玩轉示波器從這裡開始

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内容摘要：電子行業的快速發展給測量儀器、儀表裝置帶來了前所未有的機遇，就拿數字示波器來說，國内外許多生産廠家都看準了示波器這一領域的蘊藏的機遇，示波器也成為工程師們不可或缺的測量儀器，怎樣選擇适合自己的示波器以及如何樹立正确的使用示波器觀念在用示波器測量調試信号系統時顯得格外重要，本文主要針對示波器最基本但也最重要的幾個名額和概念幫助讀者更好地了解示波器和掌握選擇示波器的權衡方法。

在科技發達資訊化社會示波器可以說是任何設計、制造或是維修電子裝置的必備之物。從設計研發到檢測使用，工程師們需要一雙“慧眼”，這雙眼能夠快速而精确發現問題以幫助工程師們更好的解決測量疑難。面對當今各種測量挑戰，示波器當之無愧的被工程師們稱為能夠滿足要求并且能夠勝任工作的最佳關鍵工具。

示波器的用途不僅僅局限于電子領域。示波器利用信号變換器，适用于各種各樣的實體現象。信号變換器能夠響應各種實體激勵源，使之轉變為電信号，包括聲音、機械應力、壓力、光、熱。麥克風屬于信号變換器，它實作把聲音轉變為電信号。從實體學家到電視維修人員，各種人士都使用示波器。汽車工程師使用示波器來測量發動機的振動。醫師使用示波器測量腦電波。描述示波器的用途是沒有止境的。如何選擇和評判一個示波器的優劣也成了工程師們一個不可不知的常識，玩轉好示波器不可不知一些很基本但很重要的知識。接下來先對示波器的三大關鍵名額進行簡單介紹說明。

帶寬

帶寬、采樣率和存儲深度是數字示波器的三大關鍵名額。帶寬一直被稱作示波器的第一性能名額，也成了決定示波器價格很重要的因素，市場上也把帶寬作為一個劃分依據，通常所說的帶寬在無特别說明情況下一般指模拟放大器的帶寬，也就是常說的-3dB截止頻率點。示波器面闆上标稱的帶寬就是我們常說的示波器帶寬。究竟什麼是示波器的帶寬我們可以這樣來了解：在示波器輸入端輸入正弦波信号時，幅度衰減至原信号幅度的0.707倍的那個頻率點，稱之為示波器帶寬。也就是說，假如一個示波器的帶寬為100MHz的話，用它測試一個頻率為100MHz，振幅為1Vpp的信号時，最後所測的信号幅度隻有100MHz，0.707Vpp了。

帶寬限制對信号的捕獲、重構信号和信号的完整性會産生很大影響，具體展現在：被測信号的上升沿變緩；信号的頻率分量會減少；信号的相位會失真。示波器帶寬通常是被測信号頻率的3-5倍，這樣才能保證被測信号不失真，具體用多大帶寬的示波器取決于被測信号的類型和您做希望的準确度。

采樣率

計算機處理的是離散的數字信号，同樣模拟電壓信号進入示波器後也要進行模數轉換變成數字信号，我們把從連續信号到離散信号的轉化過程叫作采樣。模拟信号隻有經過采樣、量化、編碼才能被計算機識别和處理。采樣是數字示波器分析處理信号的基礎。通過測量等時間間隔波形的電壓幅值，并把該電壓轉化為用八位二進制代碼表示的數字資訊，這就是數字存儲示波器的采樣。示波器采樣率越快，那麼重建出來的波形就越接近原始信号，重要資訊和事件丢失的機率就越小。采樣率（sampling rate）就是采樣時間間隔。比如，如果示波器的采樣率是每秒10G次（10GSa/s），則意味着每100ps進行一次采樣。根據Nyquist采樣定理，當對一個最高頻率為f 的帶限信号進行采樣時，采樣頻率SF必須大于f 的兩倍以上（SF≥2f）才能確定從采樣值完全重構原來的信号。而這個定理是機遇無限長時間和連續的信号，通常采用兩倍于最高頻率成分的采樣速率是不夠的。

當我們選擇使用示波器時，對于特定的帶寬選取多大的采樣率還取決于采樣模式，現在的數字示波器通常采用兩種基本的采樣方式：實時采樣和等效采樣。等效采樣進一步又可分為随即和重複兩類，等效采樣這兩類采樣都要求信号時重複并且能夠穩定觸發的。在這兩大類模式下也有其它采樣模式的分法，如麥科信公司生産的MS500系列示波器支援四種采樣模式（有的也稱捕獲模式）：正常、平均、峰值和包絡。正常采樣模式是訓示波器按照相等的時間間隔對信号進行采樣建立波形；平均采樣是訓示波器對多次采樣的波形作平均處理，然後産生最後的波形。平均采樣模式可以減少顯示信号中随機或不相關的噪音；峰值采樣模式是訓示波器使用兩個連續捕獲間隔中包含的所有取樣的最高點和最低點，并把這些值當做相關的波形點，這種模式可以有效的擷取可能丢失的窄脈沖和毛刺探測，但顯示的噪聲比較大；包絡模式是訓示波器對多次采樣的波形重新組合進行疊加，在指定的N此采集中，對每個相同位置捕獲其最大值和最小值并加以顯示。

存儲深度

作為數字示波器的第三大關鍵名額，存儲深度是不可不提到的，存儲深度是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。對于數字存儲示波器最大存儲深度是一定的，但是在實際測試中所使用的存儲深度是可調的。

存儲深度等于存儲速率和存儲時間的乘積，提高示波器的存儲深度可以間接提高示波器的采樣率，如果在存儲深度固定的情況下，如果要采集長時間段的波形，隻能以降低采樣率作為代價，可這又會導緻波形品質的下降，如果提高存儲深度，可以提高采樣率以擷取不失真的波形。MS500系列采用240K高存儲深度，對高速和長時間信号依然能夠可以保持1G/s的采樣率，保證信号的準确度，具備同時分析高頻和低頻現象的能力，高存儲深度使得該款示波器在FFT和高速串行信号能夠應付自如。

為了更好的了解示波器，一些性能術語的了解也是相當重要的，下面對于示波器的性能術語加以簡單介紹。

觸發

說到示波器不得不提到觸發的概念，正确的了解觸發概念對于更好更正确的使用示波器至關重要，數字示波器與很多豐富的觸發功能，國産手持式多功能示波器Micsig品牌MS500系列支援的觸發類型包括邊沿、脈寬、邏輯、視訊和串行總線。使用者可通過對觸發條件的設定觀察到觸發前或者觸發後的波形，測量低速信号中的幹擾和奇怪信号就要通過觸發來隔離。觸發的功能簡單地說就是隔離波形和同步波形兩種作用，隔離就是在觸發位置隔離的波形是滿足觸發的波形，同步就是穩定輸出波形，讓波形不再晃動，網上有一篇專門介紹觸發的文章說的很通俗，更好更清楚的了解觸發就得對觸發有關的觸發源、觸發點、觸發電平和觸發模式有所了解。

觸發源就是選擇哪條通道作為觸發對象，觸發源可以選擇示波器的任一通道也可以設定外部信号作為觸發信号源；觸發點也就是所說的觸發位置，調節觸發位置可以觀察觸發之前或者觸發之後的波形，按一下MS500示波器上的“50%”快捷鍵可以快速把觸發位置調節到水準中央位置；觸發電平是設定觸發點所對應的信号電壓，信号隻有達到所設定的觸發電平才能被觸發。

觸發模式一般有自動（Auto）、正常（Normal）和單次（Single），有些人會把停止（Stop）作為第四種觸發模式。正常模式是指不論是否滿足觸發條件都有波形顯示，都實時重新整理顯示波形；正常模式指僅在有效觸發事件時才觸發顯示，否則波形會靜止在上一次捕獲的波形圖上，對于麥科信手持式示波器MS500系列示波器螢幕右上角會顯示“等待觸發”提示。單次模式就是捕獲第一次滿足觸發條件的信号波形，捕獲後就顯示停止狀态，停止模式就是讓信号強制靜止狀态。

此外還有觸發耦合方式和觸發抑制時間，麥科信示波器的觸發耦合方式有直流、交流、高頻抑制、低頻抑制、噪聲抑制耦合方式。觸發抑制時間是訓示波器重新觸發所等待的時間。在抑制結束之前，示波器不會再觸發。

波形重新整理率

波形重新整理率也就是波形捕獲率是訓示波器每秒鐘可以顯示多少條波形，示波器的“死區”時間訓示波器對已采集到的波形進行處理和顯示的時間，在此時間，示波器不采集信号。普通示波器的“死區”時間遠遠大于“顯示區”的時間，這就讓絕大部分時間的信号沒被顯示，導緻無法觀察到異常信号。而MS500系列的手持式示波器的重新整理率可以達到19萬次/秒，高重新整理率示波器則大大減少了死區時間，進而能夠迅速準确的發現異常信号，真正實作“看見”一般示波器“看不見”的事件。

垂直分辨率

數字示波器的垂直分辨率指的是模數轉換器的垂直分辨率，用來衡量示波器将輸入電壓轉化為數字值的精确程度，通常用A/D的位數來表示，比起工程師談的更多的是示波器的帶寬和采樣率，一般很少談到分辨率。一般各個廠家生産的實時示波器ADC位數大都為8位，故而極少提及垂直分辨率，MS500系列是9位的垂直分辨率，一般實時示波器由于采樣率高，ADC位數很難提高，在需要高分辨率測量的場合經常由低采樣率的資料采集卡實作。而Micsig示波器在具備1G/s的采樣率情況下，其ADC位數達到9位，使其在測量和分析微笑變化的信号也能盡可能減小量化誤差。而且整個機器尺寸才是254mm×160mm×60mm，重量包括電池也僅有1.66kg，在便攜式的前提下完全可以替代所有同帶寬台式示波器并具有台式示波器無法比拟的性能及優點。

關于示波器還有其他一些性能名額，讀者可以參照其他相關資料，并且可以從各示波器生産廠商那裡找到關于介紹示波器的文章，初學者若能把本文介紹這些概念能夠深刻了解并能加以消化吸收，對于了解示波器原理和更好的使用示波器，樹立正确的使用示波器的觀念和掌握選擇示波器的權衡方法都具有指導作用。也深知自己水準有限，難免有疏忽錯漏之處，寫下這篇文章，我也是誠惶誠恐，也借鑒了一些有關專家的觀點，隻希望對初學者能夠準确快速地題解示波器起到抛磚引玉的效果，同時也希望我的拙文能夠成為初學者乃至工程師們茅塞頓開的啟蒙之作。也誠心希望大家多提寶貴意見