示波器的原理和使用基礎(chǔ)知識
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1、示波器的發(fā)展過程
初期主要為模擬示波器
廿世紀四十年代是電子示波器興起的時代，雷達和電視的開發(fā)需要性能良好的波形觀察工具，泰克成功開發(fā)帶寬10MHz的同步示波器，這是近代示波器的基礎(chǔ)。五十年代半導體和電子計算機的問世，促進電子示波器的帶寬達到100MHz。六十年代美國、日本、英國、法國在電子示波器開發(fā)方面各有不同的貢獻，出現(xiàn)帶寬6GHz的取樣示波器、帶寬4GHz的行波示波管、1GHz的存儲示波管；便攜式、插件式示波器成為系列產(chǎn)品。七十年代模擬式電子示波器達到高峰，行譜系列非常完整，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標志著當時科學技術(shù)的高水平，為測試數(shù)字電路又增添邏輯示波器和數(shù)字波形記錄器。模擬示波器從此沒有更大的進展，開始讓位于數(shù)字示波器，英國和法國甚至退出示波器市場，技術(shù)以美國領(lǐng)先，中低檔產(chǎn)品由日本生產(chǎn)。
模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發(fā)和預前觸發(fā)能力。廿世紀八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器逐漸從前臺退到后臺。
但是在發(fā)展初期模擬示波器的某些特點，卻是數(shù)字示波器所不具備的：
○ 操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應及時，數(shù)字示波器往往要較長處理時間。
○ 垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級，數(shù)字示波器分辨率一般只有8位至10位。
○ 數(shù)據(jù)更新快：每秒捕捉幾十萬個波形，數(shù)字示波器每秒捕捉幾十個波形。
○ 實時帶寬和實時顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時需借助內(nèi)插計算，容易出現(xiàn)混淆波形。
簡而言之，模擬示波器為工程技術(shù)人員提供眼見為實的波形，在規(guī)定的帶寬內(nèi)可非常放心進行測試。人類五官中眼睛視覺神經(jīng)十分靈敏，屏幕波形瞬間反映至大腦作出判斷，細微變化都可感知。因此，剛開始模擬示波器深受使用者的歡迎。
中期數(shù)字示波器獨領(lǐng)風騷
八十年代的數(shù)字示波器處在轉(zhuǎn)型階段，還有不少地方要改進，美國的TEK公司和HP公司都對數(shù)字示波器的發(fā)展作出貢獻。它們后來停產(chǎn)模擬示波器，并且只生產(chǎn)性能好的數(shù)字示波器。進入九十年代，數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。出現(xiàn)所謂數(shù)字示波器模擬化的現(xiàn)象，換句話說，盡量吸收模擬示波器的優(yōu)點，使數(shù)字示波器更好用。
數(shù)字示波器首先在取樣率上提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍，相應對正弦波取樣引入的失真也從100%降低至3%甚至1%。帶寬1GHz的取樣率就是5GHz/s，甚至10GHz/s。
其次，提高數(shù)字示波器的更新率，達到模擬示波器相同水平，最高可達每秒40萬個波形，使觀察偶發(fā)信號和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強。
再次，采用多處理器加快信號處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動測量，使用上與模擬示波器同樣方便。
最后，數(shù)字示波器與模擬示波器一樣具有屏幕的余輝方式顯示，賦于波形的三維狀態(tài)，即顯示出信號的幅值、時間以及幅值在時間上的分布。具有這種功能的數(shù)字示波器稱為數(shù)字熒光示波器或數(shù)字余輝示波器即數(shù)模兼合。
數(shù)字示波器要有模擬功能
模擬示波器用陰極射線管顯示波形，示波管的帶寬與模擬示波器的相同，亦即示波管內(nèi)電子運動速度與信號頻率成正比，信號頻率越高電子速度越快，示波管屏幕的亮度與電子束的速度成反比，低頻波形的亮度高，高頻波形的亮度低。利用熒光屏幕的亮度或灰度容易獲得信號的第三維信息，如用屏幕垂直軸表示幅度，水平軸表示時間，則屏幕亮度可表示信號幅度隨時間分布的變化。這種與時間有關(guān)的熒光余輝（灰度定標）效應對觀察混合波形和偶發(fā)波形十分有效，模擬存儲示波器就是這種專用示波器的代表產(chǎn)品，最高的性能達到800MHz帶寬，可記錄到1ns左右的快速瞬變偶發(fā)事件.
數(shù)字示波器缺少余輝顯示功能,因為它是數(shù)字處理，只有兩個狀態(tài)，非高即低，原則上波形也是“有”和“無”兩個顯示。為達到模擬示波器那樣的多層次亮度變化，必須采用專用圖象處理芯片，例如TEK公司采用DPX型處理器芯片，具有數(shù)據(jù)采集、圖象處理和存儲等多項功能，DPX芯片由130萬個晶體管組成，采用0.65μm的CMOS工藝，并行流水結(jié)構(gòu)，取樣率高。它既是數(shù)據(jù)采集芯片，同時也是光柵掃描器，模擬示波管屏幕熒光體的發(fā)光特性，用16級亮度分級，將波形存儲在500×200像素的LCD單色或彩色顯示屏上，每1/30秒更新一次。由于模擬存儲示波器只能依靠照相底片記錄波形，對數(shù)據(jù)保存并不方便，而數(shù)字熒光示波器是數(shù)字處理的顯示，數(shù)據(jù)記錄、處理、保存都十分方便。例如用紅色表示出現(xiàn)幾率最高的波形，蘭色表示出現(xiàn)幾率最低的波形，達到一目了然。由于數(shù)字示波器已經(jīng)達到4GHz以上帶寬的水平，配合熒光顯示特性，總的性能優(yōu)于模擬存儲示波器。
數(shù)字熒光示波器
數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型，能實時顯示、存貯和分析復雜信號的三維信號信息：幅度、時間和整個時間的幅度分布。
DSO采用串行處理的體系結(jié)構(gòu)捕獲、顯示和分析信號；相對而言，DPO為完成這些功能采用的是并行體系結(jié)構(gòu)，如圖一、二所示。并行結(jié)構(gòu)和基于ASIC硬件的處理技術(shù)，使數(shù)字熒光示波器能夠捕捉到當今復雜的動態(tài)信號中的全部細節(jié)和異常情況，并以人類的眼睛的接受速度顯示出來。
普通數(shù)字示波器要觀察偶發(fā)事件需要使用長時間記錄，然后作信號處理，這種辦法會漏掉非周期性出現(xiàn)的信號和不能顯示出信號的動態(tài)特性。數(shù)字熒光示波器能夠顯示復雜波形中的微細差別，以及出現(xiàn)的頻繁程度。例如觀察電視信號，既有行掃描、幀掃描、視頻信號和伴音信號，還要記錄電視信號中的異?，F(xiàn)象，對于專業(yè)人員和維修人員都是同樣重要的。
例.TEK公司的TDS3000系列數(shù)字熒光示波器提供多種測試模塊，可以從前面板右上角插入六種模塊。例如觸發(fā)模塊可作邏輯狀態(tài)、邏輯圖形觸發(fā)，以及脈沖參數(shù)（上升、下降沿、寬度、周期等）；電視模塊專用于多種制式的（NTSC、PAL和SECAM）波形記錄；快速傅里葉變換（FFT）模塊可快速顯示信號的頻率成分和頻譜分布，既可分析脈沖響應，亦可分析諧波分布，并且識別和定位噪聲和干擾來源。還有高級分析模塊和極限測試模塊。
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