示波器簡介

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器。它能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)的模擬示波器的工作原理）。在被測信號(hào)的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏面上描繪出被測信號(hào)的瞬時(shí)值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等等。

　　示波器分類

　　1、按照信號(hào)的不同分類

　　模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來。

　　數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來的高性能示波器。數(shù)字示波器的工作方式是通過模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO），數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

　　模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢，模擬示波器的確從前臺(tái)退到后臺(tái)。

　　2、按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類

　　①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。

　　②多用示波器。頻帶較寬，掃描線性好，能對直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。

　　③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。

　　④多蹤示波器。具有電子開關(guān)和門控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。

　　⑤取樣示波器。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。

　　⑥記憶示波器。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測試。

　　⑦數(shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過鍵盤操作，可對捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。

　　示波器的作用

　　用來測量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測電流的波形外，還可以測定頻率、電壓強(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過程都可以用示波器進(jìn)行觀測

　　示波器帶寬是什么

　　示波器帶寬是指輸入一個(gè)幅度相同，頻率變化的信號(hào)，當(dāng)示波器讀數(shù)比真值衰減3dB時(shí)，此時(shí)的頻率即為示波器的帶寬。也就是說，輸入信號(hào)在示波器帶寬處測試值為真值-3dB，帶寬不是示波器能顯示的最高頻率。一般情況下，示波器帶寬應(yīng)為所測信號(hào)最高頻率的3~5倍。

　　與示波器帶寬規(guī)格緊密相關(guān)的是其上升時(shí)間參數(shù)。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)衡量，上升時(shí)間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時(shí)間規(guī)格一般在0.4/fBW范圍上，隨示波器頻率滾降特性的陡度不同而有所差異。如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3％范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　示波器帶寬種類

　　MS310、MS410、MS510、MS610、MS710100MHz

　　MS320、MS420、MS520、MS620、MS720200MHz

　　示波器帶寬如何選擇

　　經(jīng)驗(yàn)告訴我們，示波器的帶寬至少應(yīng)比被測系統(tǒng)最快的數(shù)字時(shí)鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標(biāo)準(zhǔn)，那么該示波器就能以最小的信號(hào)衰減捕捉到被測信號(hào)的5次諧波。信號(hào)的5次諧波在確定數(shù)字信號(hào)的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進(jìn)行精確測量，那么這個(gè)簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實(shí)際高頻成分。

　　公式：fBW≥5xfclk

　　確定示波器帶寬的一個(gè)更準(zhǔn)確的方法是根據(jù)數(shù)字信號(hào)中存在的最高頻率，而不是最大時(shí)鐘速率。數(shù)字信號(hào)的最高頻率要看設(shè)計(jì)中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設(shè)計(jì)中最快的信號(hào)的上升和下降時(shí)間。這一信息通常可從設(shè)計(jì)中所用器件的公開說明書中獲取。

　　第一步：確定最快的邊沿速度

　　然后就可以利用一個(gè)簡單的公式計(jì)算信號(hào)的最大“實(shí)際”頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數(shù)字設(shè)計(jì)》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點(diǎn)”頻率（fknee）。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個(gè)拐點(diǎn)（或稱“knee”），高于該頻率的頻率成分對于確定信號(hào)的形狀就無關(guān)緊要了。

　　第二步：計(jì)算fknee

　　fknee=0.5/RT（10%-90%）

　　fknee=0.4/RT（20%-80%）

　　對于上升時(shí)間特性按照10%到90%閥值定義的信號(hào)而言，拐點(diǎn)頻率fknee等于0.5除以信號(hào)的上升時(shí)間。對上升時(shí)間特性按照20%到80%閥值定義的信號(hào)而言（如今的器件規(guī)范中通常采用這種定義方式），fknee等于0.4除以信號(hào)的上升時(shí)間。但注意不要把此處的信號(hào)上升時(shí)間與示波器的上升時(shí)間規(guī)格混淆了，我們這里所說的是實(shí)際的信號(hào)邊沿速度。

　　第三步就是根據(jù)測量上升時(shí)間和下降時(shí)間所需的精確程度來確定測量該信號(hào)所需的示波器帶寬。表1給出了對于具備高斯頻響或最大平坦頻響的示波器而言，在各種精度要求下需要的示波器帶寬與fknee的關(guān)系。但要記住的是，大多數(shù)帶寬規(guī)格在1GHz及以下的示波器通常都是高斯頻響型的，而帶寬超過1GHz的通常則為最大平坦頻響型的。

　　表1：根據(jù)需要的精度和示波器頻率響應(yīng)的類型計(jì)算示波器所需帶寬的系數(shù)

　　第三步：計(jì)算示波器帶寬

　　下面我們通過一個(gè)簡單的例子進(jìn)行講解：

　　對于在測量500ps上升時(shí)間（10-90%）時(shí)具有正確的高斯頻率響應(yīng)的示波器，確定其所需的最小帶寬

　　如果信號(hào)的上升/下降時(shí)間約為500ps（按10%到90%的標(biāo)準(zhǔn)定義），那么該信號(hào)的最大實(shí)際頻率成分（（fknee）就約為1GHz。

　　fknee=（0.5/500ps）=1GHz

　　如果在進(jìn)行上升時(shí)間和下降時(shí)間參數(shù)測量時(shí)允許20%的定時(shí)誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數(shù)字測量應(yīng)用的要求。但如果要求定時(shí)精度在3%范圍內(nèi)，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時(shí)精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　帶寬是示波器的最重要的一個(gè)指標(biāo)，理論上來說，只要帶寬覆蓋被測信號(hào)能量的99.9%，測量的誤差可以小于3%，即是合適的帶寬。因此，業(yè)界也存在著多個(gè)帶寬選擇法則，例如：5倍法則、三倍正弦波頻率、1.8倍法則、1/3法則。針對不同的測量信號(hào)和測量要求適用不同的法則。

　　根據(jù)上升時(shí)間和帶寬的關(guān)系，似乎可以得出結(jié)論，帶寬越高，測量的誤差越小。

　　但實(shí)際上，具體的應(yīng)用中并非如此。因?yàn)椋静ㄆ鳟吘共皇且粋€(gè)理想的儀器，測量系統(tǒng)本身有噪聲。這些噪聲包括放大器的噪聲，ADC的噪聲，有源探頭的噪聲，探頭地線感應(yīng)的空間輻射噪聲及地環(huán)路耦合的傳導(dǎo)噪聲從信噪比的角度理解，只有當(dāng)被測信號(hào)的能量遠(yuǎn)大于示波器測量系統(tǒng)本身帶來的噪聲能量的時(shí)候即信噪比足夠大的時(shí)候，選擇的帶寬才是合適的。

　　電源紋波測量的帶寬選擇取決于電源開關(guān)管的上升時(shí)間，測量紋波的帶寬等于測量開關(guān)管的帶寬。一般功率小的電源開關(guān)頻率可以達(dá)到1MHz甚至更大，對應(yīng)的開關(guān)管的上升時(shí)間越小。功率大的電源開關(guān)管開關(guān)頻率小，只有100KHz甚至更小，上升時(shí)間大。但是多數(shù)開關(guān)管MOSFET上升時(shí)間達(dá)100ns。即使開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns，1/3的上升時(shí)間也有10ns，而100MHz的示波器的上升時(shí)間只有3.5ns。因此，用100MHz帶寬示波器測量開關(guān)電源的開關(guān)管是足夠的。事實(shí)上，很少有開關(guān)管上升時(shí)間只有30ns的，限制帶寬到20MHz就足夠了。這也是很多人所說的“在測量電源紋波時(shí)需要將示波器帶寬限制為20MHz”的道理。