不懂示波器的工程師不是好工程師，從原理到應用一文搞定！

示波器的起源

諾貝爾獎獲得者，德國物理學家 K.F.布勞恩（圖 1）在 1897 年出于對物理現象的好奇而發明了 CRT 示波器。他向熒光 CRT 上的水平偏轉片施加一個振蕩信號，然后向縱向偏轉片發送一個測試信號。這兩個偏轉片會在小熒光屏上產生瞬態的電波圖像。該發明逐步演變（圖 2）成一臺測量儀器，并且其性能在后續的 50 多年里不斷改善。工程師霍華德•衛林在 1947 年所作的改進讓示波器成為一臺非常實用的儀器，首次能夠通過觸發器來控制掃描功能。

圖 1：諾貝爾獎獲得者,物理學家 K.F 布勞恩

圖 2：早期的示波器

早期的示波器由于缺少觸發器，所以只能在輸入電壓超過可調閾值時才能對輸入電壓的波形開始進行水平追蹤。觸發功能可以在 CRT 上保持穩定的重復波形，即多次重復畫出相同軌跡的波形。如果沒有觸發功能，示波器會將多個掃描波形顯示在不同的位置上，導致屏幕上出現不連貫的雜亂圖形或者移動的圖像。示波器的性能和功能得以持續改進的直接因素是高性能的模擬和數字半導體裝置，以及軟件的飛速發展。
數字化時代的呼喚

得益于較快的模-數轉換速度以及用于記錄并顯示波形的存儲器，數字示波器在 20 世紀 80 年代開始崛起并迅速獲得普遍應用。

圖 3：模擬示波器發展為數字示波器的市場驅動力

即便是最早的數字示波器，也提供了模擬示波器所不具備的觸發、分析和顯示方面的靈活性。半導體和軟件的發展進一步將儀器從模擬為主的構造轉變為數字化為主的構造。數字化領域的信號處理為商業和工業產品創造了有利條件，示波器卻從中獲益尤多。概括地講，數字示波器不僅能以前所未有的方式來處理信號，還可以更廣泛的對信號進行分析，同時也能滿足更加復雜和更高速率的數據流的特殊測量要求，而這些也僅僅是數字示波器的眾多優勢的一部分。數字示波器可以讓用戶根據信號某些特定參數捕捉特定事件，還可以看到事件發生前的情況。得益于局域網和因特網，用戶能夠在另一個房間、另一個城鎮甚至另一個國家對示波器進行遠程操作并顯示結果，使其成為自動檢測系統的組成部分。數字示波器架構的其中一個關鍵部分是羅德與施瓦茨公司于 2009 年引入了的數字觸發系統，它消除了模擬觸發系統的固有限制（比如觸發抖動）。數字觸發系統會在下文中作詳細介紹。

數字示波器的類型

數字示波器具備兩項基本功能：信號采集與信號分析。在采集信號樣本過程中，采集到的信號會保存在存儲器中；而在信號分析時，示波器會分析采集到的波形并將其輸出到顯示器。目前市面上有各種各樣的數字示波器，而這里所介紹的都是當今最常見的示波器類型。

數字采樣示波器

數字采樣示波器在對信號進行垂直設置之前對信號進行采樣。它具備非常寬的帶寬，缺點是動態范圍有限，一般測量信號的峰-峰值最大約 1 V。與其它某些類型的數字示波器不同，數字采樣示波器可以捕捉到信號中遠高于儀器采樣率的頻率分量。相比于其他類型的示波器，它能夠測量速度更快的重復周期信號。因此，數字采樣示波器可勝任超高帶寬的應用測量，比如光纖傳輸測量，此類示波器成本也較高。

實時采樣示波器

當信號的頻率范圍小于示波器最大采樣頻率的一半時，實時采樣便具有明顯的優勢。該技術讓儀器可以在單次掃描中獲取大量樣本點，提供高度精確的顯示。這是目前能夠捕捉最快速單次瞬態信號的唯一方法。

嵌入式系統通常包含數字邏輯信號，以及受時鐘控制或者不受時鐘控制的并行總線和串行總線，以及標準化或者專用的傳輸碼型。

所有這些信號都必須經過分析，這往往要求使用復雜的測試裝置和多種儀器。并且通常還必須同時顯示模擬信號和數字信號。為此，現在的許多示波器都具備特定的選件，將數字示波器升級為具有邏輯分析功能的混合工具。這對于數字電路的快速調試來說非常重要，因為它具備數字觸發功能、高分辨率、采集及分析功能。

混合信號示波器

混合信號示波器擴展了數字示波器的功能，包含有邏輯和協議分析能力，簡化了試驗平臺并能實現單一儀器的模擬波形、數字信號和協議分析的同步可視化。硬件開發者可以利用混合信號示波器來分析信號的完整性，而軟件開發者可以利用它們來分析信號內容。

典型的混合信號示波器具有兩個或者四個模擬通道，以及更多的數字通道。模擬通道和數字通道要求實現同步，使得它們可以在時間上相關并在同一臺儀器上進行分析。

混合域示波器

顧名思義，混合域示波器可以顯示數字域、模擬域和射頻域的波形數據，并建立它們之間的相關性，各個域均會以不同的方式顯示信號。這一點在許多測量應用中是很有用的。比如，如果用戶在評估一個嵌入式（板級）信號處理系統的時候需要查看跨越子系統的模擬、數字和高頻信號，那么混合域示波器便可以滿足要求。數字示波器的基本元素

每一臺數字示波器都具備四個基本功能模塊 – 垂直系統、水平系統、觸發系統以及顯示系統。為了理解數字示波器的整體功能，理解各個模塊的功能至關重要。

數字示波器前面板的大部分區域均用于控制垂直、水平和觸發功能，因為大部分必需的調節工作都是由這些功能來完成。垂直功能部分通過控件改變“volts per division”（每格電壓值）數值來控制信號的衰減或放大，使信號能夠以適當幅度進行顯示。水平控件與儀器的時基有關，其“每格秒數”控件用于確定顯示屏上水平每格所代表的時間量。觸發系統會執行信號穩定化處理以及示波器初始化等基本功能以進行信號采集，用戶可以選擇并修改具體觸發類型。而最后的顯示系統則包括顯示器本身和顯示驅動器，以及用于執行顯示功能的軟件。

垂直系統

該系統（圖 4）讓用戶能夠垂直定位和縮放波形，選擇輸入耦合方式，以及修改信號特征使其以特定方式顯示在屏幕上。用戶可以將波形垂直放置在顯示屏上的精確位置，并增加或者縮小其大小尺寸。所有示波器的顯示屏幕上均設有柵格，用于將屏幕上的可視區域劃分為 8 個或者 10 個垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說，對于顯示柵格有 10格的示波器來說，如果總體可顯示的電壓為 50 V，那么每格代表 5 V。

圖 4：垂直系統

8格、10格或者其它一些柵格在選擇上是隨意的，為簡單起見通常會選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會對顯示比例造成影響，有些探頭不會對信號造成衰減（1X 探頭），有些探頭會有 10 倍衰減功能 (10X 探頭)，有些甚至可以達到 1000 倍衰減。探頭的問題會在下文再進行討論。

前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號被探頭捕捉，到經過線纜傳入儀器的整個過程的信號傳輸。直流耦合提供 1 M歐姆或者 50 歐姆的輸入耦合阻抗。

選擇 50 歐姆的輸入耦合可以將輸入信號直接發送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實現最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對應的 1M 歐姆端子數值）會在縱向增益放大器前方放置一個放大器，通常在所有情況下均將帶寬限制為 500 MHz。如此高阻抗的好處在于提供了內在的高電壓保護。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統會斷開連接，0-V 的點會顯示在屏幕上。

其它與垂直系統相關的電路還包括一個帶寬限制器，用于在對顯示波形進行降噪時衰減高頻信號成分。許多示波器還利用一個 DSP 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來擴展儀器帶寬，通過調整示波器通道的相位和幅值響應使儀器帶寬超出前端的原始響應。然而，這些電路要求采樣率滿足奈奎斯特定理 —— 采樣率必須大于信號最大基頻的兩倍。為了實現這一點，儀器通常會被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無法降低采樣率以察看更長的持續時間。

水平系統

相對于垂直系統，水平系統與信號采集更相關，強調采樣率、存儲深度以及其它與數據采集和轉換直接相關的性能指標。

采樣點之間的時間間隔稱為采樣間隔，樣點值代表保存在存儲器中用于產生波形的數值。波形點之間的時間間隔稱為波形間隔，由于一個波形點可能建立在多個采樣點的基礎上，因此兩者是相關的，有時也可能具有相同的數值。

一般示波器的采集模式菜單非常有限，因為一個通道只能產生一個波形，用戶只能選擇一種采樣類型或者一種波形算法類型。但是，某些示波器可以在一個通道上并行顯示三個波形，而且各個波形都可以對采樣類型和波形算法類型進行組合。典型的模式包括：

• 采樣模式：對于每個波形間隔，均由一個采樣點來產生一個波形點。
• 高分辨率模式：對于每個波形間隔，會顯示波形間隔的平均采樣點。
• 峰值檢測模式：對于每個波形間隔，會顯示波形內的最小采樣點和最大采樣點。
• RMS：顯示波形間隔內的采樣點 RMS 值。這與瞬時功率成比例。

典型的波形算法模式包括：
• 包絡模式：基于由至少兩個觸發事件所捕捉的波形，示波器會生成一個邊界（包絡線）來表示波形的最大值和最小值。

• 平均模式：根據多次采樣獲得各個波形間隔樣本的平均值。

觸發系統

觸發器是每個數字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號事件進行詳細分析以及提供穩定的重復波形視圖。觸發系統的精度及其靈活性決定了如何顯示以及分析測量信號。如前所述，數字觸發系統在測量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來顯著的優勢。

模擬觸發

示波器的觸發器（圖 5）確保為重復信號的持續監視提供穩定的波形顯示。作為對特定事件的響應，觸發器在隔離和顯示諸如“矮波”邏輯電平等具體信號特征以及通道之間由串擾、緩慢邊緣或者無效定時所引起的信號干擾時非常有用。觸發類型的數量以及觸發器的靈活性歷年來一直在不斷進步。

圖 5：模擬觸發系統

“數字”示波器是指對測量信號進行采樣并將其保存為離散數字值的儀器，而一般示波器的觸發系統則一直用于處理原始測量的模擬信號，因此稱之為模擬觸發系統。

輸入放大器對被測信號進行調節，使其幅值與 ADC 和顯示器的工作范圍相匹配，經過調節的信號從放大器輸出之后會并行發送至模-數轉換器 (ADC) 以及觸發系統。

ADC 會通過一條路徑對測量信號進行采樣，數字化的樣本數值會被寫入到采集存儲器當中；而在另一條路徑上，觸發系統會將信號與有效的觸發事件（比如信號跨越了“邊緣”觸發的觸發門限）進行對比。當發生有效的觸發條件時，示波器會最終確定 ADC 的樣本并處理和顯示所需的波形。測量信號一旦跨越觸發電平，便會導致一個有效的觸發事件。然而，為了讓信號能夠在顯示器上準確顯示，必須提供精確的觸發點定時。否則，所顯示的波形將不會與觸發點（觸發電平與觸發位置的交點）重疊。

而這可能由多種因素所導致。首先，觸發系統中的信號會通過比較器與觸發門限進行比較，而比較器輸出端的邊緣時間必須利用時間數字轉換器 (TDC) 進行準確測量。

如果 TDC 的測量結果不準確，那么所顯示的波形與觸發點之間出現偏移，并且每個觸發事件都會改變這一偏移量，導致觸發抖動。

另一個因素是測量信號的兩條路徑中存在誤差源。信號會經過兩條不同的路徑進行處理（ADC 的采集路徑以及觸發系統路徑），兩者均含有不同的線性以及非線性失真。這導致所顯示的信號與確定的觸發點之間存在系統錯配。在最壞的情況中，即便可以在顯示器上看到這些觸發事件，觸發器也將無法對有效的觸發事件作出響應，或者觸發器會對那些采集路徑無法捕捉和顯示的觸發事件作出響應。

最后一個因素是兩條路徑中存在不同的噪聲源，這些噪聲源包括具有不同噪聲等級的放大器。這將引起延遲和幅值差異，表現在顯示屏上就是觸發位置出現偏移（抖動）。而當以數字觸發方式來工作的時候，觸發器將不會出現這些誤差。

數字觸發

與模擬觸發系統相反，數字觸發系統（圖 6）直接對 ADC 所采集的樣本進行操作，信號不會被分離為兩條路徑，而是對所需的同一路信號進行處理并顯示出來。于是，將可從根本上避免模擬觸發系統所存在的信號損傷。為了評估觸發點，數字觸發器將采用精確的 DSP 算法來檢測有效的觸發器事件，并準確地測量時間戳。執行實時信號處理所面臨的挑戰在于需要無縫監視測量信號。比如，RS?RTO 系列示波器中的數字觸發器采用了 8 位 ADC 以 10GS/s 的速率進行采樣，并以 80 Gb/s 的速率來處理數據。

圖 6：數字觸發系統

由于數字觸發系統采用與采集路徑相同的數字化數據，因此可以實現 ADC 范圍之內的信號事件觸發。對于選定的觸發事件，信號可以通過比較器與已定義的觸發門限進行對比。在一個簡單的例子中（邊緣觸發），當信號在要求的方向上越過觸發門限，無論是信號的上升沿還是下降沿，該事件都會被檢測到。在數字系統中，信號由所采集到的樣本來表示，而采樣率必須至少是信號中最高頻率的兩倍。當滿足這一條件，才能實現信號的重構。

完全根據 ADC 樣本來進行觸發判決是不夠的，因為跨越觸發門限值的過程可能會丟失，因此需要利用內插算法提高時間分辨率，使采樣速率達到 20 GS/s。經過插入算法之后，比較器會將樣本數值和已定義的觸發門限值進行對比，如果檢測到觸發事件，那么比較器的輸出電平便會發生變化。

如圖 7 所示，通過2倍插入方式將采樣分辨率提高兩倍，從而減少信號的“盲”區。左圖的波形采樣中并未包含波形圖中過沖部分，并且 基于ADC 樣本的觸發門限無法檢測到過沖發生。右圖通過插值的方式將波形采樣率提高兩倍，因此過沖能夠引起觸發。過沖的最高頻率為 3.5 GHz，因此當 ADC以10GS/s采樣率工作的時候數字觸發系統能夠檢測到高頻分量。

圖 7：減少“盲”區

由于毛刺以及脈沖寬度等觸發類型均基于定時條件，因此數字觸發系統能夠非常精確地觸發這些事件，這是因為它可以實時確定了觸發門限處的交點。觸發事件的時間分辨率可以達到為 1 ps，而最小可檢測的脈沖寬度為50ps。

數字觸發系統的具體優勢如表1 所示。

表 1：數字觸發的優點
觸發過程

觸發掃描會在選定的點開始，能夠顯示諸如正弦波和方波等周期信號，還可以顯示非周期信號，比如信號脈沖或者無法以固定頻率重復出現的脈沖等。最常見的觸發類型是邊緣觸發，當電壓超過某個設定數值之后便會“啟動”觸發。用戶可以選擇上升沿觸發或者下降沿觸發。毛刺觸發讓儀器能夠被脈沖所觸發，該脈沖的寬度可以大于或者小于某具體的時間。通常會采用這種方法來嘗試找出隨機發生或者間歇性發生的錯誤，因此要找出這些錯誤也是非常困難的。

脈沖寬度觸發與毛刺觸發非常相似，也是要找出特定的脈沖寬度，并且它允許沿著水平觸發位置指定任意具體寬度的脈沖，無論是正脈沖還是負脈沖。其優點在于用戶可以看到觸發前后所發生的事情，因此如果找出一個錯誤，查看觸發前的情況可以提供更多關于出錯原因的參考信息。如果將水平延遲設為 0，那么觸發事件會被放置在屏幕的中央，于是便能在屏幕左邊看到觸發之前的情況，而在屏幕右邊能夠看到觸發之后的情況。

除了上述的類型以外，還有許多其它觸發類型，這些觸發類型針對于特定的情況，能夠檢測到感興趣的事件。比如，用戶可以觸發由幅值、時間（脈沖寬度、毛刺、斜率、建立和保持，以及超時）以及邏輯狀態或者碼型所定義的脈沖。其它觸發功能包括串行碼型觸發，A+B 觸發以及并行或串行總線觸發。

數字示波器可以觸發單一事件以及延遲觸發事件，控制何時對這些事件作出響應，以及在特定的時間、狀態或者過渡之后重置觸發以再次開始觸發序列。因此，即便是最為復雜的信號事件也能夠被捕捉到。

數字示波器具備觸發位置控件，能夠在波形記錄中設置觸發水平位置。通過改變觸發水平位置，用戶可以捕捉到信號在觸發事件前的情況。觸發水平位置確定了觸發點前后的可視信號長度。示波器的觸發沿設置可以調整發生觸發的信號點（即調整為上升沿觸發或者下降沿觸發）。

觸發模式

觸發模式用于確定示波器是否以及在什么情況下顯示波形。所有示波器均可啟用兩種觸發模式：一般（Normal）模式以及自動(auto)模式。當設置為一般模式時，示波器僅在信號達到指定位置時才會觸發。而在自動模式中，即使沒有觸發，儀器也會進行掃描。

觸發耦合和關斷

某些示波器可以選擇觸發信號的耦合類型（AC 或者 DC），而某些儀器還能夠設置高頻抑制、低頻抑制以及噪聲抑制等耦合類型。為了避免錯誤發生觸發事件，人們設計了更加高級的設定來消除觸發信號中的噪聲以及其它頻譜成分。要保證示波器在信號的正確位置觸發有時其實并不簡單，因此大多數示波器均提供了“觸發抑制”這種方式來使其變得更加簡單。觸發抑制是觸發事件發生之后的一段可調時間內，示波器無法進行觸發。該功能在對復雜波形圖進行觸發時是非常有用的，可以確保示波器僅在需要的點上進行觸發。

顯示系統與用戶界面

顧名思義，顯示系統用于控制呈現信號。顯示屏的所有標記構成了稱為十字線或者網格線的柵格。數字示波器及其所執行的任務都是非常復雜的，因此必須提供廣泛且易于理解的用戶界面。比如，RS?RTO 系列的觸摸屏顯示器采用了彩色編碼的控制按鍵、扁平化的菜單結構以及頻繁使用的功能按鍵。在 RS?RTM 系列中，按下一鍵測量按鈕即可調用顯示信號的“快速測量”功能。另外，還具有半透明的對話框、可移動的測量窗口、可配置的工具欄以及實時波形的預覽圖標。