示波器的工作原理和分類(lèi)
示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無(wú)法直接觀(guān)測的交變電信號轉換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量?jì)x器。它是觀(guān)察數字電路實(shí)驗現象、分析實(shí)驗中的問(wèn)題、測量實(shí)驗結果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統、同步系統、X軸偏轉系統、Y軸偏轉系統、延遲掃描系統、標準信號源組成。1.1 示波管驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量?jì)x| 光度計| 電壓計| 電流計|  
　　　陰極射線(xiàn)管(CRT)簡(jiǎn)稱(chēng)示波管，是示波器的核心。它將電信號轉換為光信號。電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內，構成了一個(gè)完整的示波管。
電子設備可以劃分為兩類(lèi)：模擬設備和數字設備。模擬設備的電壓變化連續，而數字設備處理的是代表電壓采樣的離散二元碼。傳統的電唱機是模擬設備，而CD 播放器是屬于數字設備。 
　　
　　同樣，示波器也能分為模擬和數字類(lèi)型。模擬和數字示波器都能夠勝任大多數的應用。但是，對于一些特定應用，由于兩者具備的不同特性，每種類(lèi)型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分，數字示波器可以分為數字存儲示波器( DSO)、數字熒光示波器( DPO)和采樣示波器。
　　
　　模擬示波器
　　
　　在本質(zhì)上，模擬示波器工作方式是直接測量信號電壓，并通過(guò)從左到右穿過(guò)示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓。示波器屏幕通常是陰極射線(xiàn)管( CRT)。電子束投到熒幕的某處，屏幕后面總會(huì )有明亮的熒光物質(zhì)。當電子束水平掃過(guò)顯示器時(shí)，信號的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉，跟蹤波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置電子束投射的頻度越大，顯示得也越亮。
　　
　　CRT 限制著(zhù)模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方，信號呈現出明亮而緩慢移動(dòng)的點(diǎn)，而很難分辨出波形。在高頻處，起局限作用的是CRT的寫(xiě)速度。當信號頻率超過(guò)CRT的寫(xiě)速度時(shí)，顯示出來(lái)的過(guò)于暗淡，難于觀(guān)察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。

數字熒光示波器DPO4054

數字熒光示波器DPO4104

TDS3000B系列數字熒光示波器

數字熒光示波器TDS3054B
　　
　　當把示波器探頭和電路連接到一起后，電壓信號通過(guò)探頭到達示波器的垂直系統。圖13 圖解出模擬示波器是如何顯示被測信號。設置垂直標度(對伏特/ 格進(jìn)行控制)后，衰減器能夠減小信號的電壓，而放大器可以增加信號電壓。
　　
　　隨后，信號直接到達CRT的垂直偏轉板。電壓作用于這些垂直偏轉板，引起亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)。亮點(diǎn)是由打在CRT內部熒光物質(zhì)上的電子束產(chǎn)生的。正電壓引起點(diǎn)向上運動(dòng)，而負電壓引起點(diǎn)向下運動(dòng)。
　　
　　信號也經(jīng)過(guò)觸發(fā)系統，啟動(dòng)或觸發(fā)水平掃描。水平掃描是水平系統亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)的行為。觸發(fā)水平系統后，亮點(diǎn)以水平時(shí)基為基準，依照特定的時(shí)間間隔從左到右移動(dòng)。許多快速移動(dòng)的亮點(diǎn)融合到一起，形成實(shí)心的線(xiàn)條。如果速度足夠高，亮點(diǎn)每秒鐘掃過(guò)屏幕的次數高到500000 次。
　　
　　水平掃描和垂直偏轉共同作用，形成顯示在屏幕上的信號圖象。觸發(fā)器能夠穩定實(shí)現重復的信號，它確保掃描總是從重復信號的同一點(diǎn)開(kāi)始，目的就是使呈現的圖象清晰。參照圖14。
　　
　　另外，模擬示波器有對聚焦和亮度的控制，可調節出銳利和清晰的顯示結果。為顯示“實(shí)時(shí)”條件下或突發(fā)條件下快速變化的信號，人們經(jīng)常推薦使用模擬示波器。模擬示波器的顯示部分基于化學(xué)熒光物質(zhì)，它具有亮度級這一特性。在信號出現越多的地方，軌跡就越亮。通過(guò)亮度級，僅觀(guān)察軌跡的亮度就能區別信號的細節。
　　
　　數字示波器
　　
　　與模擬示波器不同，數字示波器通過(guò)模數轉換器( ADC)把被測電壓轉換為數字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進(jìn)行存儲，存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止。隨后，數字示波器重構波形。(參看圖15。)

數字儲存示波器GDS-2064

數位儲存示波器GDS-2204

數字儲存示波器GDS-2202

GDS-2102數字儲存示波器

GDS-2104數字儲存示波器
　　
　　數字示波器分為數字存儲示波器( DSO)、數字熒光示波器( DPO)和采樣示波器。
　　
　　數字的手段則意味著(zhù)，在示波器的顯示范圍內，可以穩定、明亮和清晰地顯示任何頻率的波形。對重復的信號而言，數字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱(chēng)之為3dB 點(diǎn)。對于單脈沖和瞬態(tài)事件，例如脈沖和階躍波，帶寬局限于示波器采樣率之內。為了解更多的細節，請參照性能術(shù)語(yǔ)和應用部分的采樣率一節。
　　
　　數字存儲示波器
　　
　　常規的數字示波器是數字存儲示波器(DSO)。它的顯示部分更多基于光柵屏幕而不是基于熒光。
　　
　　數字存儲示波器(DSO)便于您捕獲和顯示那些可能只發(fā)生一次的事件，通常稱(chēng)為瞬態(tài)現象。以數字形式表示波形信息，實(shí)際存儲的是二進(jìn)制序列。這樣，利用示波器本身或外部計算機，方便進(jìn)行分析、存檔、打印和其他的處理。波形沒(méi)有必要是連續的;即使信號已經(jīng)消失，仍能夠顯示出來(lái)。與模擬示波器不同的是，數字存儲示波器能夠持久地保留信號，可以擴展波形處理方式。然而，DSO沒(méi)有實(shí)時(shí)的亮度級;因此，他們不能表示實(shí)際信號中不同的亮度等級。組成DSO的一些子系統與模擬示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的數據處理子系統，因此它能夠收集顯示整個(gè)波形的數據。從捕獲信號到在屏幕上顯示波形，DSO采用串行的處理體系結構，如圖16所示。隨后將對串行處理體系作講解。
　　
　　串行處理體系結構
　　
　　與模擬示波器一樣，DSO 第一部分(輸入)是垂直放大器。在這一階段，垂直控制系統方便您調整幅度和位置范圍。緊接著(zhù)，在水平系統的模數轉換器( ADC)部分，信號實(shí)時(shí)在離散點(diǎn)采樣，采樣位置的信號電壓轉換為數字值，這些數字值稱(chēng)為采樣點(diǎn)。該處理過(guò)程稱(chēng)為信號數字化。水平系統的采樣時(shí)鐘決定ADC采樣的頻度。該速率稱(chēng)為采樣速率，表示為樣值每秒(S/s)。
　　
　　來(lái)自ADC的采樣點(diǎn)存儲在捕獲存儲區內，叫做波形點(diǎn)。幾個(gè)采樣點(diǎn)可以組成一個(gè)波形點(diǎn)。波形點(diǎn)共同組成一條波形記錄。創(chuàng )建一條波形記錄的波形點(diǎn)的數量稱(chēng)為記錄長(cháng)度。觸發(fā)系統決定記錄的起始和終止點(diǎn)。DSO信號通道中包括微處理器，被測信號在顯示之前要通過(guò)微處理器處理。微處理器處理信號，調整顯示運行，管理前面板調節裝置，等等。信號通過(guò)顯存，最后顯示到示波器屏幕中。
　　
　　在示波器的能力范圍之內，采樣點(diǎn)會(huì )經(jīng)過(guò)補充處理，顯示效果得到增強�？梢栽黾宇A觸發(fā)，使在觸發(fā)點(diǎn)之前也能觀(guān)察到結果。目前大多數數字示波器也提供自動(dòng)參數測量，使測量過(guò)程得到簡(jiǎn)化。
　　
　　DSO 提供高性能處理單脈沖信號和多通道的能力(參看圖17)。DSO是低重復率或者單脈沖、高速、多通道設計應用的完美工具。在數字設計實(shí)踐中，工程師常常同時(shí)檢查四路甚至更多的信號，而DSO則成為標準的合作伙伴。
　　
　　數字熒光示波器
　　
　　數字熒光示波器(DPO)為示波器系列增加了一種新的類(lèi)型。DPO的體系結構使之能提供獨特的捕獲和顯示能力，加速重構信號。DSO 使用串行處理的體協(xié)結構來(lái)捕獲、顯示和分析信號;相對而言，DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結構，如圖18所示。DPO采用 ASIC硬件構架捕獲波形圖象，提供高速率的波形采集率，信號的可視化程度很高。它增加了證明數字系統中的瞬態(tài)事件的可能性。隨后將對該并行處理體系結構進(jìn)行闡述。
　　
　　串行處理體系結構
　　
　　DPO的第一階段(輸入)與模擬示波器相似(垂直放大器)，第二階段與DSO 相似(ADC)。但是，在模數轉換后，DPO與原來(lái)的示波器相比就有顯著(zhù)的不同之處。
　　
　　對所有的示波器而言，包括模擬、DSO和DPO示波器，都存在著(zhù)釋抑時(shí)間。在這段時(shí)間內，儀器處理最近捕獲的數據，重置系統，等待下一觸發(fā)事件的發(fā)生。在這段時(shí)間內，示波器對所有信號都是視而不見(jiàn)的。隨著(zhù)釋抑時(shí)間的增加，對查看到低頻度和低重復事件的可能性就會(huì )降低。
　　
　　請注意，由顯示的更新速率簡(jiǎn)單地推斷采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠顯示更新速率，就確認示波器能采集到波形的所有相關(guān)信息，那么是很容易犯錯誤的，因為，實(shí)際上示波器并沒(méi)有作到。數字存儲示波器串行處理采集到的波形。由于微處理器限制著(zhù)波形的采集速率，所以微處理器是串行處理的瓶頸。
　　
　　DPO把數字化的波形數據進(jìn)一步光柵化，存入熒光數據庫中。每1/30秒，這大約是人類(lèi)眼睛能夠覺(jué)察到的最快速度，存儲到數據庫中的信號圖象直接送到顯示系統。波形數據直接光柵化，以及直接把數據庫數據拷貝到顯存中，兩者共同作用，改變了其他體系在數據處理方面的瓶頸。結果是增加了“使用時(shí)間”，增強顯示更新能力。信號細節、間斷事件和信號的動(dòng)態(tài)特性都能實(shí)時(shí)采集。DPO微處理器與集成的捕獲系統一道并行工作，完成顯示管理、自動(dòng)測量和設備調節控制工作，同時(shí)，又不影響示波器的捕獲速度。
　　
　　DPO如實(shí)地仿真模擬示波器最好的顯示屬性，并在三維顯示信號：時(shí)間、幅度和以時(shí)間為參變量的幅度變化，三者都是實(shí)時(shí)的。模擬示波器依靠化學(xué)熒光物質(zhì)，與此不同，DPO使用完全的電子數字熒光，其實(shí)質(zhì)是不斷更新的數據庫。針對示波器顯示屏幕的每一個(gè)點(diǎn)，數據庫中都有獨立的“單元(cell)”。一旦采集到波形(即示波器一觸發(fā))，波形就映射到數字熒光數據庫的單元組內。每一個(gè)單元代表著(zhù)屏幕中的某位置。當波形涉及到該單元，單元內部就加入亮度信息;沒(méi)有涉及到則不加入。因此，如果波形經(jīng)常掃過(guò)的地方，亮度信息在單元內會(huì )逐步累積。
　　
　　當數字熒光數據庫傳送到示波器的顯示屏幕后，根據各點(diǎn)發(fā)生的信號頻率的比例，顯示屏展示加入亮度形式的波形區域，這與模擬示波器的亮度級特性非常類(lèi)似。DPO也可以顯示不斷變化的發(fā)生頻率的信息，顯示屏對不同的信息呈現不同的顏色，這一點(diǎn)與模擬示波器不同。利用DPO，可以比較由不同觸發(fā)器產(chǎn)生的波形之間的異同，例如，比較某波形與第100 號觸發(fā)器產(chǎn)生波形的區別。
　　
　　數字熒光示波器(DPO)突破模擬和數字示波器技術(shù)之間的障礙。它同時(shí)適合觀(guān)察高頻和低頻信號、重復波形，以及實(shí)時(shí)的信號變化。只有DPO 實(shí)時(shí)提供Z(亮度)軸，常規的DSO 已經(jīng)喪失了這一功能。
　　
　　對那些需要最好的通用設計和故障檢測工具以適合大范圍應用的人來(lái)說(shuō)，DPO是一個(gè)理想工具。DPO典型應用有：通信模板測試，中斷信號的數字調試，重復的數字設計和定時(shí)應用。
　　
　　數字采樣示波器
　　
　　當測量高頻信號時(shí)，示波器也許不能在一次掃描中采集足夠的樣值。如果需要正確采集頻率遠遠高于示波器采樣頻率的信號，那么數字采樣示波器是一個(gè)不錯的選擇(參看圖21)。這種示波器采集測量信號的能力要比其他類(lèi)型的示波器高一個(gè)數量級。在測量重復信號時(shí)，它能達到的帶寬以及高速定時(shí)都十倍于其他示波器。連續等效時(shí)間采樣示波器能達到50GHz 的帶寬。
　　
　　與數字存儲和數字熒光示波器體系結構不同，在數字采樣示波器的體系結構中，置換了衰減器/ 放大器于采樣橋的位置，參照圖20。在衰減或放大之前對輸入信號進(jìn)行采樣。由于采樣門(mén)電路的作用，經(jīng)過(guò)采樣橋以后的信號的頻率已經(jīng)變低，因此可以采用低帶寬放大器，其結果，整個(gè)儀器的帶寬得到增加。
　　
　　然而，采樣示波器帶寬的增加帶來(lái)的負面影響是動(dòng)態(tài)范圍的限制。由于在采樣門(mén)電路之前沒(méi)有衰減器/ 放大器，所以不能對輸入信號進(jìn)行縮放。所有時(shí)刻的輸入信號都不能超過(guò)采樣橋滿(mǎn)動(dòng)態(tài)范圍。因此，大多數采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍都限制在1V 的峰值- 峰值。另一方面，數字存儲和數字熒光示波器卻能夠處理50 到100 伏特的輸入。
　　
　　另外，采樣橋的前面不能增加保護二極管，否則會(huì )限制帶寬。因此，采樣示波器的安全輸入電壓大約只有3V，相對而言，其他示波器可以高達500V。