示波器原理及其应用分析解析

1、示波器原理及其应用示波器介绍 示波器的作用示波器属于通用的仪器， 任一个硬件工程师都应该了解示波器的工作原理并 能够熟练使用示波器，掌握示波器是对每个硬件工程师的基本要求。示波器是用来显示波形的仪器， 显示的是信号电压随时间的变化。 因此，示 波器可以用来测量信号的频率，周期，信号的上升沿 /下降沿，信号的过冲，信 号的噪声，信号间的时序关系等等。在示波器显示屏上，横坐标（ X ）代表时间，纵坐标（ Y）代表电压，（注， 如果示波器有测量电流的功能，纵坐标还代表电流。 ）还有就是比较少被关注的 - 亮度（ Z），在 TEK 的 DPO示波器中，亮度还表示了出现概率（它用 16阶灰度 来表示出现

2、概率）。11 示波器的分类示波器一般分为模拟示波器和数字示波器；在很多情况下，模拟示波器 和数字示波器都可以用来测试， 不过我们一般使用模拟示波器测试那些要求 实时显示并且变化很快的信号，或者很复杂的信号。而使用数字示波器来显 示周期性相对来说比较强的信号，另外由于是数字信号，数字示波器内置的 CPU或者专门的数字信号处理器可以处理分析信号，并可以保存波形等，对 分析处理有很大的方便。1.2.1 模拟示波器模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕， 偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。模拟示波器的原理框图如下：见上图所示， 被测试信号经过垂直系统处理 （

3、比如衰减或放大， 即我们拧垂 直按钮 volts/div ），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设 置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。信号到达触发系统， 开始或者触发“水平扫描” ，水平扫描是一个是锯齿波， 使亮点在水平方向扫描。 触发水平系统产生一个水平时基， 使亮点在一个精确的 时间内从屏幕的左边扫描到右边。 在快速扫描过程中， 将会使亮点的运动看起来象一条平滑的曲线。 而信号电压加到垂直偏转电压的电极上， 效果也是产生了一 个移动的亮点， 电压为正将使点向上移动， 电压为负则向下移动， 水平偏转和垂 直偏转电压配合在一起，就能够在屏幕上显示信号的波形

4、。在比较高的速度上， 亮点能够扫描过屏幕达 50,0000次/ 秒，目前最好的通用示波器也不过每秒捕捉 40,0000个波形，因此说模拟示波器比数字示波器的实时性要高，是有货真价实 的。volts/div 旋钮，可以调整信号在屏幕的范围水平扫描和垂直偏转能使信号的波形图像能够显示到屏幕上， 不过触发系统 也是必不可少的， 它不仅仅是让你抓到你需要的波形， 还能够使图像稳定地显示 到屏幕上， 它能使重复的波形能够在同一个点开始扫描， 在屏幕显示一个干净和 稳定的图像。 下图显示了没有触发和触发的波形： 没有触发的波形比较乱和在闪 动，不稳定，而触发的波形则非常的稳定和干净。一般来说，使用一个模拟

5、示波器， 上面说的三个部分：信号的衰减或者放大情况：使用 里面，垂直大小合适。时基：使用 sec/div旋钮，调整每格代表的时间间隔，可以使信号在水平方向放大或者缩小。触发系统： 可以调整触发电平， 能够使波形稳定显示， 或者寻找到我们需要 的波形。当然，调整亮点的大小和亮底，可以使波形显示达到最佳的显示效果。1.2.2 数字示波器一个数字示波器对波形进行采样，并用 AD转换器将模拟图像转换为数字波 形，最后将波形重现到屏幕上面。数字示波器的原理图如下：当我们将探头接到线路上面时，垂直系统控制调整信号的衰减和放大，这 个和模拟示波器一样。接着，在采样系统中对信号进行模数转换（ ADC），连 续

6、的模拟信号变成了离散的点。 水平系统的时基决定了采样率的水平。 比如我们 的 TDS5054的最大采样速率为 5GSa/s，说明它最快的情况下能够在每秒钟采样 5G 个点。经过采样量化的点被存到存储器里面，并拼成波形图。在数字示波器中，存储波形点的长度，通常称为存储长度。由于处理要求 非常快，这些存储器不是通用的 SDRA，M而是专用的高速存储器，价格比较贵， 因此比较便宜的示波器都使用标准配置。 触发系统决定了保存点的开始和结束点 的位置。存储器里面的波形最后传送到显示系统中进行显示。为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。另外预触发能够让我们 能够看到触发前的波形情况。和模拟示波器一样

7、，使用数字示波器来测试，也需要调整垂直幅度、水平 时间间隔和触发设置。1.2.3 采样方法对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比 较快的信号 (这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的) ，示波器不能够采到 足够的采样点来显示波形。因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样， 一是实时采样，二是等效采样。1实时采样：一次按照顺序来采集采样点，然后采用计算方法内插一些数 据，内插技术是评估用一些点来组成波形是否和原来的图像的靠近程度， 一般的 内插技术( waveform interpolation )有线性和 sin(x)/x 两种。如果没有特别表明的情况下，示波器给

8、出的采样速率都是实时采样速率， 也就是一次采样的速率。实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺 序采样的。 由于采样得到的点是离散的点， 而我们显示一般情况下都是显示波形 曲线(当然也可以用点显示模式，但是很少用)，这就涉及到一个内插的问题， 将点还原为曲线， 一般有两种方法： 直线连接和曲线模拟， 曲线模拟主要使用正 弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。2等效采样：每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就 是一个完整的图， 不过这要求波形是周期性的， 否则误差会比较大。 等效采样有 两种方式：一种是随机采样，另外一种是顺序采样。对于那些快速信号，实时采样可能

9、一次采不到足够的点，于是就要采用等 效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。 等效采样有两种， 一种是随机 采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：由于是周期性的信号，信号在每个周期都是一样的，随机采样就将整个波 形分开采样，随机采集信号， 经过数个周期，就能够将一个完整的波形采集完毕， 将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。而顺序采样，就是按照顺序来， 第一次采 1、2、 3点，第二次采 4、5、6点等，直到将整个波形采集完毕。无论是哪种等效采样方式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时 采样的速率为 1GSa/s的示波器， 它使用等效采样的方式来采样， 每次都用最高的 实时

10、采样速率采集数据， 花了 10次才将一个波形周期采集完毕， 那么它的等效采 样速率就是 10GSa/s，即提高到了 10倍。对于实时采样，主要表示了单次波形的采集能力，而等效采样，主要用于 周期性的信号的采样。 比如 TDS784的实时采样速率为 4GSa/s，而等效采样速率则 高达 250GSa/s。在示波器中，可以选择使用还是不使用等效采样的，比如在TDS794D中，ACQUIRE MEN菜U单中，有这个选项，见下图所示，图中选择了只用实时采样 。在我们的 TDS5054示波器中，实时采样和等效采样是自动切换的。Channels on132or4TIME BASE 800PS/PTRTRT

11、RT400PS/PTRTETET200PS/PTRTETET100PS/PTETETETRT： real-time samplingET:equivalent-time sampling 示波器上 ET显示的是 IT1.2.4 示波器的控制示波器的主要是三个部分，垂直控制、水平控制和触发控制，除此外，很 多数字示波器都提供了“软键”( soft key)控制，通过在示波器的屏幕周围排 放一些键， 对于屏幕里面的菜单， 这些键在不同的菜单中对应不同的项目， 因此 定义不固定， 故称之为“软键”。因为有了“软键”，很多功能都可以做了进去， 比如波形参数的测试、高级触发方式等。下图是 Agilent

12、的54800系列的控制面板示意图，它主要分为三个区，水平控 制区、垂直控制区和触发控制区， 此外还有一些其他的设置， 包括保存和输入输 出的的部件等。水平控制可以调整时基的大小，也就是间隔的大小，示波器中， 只有一个水平控制钮，调整它，所有通道的时间间隔都会变。垂直控制区，在这 里是每个通道都有一个， 不过有的示波器为了节省面板面积， 有时候所有通道共 用一个垂直控制钮， 通过另外的按键去选择通道。 有关这些细节， 实践一下马上 有印象了，这里不做更多的描述。 最后一个是触发， 这是示波器比较关键的部分， 因为数字示波器比起模拟示波器， 触发的多样性是它的一大特点， 有关触发在下 一节详细描述

13、。1.2.5 示波器的触发示波器的触发，相对来说，里面的玄机就多一点。我们最常使用的是边沿触 发，比如上升沿触发或者下降沿触发。一般示波器的主要触发有： 模式 Pttern 触发 状态 State 触发 建立保持 Setup /hold 触发 毛刺 Gilth 触发 脉冲宽度 Width触发 矮电平 Runt触发 转换速率 Slew Rate 触发 保持时间 Timeout 触发边沿Edge触发 逻辑 Logic 触发 图像VIDEO触发 通信Comm触发 脉冲Pulse 触发 延迟Delay触发 单次 Single 触发作为熟练的硬件工程师，除了最常用的边沿触发模式外，还应该掌握脉冲触 发中

14、的毛刺触发、矮电平触发、脉冲宽度触发，以及单次触发等，另外如果需要 测试时序的话，掌握逻辑触发也是很有用的。下面以 TDS5054为例，介绍一下脉冲触发方式。高级的触发设置在触发的菜 单中。点击菜单中 TRIG，在下拉菜单中选择 EDGE SETUP，进入如下设置界面1、毛刺 Glith 触发：选择了毛刺触发后，就可以在右边选择毛刺触发的类型和宽度，还可以设置 电平等。2、矮电平 Runt触发2-5-3 矮电平触发设置上下界线设置示意图设置完毕就可以开始进行测试，见上图。3、脉冲宽度 Width 触发在选择了宽度 width 后，在下边选项 Polarity选择脉冲极性，然后在脉冲宽度选 项T

15、rig When 中选择触发类型（超出设置值还是小于设置值）和设置数值，见下 图，再设定电平，设置完毕就可以开始测试了。图 2-5-4上面几种触发，在测试总线和控制信号的异常情况方面，比较有用。5、单次触发 单次触发并非一个独立的触发方式，它和其他方式一起使用，只是其他方 式可以进行多次的触发， 而单次触发只会触发一次就停止了， 并将信号显示出来， 比如对于上电的电压上升的情况 、捕获很少出现的脉冲毛刺等比较有用。1.2.6 示波器的存储深度虽然存储深度是示波器的四大指标之一（分别为带宽、采样速率、通道数和 存储深度） ，但是最后一个指标， 厂家通常很少提的， 不提并不表示它的重要性， 而是他

16、们有意淡化这个问题而已。比如 TDS794D的存储深度，标准配置为每通 道50k点。存储深度和采样速率的关系是： 存储深度最快采样速率最大采样速率时限 500上面公式中的 500是指屏幕上面水平方向有 10格，每格是 50个点，共500个点。 最大采样速率时限是指， 示波器在最快的采样速率情况下， 需要多长时间就可以 将存储器存满。如果超过此时限，就会溢出了，实际上不会溢出，而是采取降低 采样速率的方法。例如上面的 TDS794D，在标准配置的情况下，如果用最大的采样速率 （4GSa/s）采样时，它的最大采样速率时限为 25ns，此时时基为 25/10 2.5ns/div （注：实际上没有这个

17、档，比较说明而已） ，也就是意味着，如果你将时基调整 到 2.5ns/div 以上时，采样速率就要降低。大家平时也可能注意到，当我们测试 数兆频率的信号， 示波器左上角显示的采样速率会远远比示波器的最高采样速率 要小。存储深度比较大的好处在于，测试比较低速的信号时，能够以比较高的采样 速率来取样，也就是能够看到更多的细节，这就是存储深度的奥妙所在。图2-6-2 显示了 Agilent的54600系列示波器深存储器的效果。 54600系列是 Agilent 的中低端示波器，一般来说，低端示波器的存储深度都比较低，比如数k到数十k，但是它配备了每通道深达 2M的存储器， 它兼顾了示波器长时间捕获及

18、 高速采样两个方面， 因此能够看到波形细节的可能性大大增大。 在图中， 每个周 期中叠加了 1500脉冲，其中有一个失真， 示波器就以高亮度显示， 通过放大该亮 点，就可以看出脉冲失真的细节来。值得指出的是， 存储深度和采样速率都有单通道、 双通道、全通道等的差别。 比如 794D 的采样速率为 4GSa/s，其实它是单通道下面的最高采样速率， 如果开 了双通道，就变成了每个 2GSa/s，如果开了三个以上通道，就变成每个通道 1GSa/s，同理，在存储深度也有这样的情况，就是通道存储深度。但是这个不是 绝对的，有很多 例外的情况，如 TDS220，厂家标的采样速率是每通道 1GSa/s， 而

19、不是所有通道的和， 同样部分示波器标配的存储器为 50k 深度，是所有的通道 都是 50k，这些细节需要查看厂家的手册才比较明确。还有的694C，也是每个通道采样速率达 10GSa/s，不是所有通道采样速率的和。1.2.7 示波器的探头要测试，示波器就少不了探头，探头四个主要的指标为带宽、输入电阻、输入电容和衰减倍数。探头的分类如图 2-7-1 所示。我们最常用的探头是测试电压波形的有源探头和无源探头图 2-7-2 显示了探头的输入阻抗和带宽的关系，通常来说带宽高的探头，它 的输入阻抗普遍要低。比如同样是有源探头的 P6204和 P6249，带宽分别为 1GHz 和 4GHz ，它们的输入输入

20、阻抗分别为 10M 欧姆和 20k 欧姆。需要注意的是， 阻 抗会随着输入信号的频率而变化， 比如随着频率的升高而减低， 它不是一个恒定 的数值。上图显示的是一些比较老的探头的输入阻抗和带宽的关系， 现在已经有不少 提高了。在低端，主要影响的因素是输入阻抗，而在高端，主要的影响因素不再 是输入阻抗，而是输入电容。探头作为测试信号的连接设备， 其输入电压是有限制， 因此我们使用探头时 需要特别注意探头的测试范围。输入电压比较高的探头，它的带宽也低，反之， 带宽高的探头，它的输入电压范围比较小。 比如有源探头 P6245的带宽为 1.5GHz， 它的输入电压范围仅为 40V，而 500MHz 带宽的无源探头 P5050 的最大输入电压为 300V。图 2-7-3 探头的补偿效果1kHz探头特别是有源探头，都需