示波器知识 | 什么是示波器？模拟和数字示波器区别？

系列文章目录

1.元件基础
2.电路设计
3.PCB设计
4.元件焊接
5.板子调试
6.程序设计
7.算法学习
8.编写exe
9.检测标准
10.项目举例
11.职业规划

1、什么是示波器？

示波器是一种电子测试和测量仪器，以 X-Y 图的形式以图形方式显示电信号。在这里，水平（X）表示时间，垂直（Y）轴表示电压大小。因此，示波器本质上显示电信号电压如何随时间变化的图表。因此，早期的示波器被称为示波器。

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万用表也测量电信号的电压，而示波器通过使用波形直观地表示信号，将这种测量提升到一个新的水平。通过绘制此类波形，可以轻松解释信号的基本属性，例如幅度、频率、周期、上升和下降时间等。

例如，如果您正在设计 12V 电源，万用表只能显示电源的输出是否为 12V。另一方面，示波器可以显示输出功率的波形，您可以在其中分析噪声、纹波、开关频率等，并进行任何改进或校正。

2、示波器简介

你还记得 CRT 电视吗？那些笨重的电视机有一个阴极射线管，负责在屏幕上显示图像。事实上，费迪南德·布劳恩在 1897 年开发第一台示波器时在阴极射线管上进行实验。1899年，Jonathan Zenneck通过添加波束形成板并应用线性水平偏转场开发了第一台示波器。

所有这些实验大多产生了实验室有用的设备，但在1931年，当V. K. Zworykin博士发表了一篇关于CRT的论文，解决了热阴极和真空的问题时，这种情况发生了变化。这最终导致通用无线电公司发布了第一台基于 CRT 的便携式示波器。

有趣的事实：由于最初的示波器是使用阴极射线管技术开发的，因此早期的示波器称为阴极射线示波器或简称CRO。术语“CRO”成为一个流行的行业术语，即使在今天，许多高级工程师使用CRO作为示波器的代名词，尽管大多数现代示波器都是带有LCD显示器的数字示波器。

半导体技术（处理器、存储器和数据转换器）、LCD 显示技术的发展以及 CRT 成本的增加使工程师们涉足数字示波器。大多数现代示波器被称为数字存储示波器（DSO），因为它们捕获并存储迹线以供重新调查。

3、示波器的类型

基本上，示波器有两种类型。

模拟

数字

这种分类只有在 1990 年代数字存储示波器开发后才变得重要。

4、什么是模拟示波器？

早期的CRO是模拟示波器。它们非常简单，因为不需要任何类型的信号处理，并且电信号显示为波形，就像使用高增益放大器一样。

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一个简单的CRO由CRT（阴极射线管）、垂直和水平放大器、触发单元、时基（扫描发生器）和电源组成。

5、什么是数字示波器？

模拟示波器和数字示波器之间的主要区别在于，在数字示波器中，模拟信号被捕获并使用模数转换器转换为数字信号。

使用数字示波器的优点是可以轻松地将数字数据存储在数字存储器中。这是数字存储示波器或DSO的主要功能，其中捕获部分迹线并可以在以后进行分析。

在使用LCD显示器之前，数字示波器仍然使用CRT来显示信号。这种示波器需要一个数模转换器将数字信号转换回模拟信号并显示在CRT上。但是对于LCD显示器，我们可以完全避免这一步，因为数字信号可以直接显示在LCD上（经过一些转换）。

数字示波器进一步分为：

数字存储示波器（DSO）

混合信号示波器（MSO）

数字荧光示波器（DPO）

混合域示波器（MDO）

数字采样示波器

6、示波器如何工作？

现在我们已经了解了什么是示波器和两种基本类型的示波器，现在让我们尝试了解示波器的工作原理。由于一般有模拟和数字示波器，我们将看到它们中的每一个是如何工作的。

①、模拟示波器

CRT 是所有模拟示波器的主要部分。如果我们能理解CRT的工作原理，那么我们就可以很容易地知道如何在CRT的屏幕上显示波形。下图显示了在 CRT 上显示波形所需的基本构建基块。

上框图中的垂直部分负责将主图像发送到CRT的垂直偏转板。垂直部分放大或衰减输入信号。水平部分负责电子束从左到右的运动。触发部分确定何时在CRT上绘制波形。

显示系统

下图显示了模拟示波器的简化显示系统。框图中的Z轴电路负责控制电子束的亮度。
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立式系统

模拟示波器的基本形式由衰减器、前置放大器、延迟线和主放大器组成。下图显示了示波器的垂直系统框图。

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垂直系统的衰减器部分衰减输入信号，还允许交流或直流耦合。前置放大器级负责改变信号的直流分量，因此，它允许改变走线的位置。垂直部分的延迟线可以显示信号的开头。

卧式系统

为了在示波器上正确显示信号，垂直和水平系统同样重要。虽然垂直系统负责信号的幅度部分，但水平系统带来了 2德·维度，即信号的时间方面。

水平系统向水平板提供偏转电压，以水平移动电子束。为此，扫描发生器电路生成锯齿（或斜坡）信号以控制光束的扫描速率。

下图显示了示波器水平系统的框图。锯齿或斜坡信号线性上升，可以测量两个事件之间的时间。扫描发生器经过及时校准，因此也称为时基。

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除了时基，前面的Z轴控制系统也是水平系统的一部分。

触发系统

示波器的最后一个重要部分是触发系统。该系统确定示波器在屏幕上绘制波形的时间。
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CRT的屏幕内部涂有磷，因此当电子撞击它时，屏幕会发光。水平系统负责将光束从左向右移动。当它到达屏幕的最右侧时，它会迅速返回左侧以再次启动该过程。此过程称为扫描（或跟踪或扫描）。

垂直系统负责垂直移动光束。示波器的触发系统确保波形的跟踪始终从屏幕上的同一点开始。

②、数字示波器

让我们以带有CRT的数字示波器为参考来了解其工作原理。下图显示了带有 CRT 显示屏的典型数字示波器的简化框图。
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主要区别在于示波器的垂直系统。因此，让我们只关注这一点，因为剩余的工作将与模拟示波器的工作相似。

在衰减和前置放大器级之后，使用ADC（模数转换器）将模拟信号转换为数字信号。然后将数字信号提供给处理单元，该处理单元执行一些信号处理（计算基本参数，将其存储在存储器中等）。为了在CRT上显示信号，必须在数模转换器的帮助下将数字信号转换回模拟信号。

7、示波器发展趋势

高性能与通用是示波器发展的两个趋势。体现高效能的例子是安捷伦科技的63GHz模拟带宽、160GSa/s采样的实时示波器，同时具有低噪声和高输入动态范围的特性，美国力科公司宣布了65GHz模拟带宽、160GS/s实时取样率、4~40通道的任意通道示波器系统，大幅的优化了示波器的通道选择性。另一个趋势是通用，将更多的功能整合到示波器中，常见的有将逻辑分析功能整合，形成混合型号示波器; 将协议分析功能整合，最近安捷伦又将讯号源整合到示波器中。力科也在全系列示波器中加上逻辑模组，随着技术的发展，也许示波器会整合越来越多的功能。

8、示波器基本指标（数字）

带宽、取样率和储存深度是示波器的三大技术指标。示波器的带宽定义为信号衰减3dB时的信号频率。若一台示波器带宽不够会导致看到的讯号失真，测试不准确。带宽指标主要体现在衰减器与放大器的指标。即时取样率体现出示波器的ADC的指标。取样率通常要大于等于带宽的4倍。储存深度影响观测时间的长短，另外也会影响到示波器的取样率。因为储存深度=取样率×观测时间，若观测时间较长（与水平观测时间相关），则取样率会下降。除此之外，波形撷取率和示波器响应速度，触发条件的多少，底噪的情况，使用的方便性，及扩充性也体现了示波器的效能。