“示波器”的工作原理是什么？

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。俗话说，电是看不见摸不着的。但是示波器可以帮我们“看见”电信号，便于人们研究各种电现象的变化过程。所以示波器的核心功能，就和他的名字一样，是显示电信号波形的仪器，以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。

而波形，也有多种定义，比如时域或者频域的波形，对于示波器而言，大多数时候测量的是电压随时间的变化，也就是时域的波形。因此，示波器可以分析被测点电压变化情况，从而被广泛的应用于各个电子行业及领域中。

一般我们业内对示波器的分类只按模拟示波器和数字示波器来分，有些厂家可能为了突出其示波器的某项功能给其命名为其他名字，比如数字荧光示波器等。但其本质原理依然逃不出这2大示波器类别。

模拟示波器是属于早期的示波器，主要基于阴极射线管（也叫显像管，曾广泛应用于早期的电视机、显示器）打出的电子束通过水平偏转和垂直偏转系统，打在屏幕的荧光物质上显示波形。

然而到了现在，模拟示波器所剩下的优点，似乎就只有价格了。它没有存储数据和分析波形能力，触发功能也有限，捕获单次和偶发信号的能力也不行，而且由于其内部采用了大量模拟器件，随着时间温度变化这些器件也会发生变化，因此性能也不稳定。现代电子测量中几乎已经淘汰了模拟示波器，因此我们今天主要讲的也是数字示波器。

早期的数字示波器，由于显示技术制约，使用的依然是模拟示波器上的CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示屏。数字示波器区别于模拟示波器的最大不同，主要在于输入的信号不再直接打到显示屏上，而是通过ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）对信号采样和数字化处理后存入高速缓存里，再通过信号处理电路将数据读出来。

由于早期的数字示波器用CRT显示，因此还需要通过DAC数模转换器把数字量转换成模拟量显示到CRT显示屏上。现代化的数字示波器，也已经大多不再使用CRT显示屏，而是采用液晶显示屏，不但体积减少很多，有些还提供了更加操作便捷的触控功能，而且也不再需要把数字化的采样点转换成模拟信号了。由于这两者在功能结构上没有本质区别，所以业界一般也没有CRT示波器和LCD示波器的叫法。

数字示波器很多时候都被叫做数字存储示波器，因为数字示波器中重要的一环，就是把ADC采集的数据存储起来。现代数字示波器采集数据的主要过程我们通过这块麦科信STO1104C智能示波器的主板进行直观了解：

①信号通过探头衰减成合适比例送入示波器前端。示波器能测多大电压一般取决于探头，探头通过衰减可以把上万伏的电压信号变成几十伏。

②信号通过耦合电路到达前端衰减器和放大器，示波器软件上表现为调节垂直档位，使得波形尽量占满整个屏幕，从而提高垂直精度，使测量更准确。前端部分很大程度上决定了示波器的第一指标：带宽。

③ARM处理器控制FPGA调节ADC模数转换器采样率，示波器软件上表现为调节时基，由于存储深度为固定值，采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长，通常时基设置的改变是通过改变采样率来实现的。因此厂家标注的采样率往往是在特定时基设置之下才有效的，在大时基下受存储深度的影响，采样率不得不降低。ADC模数转换器和RAM高速存储器影响着示波器的另外两大指标：采样率和存储深度。

④接下去，由FPGA驱动ADC同步采样，ADC将采集到的数据进行二进制数据化并写入高速缓存。存储器缓存即存储深度，一般存储器的大小是示波器标识存储深度大小的四倍，因为FPGA无法控制示波器的触发，因此采集的信号必定先是标识存储深度的2倍，然后再来根据触发筛选其中的一段波形，所以示波器可以看到触发位置之前的波形。又由于示波器在筛选之前采集的波形的时候，采集不能停，否则就会导致波形捕获率太低，因此同时还需要继续采集同样长度的采样点，如此反复，这样一来就是四倍了。

⑤收到触发指令后，存储器再把数据交给ARM处理器处理

⑥ARM处理器将数据处理后通过显示接口将数据输出至显示屏展示给使用者。通过计算，示波器还能模仿出类似模拟示波器的多级辉度显示，以及数字示波器特有的色温显示效果，余晖显示效果。

⑦示波器处理完数据后，可以把当前的波形图像或者是数据保存到存储器中，要注意这里的存储完全不同于存储深度的高速存缓，大多数示波器采用外部存储器如U盘，SD卡，电脑等，现在一些现代化的示波器会内置大存储可以直接保存在示波器里。

这个过程中，②③④都是并行处理的。

由于数字示波器处理速度的制约，所以它并不能保证被测信号的波形能连续不断地实时显示在屏幕上，显示的两个波形之间会有波形数据丢失，也即所说的死区时间，这也是数字示波器相比较于模拟示波器的最大缺点了。不过，随着示波器运算能力的增强，波形捕获率的不断上升，这一缺点也在被慢慢弥补。

如何用示波器测量信号峰峰值,有效值,上升时间,下降时间等波形参数

示波器的主要作用就是用来观察电压随时间变化的曲线，通过不同的传感器探头，示波器也可以测量电流，压强等。示波器是每一个电子爱好者和电子工程师必备的仪器，今天我们来看下在选择入门的基础示波器时，我们要考虑哪些因素。

带宽

带宽作为示波器的首要参数指标，带宽不足时波形就会严重失真，方波甚至可能会变成正弦波，我们用分别20M带宽和100M带宽的示波器来观察20M的方波信号，得出结果入下图：

由此图可知，20M示波器基本无法观察到方波形状，另外100M示波器的观察效果比60M示波器要好，是什么导致了这个原因呢？下图是一个20M方波经过FFT后的频谱图，我们可以看到方波是由基波以及3、5、7、9……次谐波分量递加而成。所以20M的方波包含20M基波、60M三次谐波，100M五次谐波，140M七次谐波……

如果要对波形进行准确测量，应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是对与非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。

在带宽的选择上，一般所测信号最大频率的5倍，就是最合适的带宽，对于一台基础的示波器而言，100MHz带宽的示波器已经可以适用于很多测量场景。

采样率和存储深度

采样率和存储深度是示波器的另外2大重要指标。为什么要把它们放一起讲呢，因为它们和波形记录时间一起有着密不可分的共生关系：采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长

数字示波器显示的波形实际上是一个一个的采样点，这就像一张照片一样，采样点越多信号就越接近真实。采样率表达的就是示波器每秒捕获这些采样点的能力，比如1GSa/s的采样率，说明示波器每秒钟能采集10亿个采样点。而存储深度表达的是示波器一屏幕最多可以包含多少采样点，比如28Mpts存储深度，说明示波器一屏幕最多可以有2千8百万个采样点。我们要保证采样率至少是被测信号带宽的2倍以上，事实上我们更建议是3-5倍以上，这样更容易捕获波形的异常信息。

这里要注意一点的是，采样率还分为等效采样和实时采样，现在的示波器标注的基本都是实时采样率了，因为等效采样只适用于周期性变化的信号。如果在购买示波器的时候发现采样率和大众价格有偏差的，一定要问卖家标注的是实时采样还是等效采样。

通道数

示波器常见的有2通道和4通道，考虑几通道示波器适合自己的问题，主要考虑自己是否有同时测量3-4个信号的需求，如果没有，则选择2通道示波器即可。

波形捕获率

数字示波器对信号的采集存储和处理显示是无法同时进行的，因此当示波器在处理显示的时候，就会漏掉一部分信息，也称之为示波器的死区时间。波形捕获率表达的就是示波器每秒能采集多少次波形的能力，这个能力越大，死区时间就越小，也就越容易捕获到异常的波形。

这里要注意的是，波形捕获率并不是固定不变的，它会随着示波器各种设置的改变而改变，一般厂家标注的波形捕获率是能达到的最大值。

触发方式

如果说示波器捕获波形就是在拍照的话，触发就是决定示波器什么时候按下快门。触发决定了我们希望捕获到的波形采样点们以何种方式展现在屏幕上。

示波器常见的触发方式是边沿触发和脉宽触发，有的示波器除此以外还会支持更多的触发方式，可以了解一下根据需求选择。

便携性与操作性

如果你对示波器有外出携带的需求，那么示波器的便携性也是值得考虑的因素，还有示波器是否支持电池供电，因为你可能会有户外作业的需求。现代化的一些示波器还有支持触屏功能，在操作上也会更加快捷易用。

屏幕大小和显示方式

示波器的显示屏大小以及是否支持彩色也是一个应该考虑的因素，有的示波器支持荧光显示和色温显示，相当于多了一个Z轴，对于一些复杂信号，如视频信号、调制信号、抖动信号的测试，带有荧光显示和色温显示的示波器能更快速地帮助揭示信号的细节。

精度

示波器ADC模数转换器的垂直分辨率，就是数字示波器的垂直分辨率，其位数代表示波器将输入电压转换为数字值的精确程度。

这里要注意的是，示波器显示屏垂直方向上的分辨率本身就有限，另外测量高频信号时，幅度本身就不准确，在上限频率处甚至有30%的误差，而且垂直分辨率过高会提高模数转换时间，影响采样率，进而影响带宽，得不偿失。一般示波器的垂直分辨率是8位，高分辨率的示波器达12位，但如果示波器模拟电路本身的精度没有提高，单纯追求ADC的分辨率是没有意义的。如果追求电压的准确度，应该使用万用表，示波器更主要的功能是观测波形的形状，测量准确度一般在2-3%以内，这种准确度应对绝大多数应用是完全游刃有余的。

测量与分析

示波器一般都支持常见的测量项显示，如信号的频率、周期、幅值等等。有的示波器还会支持额外的数学运算、FFT和高级数学功能，如果有这方面计算要求的话，也应该作为一个考虑项。

Auto功能

示波器的auto功能可以取代万用表测电压，一次测量信号的直流分量，交流分量，频率，峰峰值、有效值等信息，甚至波形都有了，让你一眼就全面了解信号，比万用表只测一个平均值电压强多了，减少误判，提高效率。但是auto的速度就至关重要，麦科信示波器auto速度1秒，比一般万用表自动挡还快。

串行总线分析

串行总线在当今的数据通信设计中被广泛地使用，因此示波器支持哪些串行总线分析也是一个考虑的因素。我们需要清楚了解示波器的译码方法是硬件解码还是软件解码，是否支持解码触发以及解码文本显示等。

互通性与波形数据

有些示波器可以通过手机或者电脑来远程操控，以及将波形数据保存到电脑上，用计算机软件进行数据分析。之前有遇到过一位朋友需要长时间在一个36度高温的房间里进行测量，新买的示波器手机远程功能操控帮了他大忙，以前他用的示波器人必须陪着示波器一起呆在房间里才能操作，这次他可以直接在室外进行操作了。

探头的选择

探头会引入电阻负载、电容负载和电感负载，这些负载会影响测量数据的准确性，为使这种影响达到最小，最好使用示波器同品牌配套的探头。在购买探头时，要保证探头的带宽大于等于示波器的带宽。还要明确测量的是电压还是电流、信号幅度有多大，是否需要以差分方式测量信号等问题都会影响探头的选择。

价格与性价比

示波器除了探头是消耗品，主机本身是非常稳定的，一台示波器使用10年是完全可以的，示波器淘汰往往是因为技术迭代更新导致的，因此购买一台使用顺手、便捷且性能优秀的示波器是十分值得的。目前示波器在中低端领域，国产的示波器其实并不比进口的差，有的甚至还更好。

一般来说，数字存储示波器都有自动测量这些参数的功能。比如，选择固纬的gds-2202数字存储示波器，如果不懂得这些参数，只要按一下help，详细的解释马上出来。

如果是数字示波器就可以直接从测量菜单里调出所需的各种参数；模拟示波器就要读刻度了，峰峰电压Vpp=V/div（垂直偏转因数） ×div（波形在垂直方向所占格数）；

有效值等于峰峰电压除以二倍的根号二；上升时间要通过垂直偏转因数及增益微调，使波形的峰峰值落在0——100，读10%到90%所用的时间即可；下降时间读法一样。

扩展资料：

模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前台退到后台。

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