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。