示波器的工作原理和分類

示波器的工作原理和分類
示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測(cè)的交變電信號(hào)轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測(cè)量的電子測(cè)量?jī)x器。它是觀察數(shù)字電路實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)中的問題、測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源組成。1.1 示波管驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測(cè)試器| 電力計(jì)| 電力測(cè)量?jī)x| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)|  
　　　陰極射線管(CRT)簡(jiǎn)稱示波管，是示波器的核心。它將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個(gè)真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個(gè)完整的示波管。
電子設(shè)備可以劃分為兩類：模擬設(shè)備和數(shù)字設(shè)備。模擬設(shè)備的電壓變化連續(xù)，而數(shù)字設(shè)備處理的是代表電壓采樣的離散二元碼。傳統(tǒng)的電唱機(jī)是模擬設(shè)備，而CD 播放器是屬于數(shù)字設(shè)備。 
　　
　　同樣，示波器也能分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。但是，對(duì)于一些特定應(yīng)用，由于兩者具備的不同特性，每種類型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分，數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器( DSO)、數(shù)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(cè)量信號(hào)電壓，并通過從左到右穿過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(dāng)電子束水平掃過顯示器時(shí)，信號(hào)的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)，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 限制著模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方，信號(hào)呈現(xiàn)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的寫速度。當(dāng)信號(hào)頻率超過CRT的寫速度時(shí)，顯示出來的過于暗淡，難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。

數(shù)字熒光示波器DPO4054

數(shù)字熒光示波器DPO4104

TDS3000B系列數(shù)字熒光示波器

數(shù)字熒光示波器TDS3054B
　　
　　當(dāng)把示波器探頭和電路連接到一起后，電壓信號(hào)通過探頭到達(dá)示波器的垂直系統(tǒng)。圖13 圖解出模擬示波器是如何顯示被測(cè)信號(hào)。設(shè)置垂直標(biāo)度(對(duì)伏特/ 格進(jìn)行控制)后，衰減器能夠減小信號(hào)的電壓，而放大器可以增加信號(hào)電壓。
　　
　　隨后，信號(hào)直接到達(dá)CRT的垂直偏轉(zhuǎn)板。電壓作用于這些垂直偏轉(zhuǎn)板，引起亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)。亮點(diǎn)是由打在CRT內(nèi)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(yùn)動(dòng)，而負(fù)電壓引起點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。
　　
　　信號(hào)也經(jīng)過觸發(fā)系統(tǒng)，啟動(dòng)或觸發(fā)水平掃描。水平掃描是水平系統(tǒng)亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)的行為。觸發(fā)水平系統(tǒng)后，亮點(diǎn)以水平時(shí)基為基準(zhǔn)，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)心的線條。如果速度足夠高，亮點(diǎn)每秒鐘掃過屏幕的次數(shù)高到500000 次。
　　
　　水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)共同作用，形成顯示在屏幕上的信號(hào)圖象。觸發(fā)器能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)重復(fù)的信號(hào)，它確保掃描總是從重復(fù)信號(hào)的同一點(diǎn)開始，目的就是使呈現(xiàn)的圖象清晰。參照?qǐng)D14。
　　
　　另外，模擬示波器有對(duì)聚焦和亮度的控制，可調(diào)節(jié)出銳利和清晰的顯示結(jié)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(hào)，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(jí)這一特性。在信號(hào)出現(xiàn)越多的地方，軌跡就越亮。通過亮度級(jí)，僅觀察軌跡的亮度就能區(qū)別信號(hào)的細(xì)節(jié)。
　　
　　數(shù)字示波器
　　
　　與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器( ADC)把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止。隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。(參看圖15。)

數(shù)字儲(chǔ)存示波器GDS-2064

數(shù)位儲(chǔ)存示波器GDS-2204

數(shù)字儲(chǔ)存示波器GDS-2202

GDS-2102數(shù)字儲(chǔ)存示波器

GDS-2104數(shù)字儲(chǔ)存示波器
　　
　　數(shù)字示波器分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器( DSO)、數(shù)字熒光示波器( DPO)和采樣示波器。
　　
　　數(shù)字的手段則意味著，在示波器的顯示范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定、明亮和清晰地顯示任何頻率的波形。對(duì)重復(fù)的信號(hào)而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱之為3dB 點(diǎn)。對(duì)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(nèi)。為了解更多的細(xì)節(jié)，請(qǐng)參照性能術(shù)語和應(yīng)用部分的采樣率一節(jié)。
　　
　　數(shù)字存儲(chǔ)示波器
　　
　　常規(guī)的數(shù)字示波器是數(shù)字存儲(chǔ)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(shù)字存儲(chǔ)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，通常稱為瞬態(tài)現(xiàn)象。以數(shù)字形式表示波形信息，實(shí)際存儲(chǔ)的是二進(jìn)制序列。這樣，利用示波器本身或外部計(jì)算機(jī)，方便進(jìn)行分析、存檔、打印和其他的處理。波形沒有必要是連續(xù)的;即使信號(hào)已經(jīng)消失，仍能夠顯示出來。與模擬示波器不同的是，數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠持久地保留信號(hào)，可以擴(kuò)展波形處理方式。然而，DSO沒有實(shí)時(shí)的亮度級(jí);因此，他們不能表示實(shí)際信號(hào)中不同的亮度等級(jí)。組成DSO的一些子系統(tǒng)與模擬示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，因此它能夠收集顯示整個(gè)波形的數(shù)據(jù)。從捕獲信號(hào)到在屏幕上顯示波形，DSO采用串行的處理體系結(jié)構(gòu)，如圖16所示。隨后將對(duì)串行處理體系作講解。
　　
　　串行處理體系結(jié)構(gòu)
　　
　　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(tǒng)方便您調(diào)整幅度和位置范圍。緊接著，在水平系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器( ADC)部分，信號(hào)實(shí)時(shí)在離散點(diǎn)采樣，采樣位置的信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值稱為采樣點(diǎn)。該處理過程稱為信號(hào)數(shù)字化。水平系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘決定ADC采樣的頻度。該速率稱為采樣速率，表示為樣值每秒(S/s)。
　　
　　來自ADC的采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在捕獲存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，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(shù)量稱為記錄長(zhǎng)度。觸發(fā)系統(tǒng)決定記錄的起始和終止點(diǎn)。DSO信號(hào)通道中包括微處理器，被測(cè)信號(hào)在顯示之前要通過微處理器處理。微處理器處理信號(hào)，調(diào)整顯示運(yùn)行，管理前面板調(diào)節(jié)裝置，等等。信號(hào)通過顯存，最后顯示到示波器屏幕中。
　　
　　在示波器的能力范圍之內(nèi)，采樣點(diǎn)會(huì)經(jīng)過補(bǔ)充處理，顯示效果得到增強(qiáng)�？梢栽黾宇A(yù)觸發(fā)，使在觸發(fā)點(diǎn)之前也能觀察到結(jié)果。目前大多數(shù)數(shù)字示波器也提供自動(dòng)參數(shù)測(cè)量，使測(cè)量過程得到簡(jiǎn)化。
　　
　　DSO 提供高性能處理單脈沖信號(hào)和多通道的能力(參看圖17)。DSO是低重復(fù)率或者單脈沖、高速、多通道設(shè)計(jì)應(yīng)用的完美工具。在數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)踐中，工程師常常同時(shí)檢查四路甚至更多的信號(hào)，而DSO則成為標(biāo)準(zhǔn)的合作伙伴。
　　
　　數(shù)字熒光示波器
　　
　　數(shù)字熒光示波器(DPO)為示波器系列增加了一種新的類型。DPO的體系結(jié)構(gòu)使之能提供獨(dú)特的捕獲和顯示能力，加速重構(gòu)信號(hào)。DSO 使用串行處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲、顯示和分析信號(hào);相對(duì)而言，DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，如圖18所示。DPO采用 ASIC硬件構(gòu)架捕獲波形圖象，提供高速率的波形采集率，信號(hào)的可視化程度很高。它增加了證明數(shù)字系統(tǒng)中的瞬態(tài)事件的可能性。隨后將對(duì)該并行處理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。
　　
　　串行處理體系結(jié)構(gòu)
　　
　　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(shù)轉(zhuǎn)換后，DPO與原來的示波器相比就有顯著的不同之處。
　　
　　對(duì)所有的示波器而言，包括模擬、DSO和DPO示波器，都存在著釋抑時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，儀器處理最近捕獲的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)，等待下一觸發(fā)事件的發(fā)生。在這段時(shí)間內(nèi)，示波器對(duì)所有信號(hào)都是視而不見的。隨著釋抑時(shí)間的增加，對(duì)查看到低頻度和低重復(fù)事件的可能性就會(huì)降低。
　　
　　請(qǐng)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(rèn)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(cuò)誤的，因?yàn)�，�?shí)際上示波器并沒有作到。數(shù)字存儲(chǔ)示波器串行處理采集到的波形。由于微處理器限制著波形的采集速率，所以微處理器是串行處理的瓶頸。
　　
　　DPO把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)進(jìn)一步光柵化，存入熒光數(shù)據(jù)庫中。每1/30秒，這大約是人類眼睛能夠覺察到的最快速度，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中的信號(hào)圖象直接送到顯示系統(tǒng)。波形數(shù)據(jù)直接光柵化，以及直接把數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)拷貝到顯存中，兩者共同作用，改變了其他體系在數(shù)據(jù)處理方面的瓶頸。結(jié)果是增加了“使用時(shí)間”，增強(qiáng)顯示更新能力。信號(hào)細(xì)節(jié)、間斷事件和信號(hào)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(tǒng)一道并行工作，完成顯示管理、自動(dòng)測(cè)量和設(shè)備調(diào)節(jié)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(hào)：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(shù)字熒光，其實(shí)質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫。針對(duì)示波器顯示屏幕的每一個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫中都有獨(dú)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(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫的單元組內(nèi)。每一個(gè)單元代表著屏幕中的某位置。當(dāng)波形涉及到該單元，單元內(nèi)部就加入亮度信息;沒有涉及到則不加入。因此，如果波形經(jīng)常掃過的地方，亮度信息在單元內(nèi)會(huì)逐步累積。
　　
　　當(dāng)數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫傳送到示波器的顯示屏幕后，根據(jù)各點(diǎn)發(fā)生的信號(hào)頻率的比例，顯示屏展示加入亮度形式的波形區(qū)域，這與模擬示波器的亮度級(jí)特性非常類似。DPO也可以顯示不斷變化的發(fā)生頻率的信息，顯示屏對(duì)不同的信息呈現(xiàn)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(hào)觸發(fā)器產(chǎn)生波形的區(qū)別。
　　
　　數(shù)字熒光示波器(DPO)突破模擬和數(shù)字示波器技術(shù)之間的障礙。它同時(shí)適合觀察高頻和低頻信號(hào)、重復(fù)波形，以及實(shí)時(shí)的信號(hào)變化。只有DPO 實(shí)時(shí)提供Z(亮度)軸，常規(guī)的DSO 已經(jīng)喪失了這一功能。
　　
　　對(duì)那些需要最好的通用設(shè)計(jì)和故障檢測(cè)工具以適合大范圍應(yīng)用的人來說，DPO是一個(gè)理想工具。DPO典型應(yīng)用有：通信模板測(cè)試，中斷信號(hào)的數(shù)字調(diào)試，重復(fù)的數(shù)字設(shè)計(jì)和定時(shí)應(yīng)用。
　　
　　數(shù)字采樣示波器
　　
　　當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)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(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣頻率的信號(hào)，那么數(shù)字采樣示波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇(參看圖21)。這種示波器采集測(cè)量信號(hào)的能力要比其他類型的示波器高一個(gè)數(shù)量級(jí)。在測(cè)量重復(fù)信號(hào)時(shí)，它能達(dá)到的帶寬以及高速定時(shí)都十倍于其他示波器。連續(xù)等效時(shí)間采樣示波器能達(dá)到50GHz 的帶寬。
　　
　　與數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器體系結(jié)構(gòu)不同，在數(shù)字采樣示波器的體系結(jié)構(gòu)中，置換了衰減器/ 放大器于采樣橋的位置，參照?qǐng)D20。在衰減或放大之前對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣。由于采樣門電路的作用，經(jīng)過采樣橋以后的信號(hào)的頻率已經(jīng)變低，因此可以采用低帶寬放大器，其結(jié)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的負(fù)面影響是動(dòng)態(tài)范圍的限制。由于在采樣門電路之前沒有衰減器/ 放大器，所以不能對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行縮放。所有時(shí)刻的輸入信號(hào)都不能超過采樣橋滿動(dòng)態(tài)范圍。因此，大多數(shù)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(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)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(hù)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(duì)而言，其他示波器可以高達(dá)500V。