可以利用它們來(lái)分析信號(hào)內(nèi)容。

典型的混合信號(hào)示波器具有兩個(gè)或者四個(gè)模擬通道，以及更多的數(shù)字通道。模擬通道和數(shù)字通道要求實(shí)現(xiàn)同步，使得它們可以在時(shí)間上相關(guān)并在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行分析。

混合域示波器

顧名思義，混合域示波器可以顯示數(shù)字域、模擬域和射頻域的波形數(shù)據(jù)，并建立它們之間的相關(guān)性，各個(gè)域均會(huì)以不同的方式顯示信號(hào)。這一點(diǎn)在許多測(cè)量應(yīng)用中是很有用的。比如，如果用戶(hù)在評(píng)估一個(gè)嵌入式（板級(jí)）信號(hào)處理系統(tǒng)的時(shí)候需要查看跨越子系統(tǒng)的模擬、數(shù)字和高頻信號(hào)，那么混合域示波器便可以滿(mǎn)足要求。