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1、示波器的基本理论Bobo Bao09/14/20031目录n波和波形n什么是示波器n示波器的主要指标及其选择指南n数字示波器技术的发展2波和波形n什么是波n波的类型n波的参数n示波器是测量波的基本仪器3什么是波n随时间变化的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都是波n波形能够揭示信号的许多特性4波的类型n大多数波都属于如下类型：n正弦波n方波和矩形波n三角波和锯齿波n阶跃波和脉冲波n噪声波 n复杂波n还有很多波是上述波形的组合5波的类型n周期信号和非周期信号n同步信号和异步信号6波的参数n周期n频率n正脉冲宽度n负脉冲宽度n上升时间n下降时间n幅度n占空比n占空比n延迟8相位8突发宽度8峰
2、-峰值8均值8周期均值8高 低值8最小值8最大值8过冲(over shoot)8过冲(under shoot)7常见波形参数8幅度和相位n频率和周期8常见波形参数n相位差9示波器n自1946年Tektronix的Howard Vollum先生以其发明的触发电路，从而创造了第一部商用示波器至今已过了半个多世纪。示波器对工程师的重要性，如同眼睛对人类的重要一样。10什么是示波器n示波器是形象地显示信号随时间变化波形地仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。n示波器的用途：n电压表，电流表，功率计n频率计，相位计n脉冲特性，阻尼振荡n示波器的应用：n电子，电力，电工n压力，振动，
3、声，光，热，磁n以示波器为基础的仪器：n逻辑分析仪，时域反射仪，晶体管特性测试仪，心电图。11示波器的组成n水平系统n垂直系统n扫描系统n触发系统n显示系统12示波器的类型n模拟示波器n模拟数字混合示波器n数字示波器n数字荧光示波器n取样示波器13示波器的典型结构ARTDSODPO放大器放大器放大器放大器放大器放大器延迟线延迟线触发触发垂直垂直放大器放大器水平水平放大器放大器A/D多路多路分解器分解器采集信号采集信号存储器存储器uP显示显示存储器存储器数字数字荧光器荧光器A/DuP模拟实时显示串行处理并行处理14示波器的主要指标n示波器的带宽n数字示波器的采样率n示波器的触发和信号存储n先进的
4、DPO技术15带宽是选择示波器的第一参数n示波器的结构决定了带宽的重要性：n放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽；放大器是信号进入示波器的大门，它的带宽决定了示波器的带宽，示波器能请进什么样的信号由这个大门来决定。n数字示波器的带宽也是模拟带宽16带宽n测量AC波形的仪表通常有某种最大频率，超过它，测量精度就会下降，这一频率就是仪表的带宽，它由仪器的幅频特性决定。定义：在幅频特性中，仪表的灵敏度下降3dB，此时的频率为仪表的带宽。17带宽注：只能测量注：只能测量ACAC电压的仪表，必须对高频和电压的仪表，必须对高频和低频带宽都加考虑。低频带宽都加考虑。100%（0dB）71%（-3dB）仪表的带
5、宽（仪表的带宽（BW） 只能测量只能测量低频交流的仪低频交流的仪表在处也下滑表在处也下滑。幅频特性曲线幅频特性曲线18选择示波器的带宽依据n以谐波情况为核心选择示波器；n以上升沿情况选择示波器；19谐波除绝对的正弦波之外，周期波含的一切频率分量称谐波。谐波频率是基波频的整数倍。周期波无论其波形如何都有谐波。周期波给定的频率为基波频率。 方波方波基波为正弦波基波为正弦波20以方波为例n方波是由基波与无数奇次谐波叠加所构成，包含的谐波越多，波形越近似方波。n方波的质量根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同。n每个谐波的幅度必须使波形成为方波所需要的恰当值。n此外，谐波之间的相位关系也必须正确：谐波
6、以不等量延迟，即使谐波幅度正确，方波也会失真。21叠加叠加3次谐波次谐波 叠加叠加5次谐波次谐波基波基波叠加叠加7次谐波次谐波 叠加叠加9次谐波次谐波方波方波22由方波为例得知n正弦波只有一个基波，仪表的带宽必须至少是波形的频率。n但是，在大多数情况下，这仅仅是最基本的，如果只是这样，是不够精确的，甚至是错误的。n要对波形进行准确的测量，对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。假如组成波形的主要谐波分量超出仪表的带宽，那么我们就不能精确地测得波形的参数。23仪器带宽对测量波形影响测量测量20MHz的方波的方波在在200MHz带宽示波器测试带宽示波器测试所显示的结果所显示的结果在在20MHz带宽示波
7、器测试所带宽示波器测试所显示的结果显示的结果示波器所显示的波形示波器所显示的波形24带宽对方波的影响n带宽如何在时域影响波形。n信号进入示波器首先是通过放大器，它是一个低通滤波器。n放大器的带宽很宽（和基波比较），输出方波不表现失真。n放大器的带宽变窄，波形中的某些谐波不能通过，输出的方波发生畸变，产生误差。n放大器带宽很窄，输出的几乎完全不像方波，由于缺少主要的谐波分量，波形呈圆弧状。25低通滤波器低通滤波器高带宽时的输高带宽时的输出出中带宽时的输出中带宽时的输出低带宽时的输低带宽时的输出出输入输入输出输出26波形的谐波与测量精度的关系 波 形 重要谐波数（基波10） 正弦波 无谐波分量 方
8、 波 1:9 三角波 1:3脉冲波（占空比50） 1:9脉冲波（占空比25） 1:14脉冲波（占空比10） 1:26注：列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：27上升时间理想的方波和脉冲波的电压是有突然变化的波形，陡变有一定时间这取决于系统带宽及其他电路参数。波形从一种电压变至另一种电压的时间称为上升时间上升时间通常在过渡的10至90处9010上升时间测量上升时间测量28上升延同带宽的关系n测量仪表的带宽将影响脉冲和方波的上升时间，上升时间和带宽的关系由下式决定：T上升0.35/BWBW=带宽（3dB时的频率）（单位Hz）n波形从最小值过渡到最大值越快，所含谐波就越多，波形所含的频率量也越高。n
9、仪表的上升时间应小于被测量信号波形的上升时间。测量所得的上升时间测量所得的上升时间 信号上升时间信号上升时间2测量仪表上升时间测量仪表上升时间229波形上升时间与测量精度的关系信号上升时间仪表上升时间之比信号上升时间仪表上升时间之比 上升时间测量精度上升时间测量精度1:1 41%2:1 22% 3:1 12%4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%30总结：选择示波器的带宽 波形的重要谐波波形的重要谐波列出的影响波形的谐波数是基波的倍数：列出的影响波形的谐波数是基波的倍数： 波波 形形 重要谐波数（基波重要谐波数（基波10）正弦波正弦波 1:1方方 波波 1:9三角波三角波
10、 1:3脉冲波（占空比脉冲波（占空比50） 1:9脉冲波（占空比脉冲波（占空比25） 1:14脉冲波（占空比脉冲波（占空比10） 1:26 （ 正弦波基波为：正弦波基波为：1 ） 上升时间与测量精度上升时间与测量精度信号上升时间信号上升时间 上升时间上升时间 仪表上升时间仪表上升时间 测量精度测量精度 之比之比 1:1 41% 2:1 22% 3:1 12% 4:1 5% 5:1 2% 7:1 1% 10:1 0.5%31采样采样是等间隔地进行；采样率以 “点/秒”来表示。采样点采样点数字化需要的数字化需要的保持时间保持时间采样间隔采样间隔32采样过程采样时发生了什么？采样时发生了什么？采样过
11、程n模拟信号转化为数字信号经变换后最终恢复成模拟波形显示在示波器上，通俗地说，采样实际上是在用点来描绘进入示波器的模拟信号。n“死区”指的是仪表不捕获信号的时间，如：数字化过程、数据处理过程，模拟示波器的回扫过程n数据存储到存储器中，还可以进行预触发，后触发的观察与分析。34采样率对单次信号的捕获的影响数字实时采样技术轻易地捕数字实时采样技术轻易地捕捉到捉到5 5nsns的毛刺的毛刺最小水平时基为最小水平时基为100100nsns，即未能即未能对单次毛刺进行捕捉对单次毛刺进行捕捉35单次采集带宽单次采样带宽也就是我们常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了
12、所构建的单次波形的完整性 。 波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。36幅度幅度时间时间 对于单次事件，示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍从而保证信号在恢复时不发生混迭现象。37总结：采样率的选择n我们在确定示波器的带宽后，还要选择足够的采样率来与之相配合，这样才能获得适合于实际测量中的实时带宽，从而获得满意的测量结果。n如果在实际的测量中，比较重视单次信号的精确信息，我们建议采样率要在带宽的五倍以上，最好能在八到十倍。38示波器的触发n触发电路的作用就是保证每次时基在屏幕上扫描的时候，都从输入信号上与定义的触
13、发点相同的点开始，这样每一次扫描的波形就同步的，从而显示稳定的波形，见图b/c；没有触发电路在屏幕上看到的将会是具有随机起点的很多波形杂乱重叠的图象，见图a 。n触发是使用示波器最麻烦的一点，示波器提供了许多触发方式，可根据测量问题加以应用。n作为数字示波器来说，触发实际上参与了确定波形的存储起点。不正常触发不正常触发正常触发正常触发abc12339触发耦合n触发耦合：触发信号与触发电路的耦合方式n默认时为直接耦合，触发源直接连到触发电路n非直接耦合：触发源通过一个串联的电容连到触发电路nHF抑制：使触发源信号通过低通滤波器以抑制高频分量，这意味即使一个低频信号中包含很多高频噪声，仍能使其按低
14、频信号触发。nLF抑制：使触发源信号通过一个高通滤波器以抑制其低频成分，这对于显示包含很多电源交流声的信号时的情况是很有用的。nTV触发：在TV模式下触发电平控制不起作用。这时示波器使用视频信号中的同步脉冲作为触发信号。TV触发有两种模式，TVF 场和TVL行n数字示波器的高级触发功：单次、毛刺、宽度、欠幅脉冲、斜率、建立/保持逻辑（定时关系和状态分析）TV（可选场/行和行计数）40触发隔离（Hold off）n有些信号具有多个可能的触发点，如下图数字信号。该信号虽然在较长的时间周期内是重复的，但是在短时间内情况则不然，这样一来，正常触发扫描出的波形出现混迭。n为解决这个问题，采用了触发隔离功
15、能，即在各次扫描之间加入延迟时基，使得扫描的每次触发总是从相同的信号沿开始。从而得到稳定的波形显示。n另一方面，触发隔离的使用显然在波形捕获方面遭到了损失。41隔离时间过短波形混迭隔离时间过短波形混迭正确隔离时间正确隔离时间42数字示波器的高级触发功能n高级触发功能的模式，主要针对数字信号：n 首先，对偶尔出现问题的信号现象进行预测；n 确定脉冲的受限状态况，以及安排用一个脉冲，或者是与这些状况相匹配的脉冲来触发。n具体形式有：n脉冲宽度触发；n矮脉冲触发；n脉冲斜率触发；n逻辑触发n建立/保持时间触发43记录长度n定义：一个波形记录是指可被示波器一次性采集的波形点数。n最大的记录长度由示波器
16、的存储容量决定，要增加存储容量才能增加记录长度。n记录长度和观看波形细节有关：44波形的存储n示波器的存储由两个方面来完成：n触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起点；n示波器的存储深度决定了数据存储的终点。触发点触发点延时时间延时时间记忆长度记忆长度起点起点终点终点45预触发 其他方面应用如其他方面应用如 ：开关特性输入和输出瞬态特性，以输出信号触发来：开关特性输入和输出瞬态特性，以输出信号触发来观看研究输入的小信号。观看研究输入的小信号。捕捕捉捉毛毛刺刺毛刺毛刺预触发预触发单次采样单次采样46单次信号的捕获应用广泛 实际工作中，比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、
17、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析，这些都是每天都要面对的。 （稳态和瞬态的分析）欠幅脉冲捕捉欠幅脉冲捕捉毛刺捕捉毛刺捕捉47数字示波器滚动模式n滚动模式是一种可以应用于全连续显示的方式在这种模式下，示波器采集采样点并立即将采集的数据复制到显示存储器。而这些新的采样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动。老的采样点一但移到屏幕左面即行消失。这样一来屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。n由于有了滚动模式，就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，如化学过程、电池的冲放电周期或温度对系统性能的影响等。48数字荧光示波器（DPO）
18、n1998年Tektronix终于出现了一款数字荧光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope)简称DPO。将“波形更新率”提升到每秒20万次如模拟示波器一样，并改进了显示技术，是一部纯数字的示波器。DPO在截取技术上一改过去的DSO串列式的处理方式，以平行运算方式提升截取速度增加波形更新率，并建立3D资料库。49数字荧光示波器（DPO）的 定义n 数字荧光示波器 能够以信号的三维信息，即：幅度，时间，以及幅度随时间的变化，实时地显示，存储与分析复杂信号的新一代示波器。 50波形的捕获的比较模拟示波器模拟示波器模拟示波器模拟示波器数字存储数字存储数字存储数字存储示波器示
19、波器示波器示波器数字荧光数字荧光示波器示波器51示波器的波形捕获率n波形捕获率也就是波形刷新率，已经成为考核一台示波器的重要参数之一；n对于示波器来说，波形捕获率高，就能够组织更大数据量的波形质量信息，尤其是在动态复杂信号和隐藏在正常信号下的异常波形的捕获方面，有着特别的作用。52为什么模拟示波器产品不能够n模拟示波器的缺点n只有纯粹的视觉信息n闪烁，丢失n带宽不够n只有边沿触发，无预触发 53为什么数字示波器产品不能够n普通数字示波器的缺点 n波形捕获率低n由于数据不够，造成混跌n2维数据显示不能表明事件发生频度54数学荧光示波器特点n将ART和DSO的定性和定量性能合二为一，是一项可观的成就。n提供三维的信号信息，可用它解释信号的动态特性，包括信号瞬态变化情况和事件频率，可精确地显示复杂信号，如视频信号或数字波形上的高速异常信号等。nDPO提供的信号数据远远多于DSO，可确保看到所有信号细节，；可防止出现数字混淆现象，并能够轻松地捕获偶发信号事件。55Q&A56
