示波器工作原理

概述自然界存在着各种形式的波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的频率，并因为频率的不同呈现出不同的颜色。通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器，我们就能够“观察”随时间变化的事件。示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1所示。示波器什么是示波器，它是如何工作的？示波器是一种形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是基本的电子测量仪器，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称亮度为Z轴。(参看图2)这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：►信号的时间和电压值►振荡信号的频率►信号所代表电路的“变化部分”►信号的特定部分相对于其他部分的区别►是否存在故障部件使信号产生失真►信号的直流值(DC)和交流值(AC)►信号的噪声值和噪声是否随时间变化►图2.显示波形的X、Y和Z分量理解波形和波形的测量通常把随时间重复的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都具有重复的特点。示波器测量的是电压波形。波的周期是波动重复的部分。波形是波的图形表现形式。电压波形描述水平方向的时间和垂直方向的电压。波形能够揭示信号的许多特性。当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化。当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变化。平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更。图3提供出普通波形图，而图4展示出这些普通波形的来源。波的类型大多数波都属于如下类型：►正弦波►方波和矩形波►三角波和锯齿波►阶跃波和脉冲波►周期和非周期信号►同步和异步信号►复杂波正弦波有几个原因说明正弦波是基本波形。它具有和谐的数学特性，与正弦函数曲线的形状一样。房间墙角的电源出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。信号发生器振荡电路产生的测试信号通常就是正弦波。大多数AC电源产生的是正弦波。（AC表示的是交流，实际上电压值也在改变。DC表示的是直流，同时意味着稳定的电流和电压，电池产生的就是DC。）衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例，它随时间而衰减。图5是正弦波和衰减的正弦波的示例。方波和矩形波方波是另一种常见的波形。从本质上看，方波是以相同的时间间隔，不停开关的电压（或者不断为高低值）。它是测试放大器的标准波形，好的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。电视、广播和计算机电路中经常使用方波作为定时信号。矩形波与方波类似，不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。在分析数字电路时，矩形波非常有用。图6是方波和矩形波的示例。锯齿波和三角波锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。例如，模拟示波器的水平扫描，或者电视的光栅扫描。这类波形以恒定速率对电压电平值进行转换。这些渐增过程称为斜坡信号。图7是锯齿波和三波的示例。阶跃波和脉冲波阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生，并且是非周期信号。这类信号被称为单脉冲或瞬时信号。阶跃波指示的是电压的突然变化，打开电源开关时电压的情况即是如此。脉冲指的是电压的突然的两次变化，打开电源开关马上又关闭时，产生的电压波形就是脉冲。在计算机电路进行传输时，一个脉冲可以表示信息的一位。一系列传输脉冲的集合成为脉冲序列。计算机的数字部件通过脉冲进行相互通信。图8是阶跃波、脉冲波和脉冲序列的示例。周期信号和非周期信号不断重复的信号称为周期信号，而不断变化的信号称为非周期信号。静止图象与周期信号相似，而移动图象则与非周期信号等同。同步信号和异步信号如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。举例来说，计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说，接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。复杂波一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，信号的信息可以置入幅值、相位中，可能还置入频率变量当中。例如，图9表示的是平常的复合视频信号，但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子，理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号，需要用示波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。对于如图9所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。波形测量使用示波器时有许多测量参数。下面对一些常见的测量参数进行说明。频率和周期不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时间内信号重复的次数。称为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即(1/周期)等于频率，同理(1/频率)等于周期。例如，如图10所示，该正弦信号的频率是3Hz，而周期是1/3秒。电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值-峰值。幅度幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。图11所示的波形的幅度为1V，而电压的峰值-峰值为2V。相位参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。参照图11，一个圆的度数是360°,而正弦波的一个周期也是360°。为描述经过的周期数，可以参照正弦波的相位的角度。相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图12中，标号为“电压”的波形比标号为“电流”的波形超前90°，因为两者到达同一点刚好相差1/4周（360°/4=90°）。在电子学中，相移比较普遍。利用数字示波器对波形进行测量现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮，以及基于屏幕的菜单，可方便选择全自动的测量参数。包括幅值、周期、上升/下降时间，等等。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说，读取的数值可能比直接利用指针式工具的测量更为准确。一些数字荧光示波器用到的全自动波形测量参数有：►周期►频率►宽度＋►宽度－►上升时间►下降时间►幅度►消光率►平均光功率►占空比＋►占空比－►延迟►相位►突发宽度►峰值-峰值►均值►周期均值►周期区►高►低►最小值►最大值►过冲＋►过冲－►均方值►周期均方值示波器的类型电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而CD播放器是属于数字设备。同样，示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。模拟示波器在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。CRT限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。图13描述模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度（对伏特/格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。模拟示波器波形显示原理只在竖直偏转板上加正弦电压的情形只在水平偏转板上加一锯齿波电压的情形示波器显示正弦波原理图被测信号需经过触发系统，启动或触发水平扫描。水平扫描产生亮点在屏幕中水平移动的行为。触发水平扫描后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。触发器能够实现稳定重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。参照图14。另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。为显示“实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。数字示波器与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。（参看图15。）数字示波器分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。数字的手段则意味着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为-3dB点。对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。数字存储示波器常规的数字示波器是数字存储示波器（DSO）。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。数字存储示波器（DSO）便于捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。波形没有必要是连续的；即使信号已经消失，仍能够显示出来。与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。然而，DSO没有实时的亮度级；因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图16所示。随后将对串行处理体系作讲解。串行处理体系结构与模拟示波器一样，DSO第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使之在触发点之前也能观察到结果。目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到