示波器基础指南.docx

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示波器基础指南

深入了解示波器

深入了解示波器

初级

目录

引言…………………………………………………………………………5

信号完整性…………………………………………………………………6

信号完整性的意义…………………………………………………………6

为什么要考虑信号完整性问题?

…………………………………………6

考虑数字信号的模拟特性…………………………………………………7

示波器………………………………………………………………………7

理解波形和波形的测量……………………………………………………8

信号的类型…………………………………………………………………8

正弦波………………………………………………………………………9

方波和矩形波………………………………………………………………9

锯齿波和三角波……………………………………………………………9

阶跃波和脉冲波……………………………………………………………9

周期信号和非周期信号…………………………………………………10

同步信号和异步信号……………………………………………………10

复杂波形…………………………………………………………………10

波形测量…………………………………………………………………10

频率和周期………………………………………………………………11

电压………………………………………………………………………11

幅度………………………………………………………………………11

相位………………………………………………………………………11

利用数字示波器对波形进行测量………………………………………11

示波器的类型……………………………………………………………12

模拟示波器………………………………………………………………13

数字示波器………………………………………………………………13

数字存储示波器…………………………………………………………14

数字荧光示波器…………………………………………………………15

数字采样示波器…………………………………………………………17

示波器的各个系统和控制………………………………………………17

垂直系统和控制…………………………………………………………17

位置和每刻度电压………………………………………………………18

输入耦合…………………………………………………………………18

带宽限制…………………………………………………………………19

交替和断续显示模式……………………………………………………19

水平系统和控制…………………………………………………………19

捕获控制…………………………………………………………………20

捕获模式…………………………………………………………………20

捕获系统的启动和终止…………………………………………………21

采样………………………………………………………………………21

采样控制…………………………………………………………………22

采样方式…………………………………………………………………22

实时采样…………………………………………………………………22

实时采样加内插

等时采样……………………………………………………………23

随机等时采样

顺序等时采样

位置和秒/格………………………………………………………………24

时基选择…………………………………………………………………24

缩放………………………………………………………………………24

XY模式……………………………………………………………………24

Z轴…………………………………………………………………………25

XYZ模式…………………………………………………………………25

触发系统和控制…………………………………………………………25

触发位置…………………………………………………………………26

触发电平和斜率…………………………………………………………26

触发源……………………………………………………………………27

触发模式…………………………………………………………………27

触发耦合…………………………………………………………………28

触发抑制…………………………………………………………………28

显示系统和控制…………………………………………………………28

其他示波器控制…………………………………………………………29

数学和测量操作…………………………………………………………29

完整的测量系统…………………………………………………………29

探头………………………………………………………………………29

无源探头…………………………………………………………………30

有源和差分探头…………………………………………………………30

探头附件…………………………………………………………………31

性能术语和应用…………………………………………………………31

带宽………………………………………………………………………31

上升时间…………………………………………………………………32

1

深入了解示波器

初级

采样速率…………………………………………………………………33

波形捕获速率……………………………………………………………33

记录长度…………………………………………………………………34

触发能力…………………………………………………………………34

有效比特…………………………………………………………………34

频率响应…………………………………………………………………34

垂直灵敏度………………………………………………………………35

扫描速度…………………………………………………………………35

增益精度…………………………………………………………………35

水平准确度（时间基准）………………………………………………35

垂直分辨率（模数转换器）……………………………………………35

互连性…………………………………………………………………35

可扩展性…………………………………………………………………36

易用性…………………………………………………………………36

探头………………………………………………………………………37

示波器的操作……………………………………………………………37

设置………………………………………………………………………37

将示波器接地……………………………………………………………37

将自己接地………………………………………………………………37

设置控制方式……………………………………………………………37

使用探头…………………………………………………………………38

连接地线夹子……………………………………………………………38

校正探头…………………………………………………………………39

示波器测量技术…………………………………………………………39

电压测量…………………………………………………………………39

时间和频率测量…………………………………………………………40

脉冲宽度和上升时间测量………………………………………………40

相移测量…………………………………………………………………41

其他测量技术……………………………………………………………41

书面作业…………………………………………………………………41

PartI………………………………………………………………………42

词汇练习——将右列中的定义所对应的字母填到左列中与其相符的词前

面。

………………………………………………………………………42

PartI………………………………………………………………………42

应用练习：

………………………………………………………………42

PartII………………………………………………………………………43

词汇练习——将右列中的定义所对应的字母填到左列中与其相符的词前

面。

………………………………………………………………………44

PartII………………………………………………………………………44

应用练习:

…………………………………………………………………44

答案………………………………………………………………………46

词汇表……………………………………………………………………47

2

深入了解示波器

初级

引言

自然界运行着各种形式的正弦波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气

中传播的声音，或者身体运转的自然节律。

物理世界里，能量、振动粒

子和不可见的力无处不在。

即使是光（波粒二象物质）也有自己的基

频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。

通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察

和研究。

有了示波器，科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人

能够“观察”随时间变化的事件。

示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。

当今世界瞬时

万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。

在工程

师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。

示波器的用途不仅仅局限于电子领域。

示波器利用信号变换器，适用于

各种各样的物理现象。

信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变

为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。

麦克风属于信号变换

器，它实现把声音转变为电信号。

由示波器收集科学数据的例子如图1

所示。

从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。

汽车工程师使用

示波器来测量发动机的振动。

医师使用示波器测量脑电波。

描述示波器

的用途是没有止境的。

本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。

本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。

针对示波器的原理和控

制，本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题，对课堂学习很

有帮助。

并不要求有数学和电子学的基础知识。

光源

光电元件

图1.示波器收集科学数据的例子

阅读完本读本，您可以掌握如下内容：

描述示波器如何工作

区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异同

描述电波的类型

理解示波器的基本控制

进行简单的测量

在实际工作中使用示波器时，借助随同示波器一同提供的手册，能帮助

您了解更多特定的信息。

一些示波器制造商也提供各种应用备忘录，其

中的注意事项可以帮助您优化示波器，以满足特定测量的需求。

如果您需要其他的帮助，或者您对本读本有任何的建议和问题，请与泰

克的代理商联系，或者访问。

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深入了解示波器

初级

信号完整性

信号完整性的意义

任何好的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力，称为信号完

整性。

摄像机捕获信号图象，以便我们随后能够进行观察和解释。

在这

一点上，示波器很是类似。

信号完整性有两个关键点。

您摄下图片的时间，它是否与实际发生的情况一致？

图片是清晰的还是模糊的？

每一秒您能摄下多少张精确的图片？

综合起来，不同的系统和不同性能的示波器，有不同的实现最高信号完

整性的能力。

探头也对测量系统的信号完整性有影响。

信号完整性影响许多电子设计规律。

但在数年以前，数字设计者并不以

为重。

他们着重于逻辑的设计，便能使逻辑电路顺利工作。

在进行高速

设计时，噪声和不确定信号偶有发生，RF（射频）设计者需要对此进

行考虑。

而数字系统进行着缓慢的转换，信号如所预料的一样稳定。

处理器的时钟速率上升了数个数量级。

3D图象处理、视频和服务器I/

O等计算机应用需要巨大的带宽。

如今的许多电信设备也是基于数字

的，同样也需要大量的带宽资源。

数字处理的高清晰度电视同样如此。

目前，微处理器设备处理的数据速率高达2、3GS/s，甚至5GS/s（吉

采样值每秒）。

同时，一些内存设备采用400-MHz的时钟以及200-ps

上升时间的数据信号。

重要的是，随着速度的提高，原用于车辆、录像机、机械控制器的普通

IC设备应用得越来越少。

与那些800-MHz的处理器类似，工作于20-

MHz时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。

设计者不得不考

虑交叉情况下对性能的影响。

其结果，几乎所有的设计中都包含高速设

计。

如果不预防地进行一些测量，高速带来的问题可能会影响其他常规的数

字设计。

如果电路时断时续发生故障，或者如果电路在电压和温度的极

限条件下发生差错，可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。

最终，影

响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性（EMI

compliance），等等。

为什么要考虑信号完整性问题？

让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。

比起过去，

为什么这些问题变得更为普遍？

答案是速度。

在“过去缓慢的年月”，维护可接受的数字信号完整性就

意味着对细节的关注，比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负

载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。

现在，上述

规则仍旧适用，但是……

总线的周期时间比20年以前快过了千倍！

原来需要数毫秒才能完成的

事务处理现在仅需要数纳秒。

为实现速度的提高，边缘的速度也经过加

速：

边缘升降速度比20年前快了100倍以上。

进步是相当令人瞩目的。

但是，某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速

度提高的步调。

数十年以来，芯片内部总线的传输时间基本上没有什么

变化。

物理尺寸自然越来越小，但是电路板上总还得安插实际的IC元

件、连接器、无源部件，当然还需安排总线本身。

实际的布局增加了间

距，而这些距离意味着时间的消耗，这与速度形成了矛盾。

需要注意的是，数字信号的边缘速度（上升时间）对频率的影响远大于

重复速率的影响。

正因为如此，一些设计人员有意识“减缓”相关的上

升时间，使IC器件正常工作。

4

深入了解示波器

初级

过去为预测电路中的信号状态，常常单独考虑各个基本的电路模块。

但

是当边缘速度比信号通道延迟还要快四到六倍时，简单的划分模块就不

再可行。

不考虑周期速率，当驱动低于四到六纳秒边缘速率的信号时，六英寸长

的电路板已经变成波导线。

其结果，产生新的信号通道。

这些无形中形

成的连接并不属于设计的初衷，但是不可预料地影响着正常信号。

另外，高速的边缘速度通常需要有更高的电流保障。

更高的电流常引起

地线的反射。

特别是在许多信号同时转换的瞬间，宽总线容易出现此情

况。

而且，大电流引起电磁辐射量的增加，导致信号串扰。

考虑数字信号的模拟特性

所有这一切的共同特征是什么？

他们都是典型的模拟现象。

为解决信号

完整性问题，数字设计人员必须步入模拟领域。

而为踏出这一步，需要

有工具来帮助他们指示数字和模拟信号之间的相互关系。

模拟信号完整性问题常常导致数字的差错。

利用示波器跟踪数字故障的

原因是很有必要的。

示波器能够显示波形的细节、边缘和噪声；示波器

能探测和显示瞬态情况；也能帮助您精确测量时间的关系，比如建立和

保持时间。

理解示波器系统的每一部分，理解各部分如何运作，这样会有助于您有

效地应用示波器，使您更有把握面对测量方面的挑战。

Y（电压）

X（时间）

Z（亮度）

X（时间）

Z（亮度）

图2.显示波形的X、Y和Z分量

示波器

什么是示波器，它是如何工作的？

本节将解答这些基本问题。

示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。

在大多

数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：

垂直（Y）轴

表示电压，水平（X）轴表示时间。

有时称亮度为Z轴。

（参看图2。

）

这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：

信号的时间和电压值

振荡信号的频率

信号所代表电路的“变化部分”

信号的特定部分相对于其他部分的发生频率

是否存在故障部件使信号产生失真

信号的直流值（DC）和交流值（AC）

信号的噪声值和噪声是否随时间变化

5

深入了解示波器

初级

正弦波

方波

锯齿波

阶跃波

图3.普通波形

理解波形和波形的测量

衰减的正弦波

矩形波

三角波

脉冲波

图4.普通波形的激励源

波形能够揭示信号的许多特性。

当看到波形的高度变化，则表示电压值

通常把随时间重复的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都

具有重复的特点。

示波器测量的是电压波形。

波的周期是波动重复的

部分。

波形是波的图形表现形式。

电压波形描述水平方向的时间和垂

直方向的电压。

在变化。

当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变

化。

平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。

波形中的

尖角指示的是突然的变更。

图3提供出普通波形图，而图4展示出这些

普通波形的来源。

6

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初级

正弦波

图5.正弦波和衰减的正弦波

衰减的正弦波

锯齿波

图7.锯齿波和三角波

三角波

方波和矩形波

方波是另一种常见的波形。

从本质上看，方波是以相同的时间间隔，不

停开关的电压（或者不断为高低值）。

它是测试放大器的标准波形，好

正弦波

图6.方波和矩形波

波的类型

大多数波都属于如下类型：

正弦波

方波和矩形波

三角波和锯齿波

正弦波

的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。

电视、广播和计算机电

路中经常使用方波作为定时信号。

矩形波与方波类似，不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。

在

分析数字电路时，矩形波非常有用。

图6是方波和矩形波的示例。

锯齿波和三角波

锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。

例如，模拟示波器的水平

扫描，或者电视的光栅扫描。

这类波形以恒定速率对电压电平值进行转

换。

这些渐增过程称为斜坡信号。

图7是锯齿波和三角波的示例。

阶跃波和脉冲波

周期和非周期信号

同步和异步信号

复杂波

正弦波

有几个原因说明正弦波是基本波形。

它具有和谐的数学特性，这与您高

中在三角学课程中学习到的正弦函数曲线的形状一样。

房间墙角的电源

出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。

信号发生器振荡电路产生的

测试信号通常就是正弦波。

大多数AC电源产生的是正弦波。

（AC表示

的是交流，实际上电压值也在改变。

DC表示的是直流，同时意味着稳

定的电流和电压，电池产生的就是DC。

）

衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例，它随时间而衰减。

图5是正

弦波和衰减的正弦波的示例。

7

深入了解示波器

初级

阶跃波

脉冲波

脉冲序列

复杂波

图8.阶跃波、脉冲波和脉冲序列

阶跃波和脉冲波

象阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生，并且是非周期信号。

这类信号

被称为单脉冲或瞬时信号。

阶跃波指示的是电压的突然变化，打开电源

开关时电压的情况即是如此。

脉冲指示的是电压的突然的两次变化，打开电源开关马上又关闭时，产

生的电压波形就是脉冲。

在计算机电路进行传输时，一个脉冲可以表示

信息的一位。

脉冲也可能是电路中的低频干扰，或某种缺陷。

一系列传

输脉冲的集合成为脉冲序列。

计算机的数字部件通过脉冲进行相互通

信。

在X射线和通信设备中，脉冲应用广泛。

图8是阶跃波、脉冲波和

脉冲序列的示例。

周期信号和非周期信号

不断重复的信号称为周期信号，而不断变化的信号称为非周期信号。

静

止图象与周期信号相似，而移动图象则与非周期信号等同。

图9.复杂波的例子：

一段NTSC复合视频信号

同步信号和异步信号

如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。

举例来说，计算机

中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。

异步用来说明信号之间没有定时关系。

比如说，接触计算机键盘的行为

和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。

复杂波

一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，对

于许多示波器来说是一种考验。

信号的信息可以置入幅值、相位中，可

能还置入频率变量当中。

例如，图9表示的是平常的复合视频信号，但

是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。

对于这个例子，理解各处

的相对电平和定时关系是非常重要的。

为了观察这样的信号，需要用示

波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。

如此一

来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。

对于如图

9所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂

波形。

显示器提供必要的发生频率的信息，或者亮度等级，这些对理解

波形的实际特性颇为重要。

8

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初级

频率

每秒3周期=3Hz

周期

1秒

图10.正弦波的频率和周期

波形测量

使用示波器时有许多测量参数。

本小节将对一些常见的测量参数进行说

明。

频率和周期

不断重复的信号具有频率特性。

频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时

间内信号重复的次数。

成为周期每秒。

重复信号也具有周期特性，即信

号完成一个循环所需要的时间量。

周期和频率互为倒数关系，即1/周

期等于频率，同理1/频率等于周期。

例如，如图10所示，该正弦信号

的频率是3Hz，而周期是1/3秒。

图11.正弦波的幅度和读数

电压

电压是电路两点间的电势能或信号强度。

有时把地线或零电压作为参考

点。

如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的

峰值-峰值。

幅度

幅度是指电路两点间电压量。

幅度通常指被测信号以地或零电压为参考

时的最大电压。

图11所示的波形的幅度为1V，而电压的峰值-峰值为

2V。

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初级

利用数字示波器对波形进行测量

电压

电流

现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。

通过前面板按钮，以及基

于屏幕的菜单，方便选择全自动的测量参数。

包括幅值、周期、上升/

下降时间，等等。

许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比

和其他数学运算。

自动化测量通过屏幕读取数值。

一般来说，读取的数

值可能比直接利用有刻度的工具更为准确。

一些数字荧光示波器用到的全