通過(guò)示波器主板講解示波器原理

示波器是一種用途十分廣泛的電子測(cè)量?jī)x器。俗話說(shuō)，電是看不見(jiàn)摸不著的。但是示波器可以幫我們“看見(jiàn)”電信號(hào)，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。所以示波器的核心功能，就和他的名字一樣，是顯示電信號(hào)波形的儀器，以供工程師查找定位問(wèn)題或評(píng)估系統(tǒng)性能等等。

而波形，也有多種定義，比如時(shí)域或者頻域的波形，對(duì)于示波器而言，大多數(shù)時(shí)候測(cè)量的是電壓隨時(shí)間的變化，也就是時(shí)域的波形。因此，示波器可以分析被測(cè)點(diǎn)電壓變化情況，從而被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)電子行業(yè)及領(lǐng)域中。

一般我們業(yè)內(nèi)對(duì)示波器的分類只按模擬示波器和數(shù)字示波器來(lái)分，有些廠家可能為了突出其示波器的某項(xiàng)功能給其命名為其他名字，比如數(shù)字熒光示波器等。但其本質(zhì)原理依然逃不出這2大示波器類別。

模擬示波器是屬于早期的示波器，主要基于陰極射線管（也叫顯像管，曾廣泛應(yīng)用于早期的電視機(jī)、顯示器）打出的電子束通過(guò)水平偏轉(zhuǎn)和垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，打在屏幕的熒光物質(zhì)上顯示波形。

然而到了現(xiàn)在，模擬示波器所剩下的優(yōu)點(diǎn)，似乎就只有價(jià)格了。它沒(méi)有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和分析波形能力，觸發(fā)功能也有限，捕獲單次和偶發(fā)信號(hào)的能力也不行，而且由于其內(nèi)部采用了大量模擬器件，隨著時(shí)間溫度變化這些器件也會(huì)發(fā)生變化，因此性能也不穩(wěn)定。現(xiàn)代電子測(cè)量中幾乎已經(jīng)淘汰了模擬示波器，因此我們今天主要講的也是數(shù)字示波器。

早期的數(shù)字示波器，由于顯示技術(shù)制約，使用的依然是模擬示波器上的CRT（Cathode Ray Tube，陰極射線管）顯示屏。數(shù)字示波器區(qū)別于模擬示波器的最大不同，主要在于輸入的信號(hào)不再直接打到顯示屏上，而是通過(guò)ADC（Analog to Digital Converter，模數(shù)轉(zhuǎn)換器）對(duì)信號(hào)采樣和數(shù)字化處理后存入高速緩存里，再通過(guò)信號(hào)處理電路將數(shù)據(jù)讀出來(lái)。

由于早期的數(shù)字示波器用CRT顯示，因此還需要通過(guò)DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量顯示到CRT顯示屏上?，F(xiàn)代化的數(shù)字示波器，也已經(jīng)大多不再使用CRT顯示屏，而是采用液晶顯示屏，不但體積減少很多，有些還提供了更加操作便捷的觸控功能，而且也不再需要把數(shù)字化的采樣點(diǎn)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)了。由于這兩者在功能結(jié)構(gòu)上沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，所以業(yè)界一般也沒(méi)有CRT示波器和LCD示波器的叫法。

數(shù)字示波器很多時(shí)候都被叫做數(shù)字存儲(chǔ)示波器，因?yàn)閿?shù)字示波器中重要的一環(huán)，就是把ADC采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。現(xiàn)代數(shù)字示波器采集數(shù)據(jù)的主要過(guò)程我們通過(guò)這塊麥科信STO1104C智能示波器的主板進(jìn)行直觀了解：

①信號(hào)通過(guò)探頭衰減成合適比例送入示波器前端。示波器能測(cè)多大電壓一般取決于探頭，探頭通過(guò)衰減可以把上萬(wàn)伏的電壓信號(hào)變成幾十伏。

②信號(hào)通過(guò)耦合電路到達(dá)前端衰減器和放大器，示波器軟件上表現(xiàn)為調(diào)節(jié)垂直檔位，使得波形盡量占滿整個(gè)屏幕，從而提高垂直精度，使測(cè)量更準(zhǔn)確。前端部分很大程度上決定了示波器的第一指標(biāo)：帶寬。

③ARM處理器控制FPGA調(diào)節(jié)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣率，示波器軟件上表現(xiàn)為調(diào)節(jié)時(shí)基，由于存儲(chǔ)深度為固定值，采樣率 = 存儲(chǔ)深度 ÷ 波形記錄時(shí)長(zhǎng)，通常時(shí)基設(shè)置的改變是通過(guò)改變采樣率來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此廠家標(biāo)注的采樣率往往是在特定時(shí)基設(shè)置之下才有效的，在大時(shí)基下受存儲(chǔ)深度的影響，采樣率不得不降低。ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器和RAM高速存儲(chǔ)器影響著示波器的另外兩大指標(biāo)：采樣率和存儲(chǔ)深度。

④接下去，由FPGA驅(qū)動(dòng)ADC同步采樣，ADC將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)據(jù)化并寫入高速緩存。存儲(chǔ)器緩存即存儲(chǔ)深度，一般存儲(chǔ)器的大小是示波器標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)深度大小的四倍，因?yàn)镕PGA無(wú)法控制示波器的觸發(fā)，因此采集的信號(hào)必定先是標(biāo)識(shí)存儲(chǔ)深度的2倍，然后再來(lái)根據(jù)觸發(fā)篩選其中的一段波形，所以示波器可以看到觸發(fā)位置之前的波形。又由于示波器在篩選之前采集的波形的時(shí)候，采集不能停，否則就會(huì)導(dǎo)致波形捕獲率太低，因此同時(shí)還需要繼續(xù)采集同樣長(zhǎng)度的采樣點(diǎn)，如此反復(fù)，這樣一來(lái)就是四倍了。

⑤收到觸發(fā)指令后，存儲(chǔ)器再把數(shù)據(jù)交給ARM處理器處理

⑥ARM處理器將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)顯示接口將數(shù)據(jù)輸出至顯示屏展示給使用者。通過(guò)計(jì)算，示波器還能模仿出類似模擬示波器的多級(jí)輝度顯示，以及數(shù)字示波器特有的色溫顯示效果，余暉顯示效果。

⑦示波器處理完數(shù)據(jù)后，可以把當(dāng)前的波形圖像或者是數(shù)據(jù)保存到存儲(chǔ)器中，要注意這里的存儲(chǔ)完全不同于存儲(chǔ)深度的高速存緩，大多數(shù)示波器采用外部存儲(chǔ)器如U盤，SD卡，電腦等，現(xiàn)在一些現(xiàn)代化的示波器會(huì)內(nèi)置大存儲(chǔ)可以直接保存在示波器里。

這個(gè)過(guò)程中，②③④都是并行處理的。

由于數(shù)字示波器處理速度的制約，所以它并不能保證被測(cè)信號(hào)的波形能連續(xù)不斷地實(shí)時(shí)顯示在屏幕上，顯示的兩個(gè)波形之間會(huì)有波形數(shù)據(jù)丟失，也即所說(shuō)的死區(qū)時(shí)間，這也是數(shù)字示波器相比較于模擬示波器的最大缺點(diǎn)了。不過(guò)，隨著示波器運(yùn)算能力的增強(qiáng)，波形捕獲率的不斷上升，這一缺點(diǎn)也在被慢慢彌補(bǔ)。