1.1　數(shù)字示波器

示波器（Oscilloscope）是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，利用示波器能觀察不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，并測試多種信號參數(shù)（非精確測量），如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

示波器可分為模擬、數(shù)字兩大類。模擬示波器又有通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專用示波器等，采用CRT屏顯示波形。數(shù)字示波器將輸入信號數(shù)字化（時域取樣和幅度量化）后，由D/A轉(zhuǎn)換器輸出重建波形，具有記憶、存儲功能，所以又稱為數(shù)字存儲示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）。受模擬電路的帶寬限制，100MHz以上的示波器多以數(shù)字示波器為主，下面以數(shù)字示波器為例進行介紹。

數(shù)字示波器的主要技術(shù)指標有：

1．頻帶寬度：示波器面板上顯示的帶寬是指模擬帶寬，帶寬是示波器的基本指標，它反映了可以觀測信號的最高頻率（或最小脈沖寬度），在數(shù)字示波器中，該項指標主要由A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率決定。在制定的帶寬下，其輸出相應(yīng)將下降3dB，例如100MHz帶寬的示波器，10V信號輸入，示波器將觀測到7.07V的信號，這還只是正弦波的情形。因此，我們在選擇示波器的時候，為達到一定的測量精度，應(yīng)該選擇信號最高頻率5倍的帶寬。上升時間與帶寬有關(guān)，一般定義上升時間t_r為：

當測試高頻方波信號時，若其上升沿變化陡峭，上升時間參數(shù)說明了能否準確顯示快速上升的電平的能力。帶寬越寬則輸入信號的高頻分量衰減越少，顯示波形越陡峭，上升時間越小。數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復(fù)信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，

2．時基因數(shù)：時基因數(shù)表示單位距離代表的時間，常分為很多擋，當選擇較小的時基因數(shù)時，可將高頻信號在水平方向上展開。圖1.1.1中測試波形的時基因數(shù)為每格500μs,信號周期為2格，可知周期為1000μs，即1ms。

3．垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)：指在垂直方向上移動1cm所需的電壓值，也通常分為許多擋，偏轉(zhuǎn)因數(shù)越小表示示波器觀測微小信號的能力越強。圖1.1.1中通道1測試波形的偏轉(zhuǎn)因數(shù)為每格5V，通道2測試波形的偏轉(zhuǎn)因數(shù)為每格1V。

4．輸入阻抗：示波器的輸入阻抗可看成被測信號的等效負載，常包括輸入電阻和輸入電容兩部分。

5．輸入耦合方式：一般可選擇直流、交流和接地三種耦合方式之一，直流耦合時，輸入信號的所有成分都加到示波器上，交流耦合用于只需要觀察輸入信號的交流波形時；接地方式則斷開輸入信號，將通道直接接地。

圖1.1.1　典型數(shù)字存儲示波器原理框圖

6．數(shù)字存儲示波器的最高取樣速率：單位時間內(nèi)采樣的次數(shù)，常以MS/s表示，也可用每秒完成的A/D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)來衡量。取樣速率越高反應(yīng)示波器捕捉高頻或快速測量信號的能力越強。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭。

7．示波器探頭：探頭是示波器的專用測試電纜。探頭的正確使用在測試中具有重要的作用。如圖1.1.2所示，探頭的等效電路中包含了電阻、電容和電阻。

圖1.1.2　探頭的等效電路

探頭是介于示波器和被測信號之間的環(huán)節(jié)，如果信號在探頭處就已經(jīng)失真，示波器的顯示功能就會受到很大影響。探頭本身有輸入電阻，和萬用表測電壓的原理一樣，為盡可能地減少對測量的影響，希望探頭的輸入電阻盡量大，但由于不可能做到無窮大，總會對被測電路有分壓的影響，所以實際測到的電壓不是探頭測試點本身之前的電壓，這種現(xiàn)象經(jīng)常會出現(xiàn)在電源或放大器電路的測試中。為減小分壓的影響。一般要求探頭的輸入電阻比被測源的輸出電阻大10倍以上，我們可以利用具有衰減的探頭中的10х比例來增大探頭的輸入電阻。

其次探頭本身有輸入電容，是由探頭的寄生電容等效而來的，這個電容是影響探頭帶寬的重要因素，這個電容會衰減信號中的高頻成分，使波形的邊沿變緩，一般無源探頭的輸入電容在10pF至幾百pF之間，有源探頭的輸入電容在0.2pF至幾pF之間。

再次，探頭的輸入端還會受到電感的影響，電感來自探頭和被測電路之間的導(dǎo)線電感，探頭的寄生電感和寄生電容組成了諧振回路，在電感值太大時，在輸入信號激勵時可能會產(chǎn)生高頻諧振，造成信號的失真，所以高頻測試時應(yīng)嚴格控制信號和地線的長度，否則會產(chǎn)生振鈴。等效電感的大小還與接地線長度有關(guān)，其越長電感效應(yīng)就越大，對波形的破壞效應(yīng)就是會產(chǎn)生脈沖信號的振蕩、過沖等信號完整性問題。

1∶1或X1探頭在其有用帶寬之內(nèi)，對信號沒有衰減作用。由于這類探頭在測試點處將其自身的電容（包括電纜的電容）與示波器的輸入阻抗連在了一起，所以這種探頭具有負載效應(yīng)。信號頻率升高時，探頭的容性負載效應(yīng)就變得更加顯著。由于電纜的類型和長度的不同以及探頭本身構(gòu)造等原因，1∶1探頭的輸入電容通常可以從大約35～100pF以上，這等于給被測電路施加了一個低阻抗負載，具有47pF輸入電容1∶1探頭在20MHz之下的電抗僅為169Ω，這就使得這個探頭在此頻率無法使用。

我們可以在探頭中增加一個和示波器輸入阻抗相串聯(lián)的阻抗，用這種辦法就可以減小探頭的負載效應(yīng)。然而，由于引進了一個電阻分壓結(jié)構(gòu)，這就意味著輸入電壓不能完全加到示波器的輸入端。

圖1.1.3給出了10倍無源電壓探頭的等效電路，Rp和Rs構(gòu)成了一個10∶1的分壓器，Rs為示波器的輸入阻抗。調(diào)節(jié)補償電容C₃使得探頭和示波器通道RC乘積相匹配，這樣就能保證在探頭的尖端獲得正確的頻率響應(yīng)曲線，并且這種探頭的頻率響應(yīng)比1∶1探頭頻率響應(yīng)要寬得多。

圖1.1.3　10倍無源電壓探頭等效電路

一個實際的10∶1探頭具有幾個可調(diào)的電容和電阻以便在很寬的頻率范圍內(nèi)獲得正確的頻率響應(yīng)，這些可調(diào)元件的大多數(shù)都是在制造探頭時由工廠調(diào)好的。只有一個微調(diào)電容留給用戶去調(diào)節(jié)。這個電容稱為低頻補償電容，應(yīng)當通過調(diào)節(jié)這個電容使得探頭和與相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信號輸出可以很容易地進行這項調(diào)節(jié)工作，示波器的這個輸出端標有“探頭調(diào)節(jié)”“校準器”“CAL”或者“探頭校準”等標志，并能送出一個方波輸出電壓。方波中包含很多頻率分量。當所有這些分量都以正確的幅度送至示波器時，就能在示波器屏幕上再現(xiàn)方波信號。