示波器

示波器(英語:oscilloscope)是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。它能够将时变的电压信号,转换为时间域上的曲线,原来不可见的电氣信号,就此转换为在二维平面上直观可见光信号,因此能够分析电氣信号的时域性质。更高级的示波器,甚至能够对输入的时间信号,进行频谱分析,反映输入信号的频域特性。

示波器综述

外观

一個典型的示波器通常是盒狀屏幕,有多个输入连接,示波器至少包括探头、显示器和控制面板三部分。电压信号通过探头连接到示波器的输入端口,经过处理之后的波形就显示在显示器上。显示器一般为长方形,偶尔也有圆形,在表面标记有垂直的网格坐标。传统的示波器控制面板一般在示波器前部,分布有多个旋钮、按钮或开关,用于调整参数,目前最新的示波器——平板示波器采用全触控屏幕操作,外形如同iPad。

分类

示波器主要可以分为模拟示波器与数字示波器两类。

  • 模拟示波器主要基于阴极射线管,打出的电子束通过水平偏置和垂直偏置系统,打在屏幕的荧光物质上显示波形。
  • 数字示波器主要是通过ADC将模拟数字离散化并存入存储器,通过CPU或专用芯片进行处理后在屏幕上进行显示。原有的数字存储示波器对波形的捕获率较慢,随着技术及专用芯片的发展,现有数字存储示波器的波形捕获率已经可以达到每秒100万次,高于模拟示波器的40万次。 数字示波器又可分为
    • 数字存储示波器(DSO,Digital Storage Oscilloscope):将信号数字化后再建波形,具有记忆、存储被观测信号的功能,可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号,以及不同时间不同地点观测到的信号。
    • 数字荧光示波器(DPO,Digital Phosphor Oscilloscope):通过多层次辉度或彩色可显示长时间内信号。
    • 带宽、采样率和存储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信号失真,测试不准确。带宽指标主要体现在衰减器与放大器的指标。实时采样率体现出示波器的ADC的指标。采样率通常要大于等于带宽的4倍。存储深度影响观测时间的长短,另外也会影响到示波器的采样率。因为存储深度=采样率×观测时间,若观测时间较长(与水平观测时间相关),则采样率会下降。除此之外,波形捕获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,及扩展性也体现了示波器的性能。

      带宽选择实例: 已知条件:示波器主机1GHz,探头配置1.5GHz,被测信号200MHz(上升时间500ps)。

      示波器参数 参数值
      示波器上升时间 0.35/1GHz = 350ps
      探头上升时间 0.35/1.5GHz = 233ps
      整个测量系统上升时间 = 420ps
      整个测量系统实际带宽 0.35/420 = 833MHz
      实测信号所得上升时间 = 653ps
      实际测量误差 (653 – 500) / 500 = 30.6%

      发展趋势

      高性能与通用是示波器发展的两个趋势。体现高性能的例子是安捷倫科技的63GHz模擬帶寬、160GSa/s採樣的實時示波器,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实时采样率、4~40通道的任意通道示波器系统,大幅的優化了示波器的通道選擇性。另一个趋势是通用,将更多的功能集成到示波器中,常见的有将逻辑分析功能集成,形成混合型号示波器;将协议分析功能集成,最近安捷伦又将信号源集成到示波器中。力科也在全系列示波器中加上邏輯模組,随着技术的发展,也许示波器会集成越来越多的功能。

      世界主要厂商

      • 美国:泰克(Tektronix)、是德科技(Keysight,原安捷倫(Agilent)的電子仪器部門,再之前則是惠普(HP)的仪器部門)、福禄克(Fluke)、力科(LeCroy)、國家儀器(National Instruments)
      • 荷兰:飞利浦(Philips)(90年代其仪器部门与美国福禄克合并)
      • 德国:罗德与施瓦茨(R&S,Rohde & Schwarz,原HAMEG)
      • 英国:古尔德(GOULD,2014年結束營業)
      • 日本:日立(Hitachi)、菊水電子(KIKUSUI Electronics)、岩崎通信機(IWATSU ELECTRIC)、建伍(Kenwood/Trio)、利达(Leader)
      • 中国大陆:普源(Rigol)、鼎阳(Siglent)
      • 台灣:

        示波器主要由电源系统、同步系统、水平偏向系统、垂直偏向系统、延迟扫描系统、显示系统和标准信号源等部分组成。

        数字示波器

        由于数字科技的发達,已经讓示波器从传统的模拟式,发展到数字式。数字系统,给示波器带来了大量强大的特性。

        優於傳統的示波器之處:

        • 光明大屏幕彩色區分多重痕跡。
        • 等效時間採樣和平均跨連續樣品或掃描導致更高的分辨率降至第五。
        • 峰值檢測。
        • 預設觸發。
        • 易潘變焦和多個存儲痕跡讓初學者工作無觸發。

        大多數位式示波器的缺點是波形更新的速度過慢。但最近几年也有数字示波器的波形捕获率超过模拟示波器

        混合信號示波器

        混合信號示波器(MSO)有兩種輸入,一小部分(通常是2個或4個)的類比通道,更多(通常為16個)的部份是屬於數位通道;即,含邏輯分析儀的數位示波器,不過邏輯分析儀的功能非常弱,只做簡單時序分析和串行解碼用,無法和傳統邏輯分析儀的強大功能相比,適合只需簡單功能的應用。最新的混合信號示波器加入其它儀器元素,除示波器和邏輯分析儀外,還有串行信號解碼分析,任意波形發生器,數字電壓表功能。