示波器是一種使用非常廣泛，且使用相對復(fù)雜的儀器。本章從使用的角度介紹一下示波器的原理和使用方法。

一、示波器工作原理

示波器是利用電子示波管的特性，將人眼無法直接觀測的交變電信號轉(zhuǎn)換成圖像，顯示在熒光屏上以便測量的電子測量儀器。它是觀察數(shù)字電路實驗現(xiàn)象、分析實驗中的問題、測量實驗結(jié)果必不可少的重要儀器。示波器由示波管和電源系統(tǒng)、同步系統(tǒng)、X 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、Y 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)、延遲掃描系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)信號源組成。

1、示波管

陰極射線管（CRT）簡稱示波管，是示波器的核心。它將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。正如圖 1 所示，電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分密封在一個真空玻璃殼內(nèi)，構(gòu)成了一個完整的示波管。

（1）熒光屏

現(xiàn)在的示波管屏面通常是矩形平面，內(nèi)表面沉積一層磷光材料構(gòu)成熒光膜。在熒光膜上常又增加一層蒸發(fā)鋁膜。高速電子穿過鋁膜，撞擊熒光粉而發(fā)光形成亮點。鋁膜具有內(nèi)反射作用，有利于提高亮點的輝度。鋁膜還有散熱等其他作用。

當(dāng)電子停止轟擊后，亮點不能立即消失而要保留一段時間。亮點輝度下降到原始值的 10％所經(jīng)過的時間叫做“余輝時間”。余輝時間短于 10μs 為極短余輝，10μs—1ms 為短余輝，1ms—0.1s 為中余輝，0.1s-1s 為長余輝，大于 1s 為極長余輝。一般的示波器配備中余輝示波管，高頻示波器選用短余輝，低頻示波器選用長余輝。

由于所用磷光材料不同，熒光屏上能發(fā)出不同顏色的光。一般示波器多采用發(fā)綠光的示波管，以保護(hù)人的眼睛。

（2）電子槍及聚焦

電子槍由燈絲（F）、陰極（K）、柵極（G1）、前加速極（G2）（或稱第二柵極）、第一陽極（A1）和第二陽極（A2）組成。它的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。燈絲通電加熱陰極，陰極受熱發(fā)射電子。

柵極是一個頂部有小孔的金屬園筒，套在陰極外面。由于柵極電位比陰極低，對陰極發(fā)射的電子起控制作用，一般只有運動初速度大的少量電子，在陽極電壓的作用下能穿過柵極小孔，奔向熒光屏。初速度小的電子仍返回陰極。

如果柵極電位過低，則全部電子返回陰極，即管子截止。調(diào)節(jié)電路中的 W1 電位器，可以改變柵極電位，控制射向熒光屏的電子流密度，從而達(dá)到調(diào)節(jié)亮點的輝度。第一陽極、第二陽極和前加速極都是與陰極在同一條軸線上的三個金屬圓筒。前加速極 G2 與 A2 相連，所加電位比 A1 高。G2 的正電位對陰極電子奔向熒光屏起加速作用。

電子束從陰極奔向熒光屏的過程中，經(jīng)過兩次聚焦過程。第一次聚焦由 K、G1、G2 完成，K、K、G1、G2 叫做示波管的第一電子透鏡。第二次聚焦發(fā)生在 G2、A1、A2 區(qū)域，調(diào)節(jié)第二陽極 A2 的電位，能使電子束正好會聚于熒光屏上的一點，這是第二次聚焦。A1 上的電壓叫做聚焦電壓，A1 又被叫做聚焦極。有時調(diào)節(jié) A1 電壓仍不能滿足良好聚焦，需微調(diào)第二陽極 A2 的電壓，A2 又叫做輔助聚焦極。

（3）偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)控制電子射線方向，使熒光屏上的光點隨外加信號的變化描繪出被測信號的波形。圖 8.1 中，Y1、Y2 和 Xl、X2 兩對互相垂直的偏轉(zhuǎn)板組成偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。Y 軸偏轉(zhuǎn)板在前，X 軸偏轉(zhuǎn)板在后，因此 Y 軸靈敏度高（被測信號經(jīng)處理后加到 Y 軸）。兩對偏轉(zhuǎn)板分別加上電壓，使兩對偏轉(zhuǎn)板間各自形成電場，分別控制電子束在垂直方向和水平方向偏轉(zhuǎn)。

2、示波管的電源

為使示波管正常工作，對電源供給有一定要求。規(guī)定第二陽極與偏轉(zhuǎn)板之間電位相近，偏轉(zhuǎn)板的平均電位為零或接近為零。陰極必須工作在負(fù)電位上。柵極 G1 相對陰極為負(fù)電位（—30V~—100V），而且可調(diào)，以實現(xiàn)輝度調(diào)節(jié)。第一陽極為正電位（約+100V~+600V），也應(yīng)可調(diào)，用作聚焦調(diào)節(jié)。

第二陽極與前加速極相連，對陰極為正高壓（約+1000V），相對于地電位的可調(diào)范圍為±50V。由于示波管各電極電流很小，可以用公共高壓經(jīng)電阻分壓器供電。

二、示波器的基本組成

從上一小節(jié)可以看出，只要控制 X 軸偏轉(zhuǎn)板和 Y 軸偏轉(zhuǎn)板上的電壓，就能控制示波管顯示的圖形形狀。我們知道，一個電子信號是時間的函數(shù) f（t），它隨時間的變化而變化。因此，只要在示波管的 X 軸偏轉(zhuǎn)板上加一個與時間變量成正比的電壓，在 y 軸加上被測信號（經(jīng)過比例放大或者縮小），示波管屏幕上就會顯示出被測信 號隨時間變化的圖形。電信號中，在一段時間內(nèi)與時間變量成正比的信號是鋸齒波。

它由示波管、Y 軸系統(tǒng)、X 軸系統(tǒng)、Z 軸系統(tǒng)和電源等五部分組成。

被測信號①接到“Y“輸入端，經(jīng) Y 軸衰減器適當(dāng)衰減后送至 Y1 放大器（前置放大），推挽輸出信號②和③。經(jīng)延遲級延遲Г1 時間，到 Y2 放大器。放大后產(chǎn)生足夠大的信號④和⑤，加到示波管的 Y 軸偏轉(zhuǎn)板上。為了在屏幕上顯示出完整的穩(wěn)定波形，將 Y 軸的被測信號③引入 X 軸系統(tǒng)的觸發(fā)電路，在引入信號的正（或者負(fù)）極性的某一電平值產(chǎn)生觸發(fā)脈沖⑥，啟動鋸齒波掃描電路（時基發(fā)生器），產(chǎn)生掃描電壓⑦。

由于從觸發(fā)到啟動掃描有一時間延遲Г2，為保證 Y 軸信號到達(dá)熒光屏之前 X 軸開始掃描，Y 軸的延遲時間Г1 應(yīng)稍大于 X 軸的延遲時間Г2。掃描電壓⑦經(jīng) X 軸放大器放大，產(chǎn)生推挽輸出⑨和⑩，加到示波管的 X 軸偏轉(zhuǎn)板上。z 軸系統(tǒng)用于放大掃描電壓正程，并且變成正向矩形波，送到示波管柵極。這使得在掃描正程顯示的波形有某一固定輝度，而在掃描回程進(jìn)行抹跡。

以上是示波器的基本工作原理。雙蹤顯示則是利用電子開關(guān)將 Y 軸輸入的兩個不同的被測信號分別顯示在熒光屏上。由于人眼的視覺暫留作用，當(dāng)轉(zhuǎn)換頻率高到一定程度后，看到的是兩個穩(wěn)定的、清晰的信號波形。

示波器中往往有一個精確穩(wěn)定的方波信號發(fā)生器，供校驗示波器用。

三、示波器使用

本節(jié)介紹示波器的使用方法。示波器種類、型號很多，功能也不同。數(shù)字電路實驗中使用較多的是 20MHz 或者 40MHz 的雙蹤示波器。這些示波器用法大同小異。本節(jié)不針對某一型號的示波器，只是從概念上介紹示波器在數(shù)字電路實驗中的常用功能。

1、熒光屏

熒光屏是示波管的顯示部分。屏上水平方向和垂直方向各有多條刻度線，指示出信號波形的電壓和時間之間的關(guān)系。水平方向指示時間，垂直方向指示電壓。水平方向分為 10 格，垂直方向分為 8 格，每格又分為 5 份。垂直方向標(biāo)有 0％，10％，90％，100％等標(biāo)志，水平方向標(biāo)有 10％，90％標(biāo)志，供測直流電平、交流信號幅度、延遲時間等參數(shù)使用。根據(jù)被測信號在屏幕上占的格數(shù)乘以適當(dāng)?shù)谋壤?shù)（V／DIV，TIME／DIV）能得出電壓值與時間值。

2、示波管和電源系統(tǒng)

（1）電源（Power）

示波器主電源開關(guān)。當(dāng)此開關(guān)按下時，電源指示燈亮，表示電源接通。

（2）輝度（Intensity）

旋轉(zhuǎn)此旋鈕能改變光點和掃描線的亮度。觀察低頻信號時可小些，高頻信號時大些。一般不應(yīng)太亮，以保護(hù)熒光屏。

（3）聚焦（Focus）

聚焦旋鈕調(diào)節(jié)電子束截面大小，將掃描線聚焦成最清晰狀態(tài)。

（4）標(biāo)尺亮度（Illuminance）

此旋鈕調(diào)節(jié)熒光屏后面的照明燈亮度。正常室內(nèi)光線下，照明燈暗一些好。室內(nèi)光線不足的環(huán)境中，可適當(dāng)調(diào)亮照明燈。

3、垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)和水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)

（1）垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇（VOLTS／DIV）和微調(diào)

在單位輸入信號作用下，光點在屏幕上偏移的距離稱為偏移靈敏度，這一定義對 X 軸和 Y 軸都適用。靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直靈敏度的單位是為 cm/V，cm／mV 或者 DIV／mV，DIV／V，垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)的單位是 V／cm，mV／cm 或者 V／DIV，mV／DIV。實際上因習(xí)慣用法和測量電壓讀數(shù)的方便，有時也把偏轉(zhuǎn)因數(shù)當(dāng)靈敏度。

蹤示波器中每個通道各有一個垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇波段開關(guān)。一般按 1，2，5 方式從 5mV／DIV 到 5V／DIV 分為 10 檔。波段開關(guān)指示的值代表熒光屏上垂直方向一格的電壓值。例如波段開關(guān)置于 1V／DIV 檔時，如果屏幕上信號光點移動一格，則代表輸入信號電壓變化 1V。

每個波段開關(guān)上往往還有一個小旋鈕，微調(diào)每檔垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。將它沿順時針方向旋到底，處于“校準(zhǔn)”位置，此時垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)值與波段開關(guān)所指示的值一致。逆時針旋轉(zhuǎn)此旋鈕，能夠微調(diào)垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)微調(diào)后，會造成與波段開關(guān)的指示值不一致，這點應(yīng)引起注意。許多示波器具有垂直擴(kuò)展功能，當(dāng)微調(diào)旋鈕被拉出時，垂直靈敏度擴(kuò)大若干倍（偏轉(zhuǎn)因數(shù)縮小若干倍）。例如，如果波段開關(guān)指示的偏轉(zhuǎn)因數(shù)是 1V/DIV，采用×5 擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)時，垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)是 0.2V／DIV。

在做數(shù)字電路實驗時，在屏幕上被測信號的垂直移動距離與+5V 信號的垂直移動距離之比常被用于判斷被測信號的電壓值。

（2）時基選擇（TIME／DIV）和微調(diào)

時基選擇和微調(diào)的使用方法與垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)選擇和微調(diào)類似。時基選擇也通過一個波段開關(guān)實現(xiàn)，按 1、2、5 方式把時基分為若干檔。波段開關(guān)的指示值代表光點在水平方向移動一個格的時間值。例如在 1μS／DIV 檔，光點在屏上移動一格代表時間值 1μS。

“微調(diào)”旋鈕用于時基校準(zhǔn)和微調(diào)。沿順時針方向旋到底處于校準(zhǔn)位置時，屏幕上顯示的時基值與波段開關(guān)所示的標(biāo)稱值一致。逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕，則對時基微調(diào)。旋鈕拔出后處于掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)。通常為×10 擴(kuò)展，即水平靈敏度擴(kuò)大 10 倍，時基縮小到 1／10。例如在 2μS/DIV 檔，掃描擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下熒光屏上水平一格代表的時間值等于

2μS×（1/10）=0.2μS

TDS 實驗臺上有 10MHz、1MHz、500kHz、100kHz 的時鐘信號，由石英晶體振蕩器和分頻器產(chǎn)生，準(zhǔn)確度很高，可用來校準(zhǔn)示波器的時基。

示波器的標(biāo)準(zhǔn)信號源 CAL，專門用于校準(zhǔn)示波器的時基和垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。例如 COS5041 型示波器標(biāo)準(zhǔn)信號源提供一個 VP-P=2V，f=1kHz 的方波信號。

示波器前面板上的位移（Position）旋鈕調(diào)節(jié)信號波形在熒光屏上的位置。旋轉(zhuǎn)水平位移旋鈕（標(biāo)有水平雙向箭頭）左右移動信號波形，旋轉(zhuǎn)垂直位移旋鈕（標(biāo)有垂直雙向箭頭）上下移動信號波形。

4、輸入通道和輸入耦合選擇

（1）輸入通道選擇

輸入通道至少有三種選擇方式：通道 1（CH1）、通道 2（CH2）、雙通道（DUAL）。選擇通道 1 時，示波器僅顯示通道 1 的信號。選擇通道 2 時，示波器僅顯示通道 2 的信號。選擇雙通道時，示波器同時顯示通道 1 信號和通道 2 信號。測試信號時，首先要將示波器的地與被測電路的地連接在一起。

根據(jù)輸入通道的選擇，將示波器探頭插到相應(yīng)通道插座上，示波器探頭上的地與被測電路的地連接在一起，示波器探頭接觸被測點。示波器探頭上有一雙位開關(guān)。此開關(guān)撥到“×1”位置時，被測信號無衰減送到示波器，從熒光屏上讀出的電壓值是信號的實際電壓值。此開關(guān)撥到“×10”位置時，被測信號衰減為 1／10，然后送往示波器，從熒光屏上讀出的電壓值乘以 10 才是信號的實際電壓值。

（2）輸入耦合方式

輸入耦合方式有三種選擇：交流（AC）、地（GND）、直流（DC）。當(dāng)選擇“地”時，掃描線顯示出“示波器地”在熒光屏上的位置。直流耦合用于測定信號直流絕對值和觀測極低頻信號。交流耦合用于觀測交流和含有直流成分的交流信號。在數(shù)字電路實驗中，一般選擇“直流”方式，以便觀測信號的絕對電壓值。

5、觸發(fā)

第一節(jié)指出，被測信號從 Y 軸輸入后，一部分送到示波管的 Y 軸偏轉(zhuǎn)板上，驅(qū)動光點在熒光屏上按比例沿垂直方向移動；另一部分分流到 x 軸偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，觸發(fā)掃描發(fā)生器，產(chǎn)生重復(fù)的鋸齒波電壓加到示波管的 X 偏轉(zhuǎn)板上，使光點沿水平方向移動，兩者合一，光點在熒光屏上描繪出的圖形就是被測信號圖形。

由此可知，正確的觸發(fā)方式直接影響到示波器的有效操作。為了在熒光屏上得到穩(wěn)定的、清晰的信號波形，掌握基本的觸發(fā)功能及其操作方法是十分重要的。

（1）觸發(fā)源（Source）選擇

要使屏幕上顯示穩(wěn)定的波形，則需將被測信號本身或者與被測信號有一定時間關(guān)系的觸發(fā)信號加到觸發(fā)電路。觸發(fā)源選擇確定觸發(fā)信號由何處供給。通常有三種觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)（INT）、電源觸發(fā)（LINE）、外觸發(fā) EXT）。

內(nèi)觸發(fā)使用被測信號作為觸發(fā)信號，是經(jīng)常使用的一種觸發(fā)方式。由于觸發(fā)信號本身是被測信號的一部分，在屏幕上可以顯示出非常穩(wěn)定的波形。雙蹤示波器中通道 1 或者通道 2 都可以選作觸發(fā)信號。

電源觸發(fā)使用交流電源頻率信號作為觸發(fā)信號。這種方法在測量與交流電源頻率有關(guān)的信號時是有效的。特別在測量音頻電路、閘流管的低電平交流噪音時更為有效。

外觸發(fā)使用外加信號作為觸發(fā)信號，外加信號從外觸發(fā)輸入端輸入。外觸發(fā)信號與被測信號間應(yīng)具有周期性的關(guān)系。由于被測信號沒有用作觸發(fā)信號，所以何時開始掃描與被測信號無關(guān)。

正確選擇觸發(fā)信號對波形顯示的穩(wěn)定、清晰有很大關(guān)系。例如在數(shù)字電路的測量中，對一個簡單的周期信號而言，選擇內(nèi)觸發(fā)可能好一些，而對于一個具有復(fù)雜周期的信號，且存在一個與它有周期關(guān)系的信號時，選用外觸發(fā)可能更好。

（2）觸發(fā)耦合（Coupling）方式選擇

觸發(fā)信號到觸發(fā)電路的耦合方式有多種，目的是為了觸發(fā)信號的穩(wěn)定、可靠。這里介紹常用的幾種。

AC 耦合又稱電容耦合。它只允許用觸發(fā)信號的交流分量觸發(fā)，觸發(fā)信號的直流分量被隔斷。通常在不考慮 DC 分量時使用這種耦合方式，以形成穩(wěn)定觸發(fā)。但是如果觸發(fā)信號的頻率小于 10Hz，會造成觸發(fā)困難。

直流耦合（DC）不隔斷觸發(fā)信號的直流分量。當(dāng)觸發(fā)信號的頻率較低或者觸發(fā)信號的占空比很大時，使用直流耦合較好。

低頻抑制（LFR）觸發(fā)時觸發(fā)信號經(jīng)過高通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的低頻成分被抑制；高頻抑制（HFR）觸發(fā)時，觸發(fā)信號通過低通濾波器加到觸發(fā)電路，觸發(fā)信號的高頻成分被抑制。此外還有用于電視維修的電視同步（TV）觸發(fā)。這些觸發(fā)耦合方式各有自己的適用范圍，需在使用中去體會。

（3）觸發(fā)電平（Level）和觸發(fā)極性（Slope）

觸發(fā)電平調(diào)節(jié)又叫同步調(diào)節(jié)，它使得掃描與被測信號同步。電平調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)觸發(fā)信號的觸發(fā)電平。一旦觸發(fā)信號超過由旋鈕設(shè)定的觸發(fā)電平時，掃描即被觸發(fā)。順時針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平上升；逆時針旋轉(zhuǎn)旋鈕，觸發(fā)電平下降。當(dāng)電平旋鈕調(diào)到電平鎖定位置時，觸發(fā)電平自動保持在觸發(fā)信號的幅度之內(nèi)，不需要電平調(diào)節(jié)就能產(chǎn)生一個穩(wěn)定的觸發(fā)。當(dāng)信號波形復(fù)雜，用電平旋鈕不能穩(wěn)定觸發(fā)時，用釋抑（HoldOff）旋鈕調(diào)節(jié)波形的釋抑時間（掃描暫停時間），能使掃描與波形穩(wěn)定同步。

極性開關(guān)用來選擇觸發(fā)信號的極性。撥在“+”位置上時，在信號增加的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā)。撥在“-”位置上時，在信號減少的方向上，當(dāng)觸發(fā)信號超過觸發(fā)電平時就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)電平共同決定觸發(fā)信號的觸發(fā)點。

6、掃描方式（SweepMode）

掃描有自動（Auto）、常態(tài)（Norm）和單次（Single）三種掃描方式。

自動：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入，或者觸發(fā)信號頻率低于 50Hz 時，掃描為自激方式。

常態(tài)：當(dāng)無觸發(fā)信號輸入時，掃描處于準(zhǔn)備狀態(tài)，沒有掃描線。觸發(fā)信號到來后，觸發(fā)掃描。

單次：單次按鈕類似復(fù)位開關(guān)。單次掃描方式下，按單次按鈕時掃描電路復(fù)位，此時準(zhǔn)備好（Ready）燈亮。觸發(fā)信號到來后產(chǎn)生一次掃描。單次掃描結(jié)束后，準(zhǔn)備燈滅。單次掃描用于觀測非周期信號或者單次瞬變信號，往往需要對波形拍照。

上面扼要介紹了示波器的基本功能及操作。示波器還有一些更復(fù)雜的功能，如延遲掃描、觸發(fā)延遲、X-Y 工作方式等，這里就不介紹了。示波器入門操作是容易的，真正熟練則要在應(yīng)用中掌握。值得指出的是，示波器雖然功能較多，但許多情況下用其他儀器、儀表更好。例如，在數(shù)字電路實驗中，判斷一個脈寬較窄的單脈沖是 否發(fā)生時，用邏輯筆就簡單的多；測量單脈沖脈寬時，用邏輯分析儀更好一些。

四、數(shù)字示波器使用必須注意問題

1、前言

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務(wù)。

2、區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬

帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(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(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子 K 相關(guān)（數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率 /K），一 般并不作為一項指標(biāo)直接給出。

從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復(fù)信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說 TEK 公司的 TES520B 的帶寬為 500MHz，實際上是指其模擬帶寬為 500MHz，而最高數(shù)字實時帶寬只能達(dá)到 400MHz 遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

3、有關(guān)采樣速率

采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以 MS/s 表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標(biāo)。

（1）如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

如果示波器的輸人信號為一個 100KHz 的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是 50KHz，這是怎么回事呢？這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖 1 所示。

那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過慢慢改變掃速 t/div 到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。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，如一個 500MHz 的信號，至少需要 1GS/s 的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：

a. 調(diào)整掃速；

b. 采用自動設(shè)置（Autoset）；

c. 試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測方式，因為包絡(luò)方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

如果示波器有 InstaVu 采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

（2）采樣速率與 t/div 的關(guān)系

每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間 t/div，采樣速率 fs 由下式給出：

fs=N/（t/div）N 為每格采樣點

當(dāng)采樣點數(shù) N 為一定值時，fs 與 t/div 成反比，掃速越大，采樣速率越低。

綜上所述，使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。

下文分別細(xì)數(shù)了示波器或曾不為人知的 12 項功能。

1、協(xié)議解碼

根據(jù)示波器波形顯示進(jìn)行串行總線手動解碼既耗時又容易出錯。在這一相對簡單的 I2C 信號中，可能有問題存在。您能輕松找到這個問題嗎？甚至還能說出該信號代表什么嗎？要對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行手動解碼，需尋找到包頭、數(shù)據(jù)位及包尾。利用時鐘狀態(tài)（**）對所有數(shù)據(jù)信號狀態(tài)（藍(lán)色）進(jìn)行對照確認(rèn)，然后將其轉(zhuǎn)換為十六進(jìn)制數(shù)值。

示波器上的 I2C 信號

在此將手動解碼與自動解碼示例進(jìn)行比較。只需定義時鐘和數(shù)據(jù)處于哪些通道上以及定義用于確定邏輯值（“1”和“0”）的閾值，就可以讓示波器獲悉正通過總線傳輸?shù)膮f(xié)議。在一瞬間，就可對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼并將其顯示出來，說明總線波形顯示中的起始位、地址位、數(shù)據(jù)位和結(jié)束位。對 I2C 總線而言，地址值和數(shù)據(jù)值能夠以十六進(jìn)制方式顯示，或以二進(jìn)制方式顯示。

自動 I2C 解碼

2、網(wǎng)絡(luò)分析儀

需測量回波損耗（Sdd11）或插入損耗（Sdd21），但卻沒有 TDR 或 VNA，怎么辦？您可用高帶寬示波器進(jìn)行一些近似于網(wǎng)絡(luò)分析的測量，盡管這樣做好像有些超出其使用范圍，而且肯定有某些局限。傳統(tǒng)的頻率響應(yīng)時間測試涉及對快脈沖的測量以及對響應(yīng) FFT 的查看。除這種測量外，您還可以通過一些相當(dāng)基礎(chǔ)的設(shè)置來測量回波損耗和插入損耗。

例如，一些高速標(biāo)準(zhǔn)（像 PCI Express 3.0 和 USB 3.0）包括有這樣的測量，一長串邏輯值“1”后接一長串“0”。這構(gòu)成一種穩(wěn)態(tài)條件或低頻狀態(tài)。然后，測試圖案變?yōu)闀r鐘或 1010 圖案，又稱為奈奎斯特圖。對前后電壓電平進(jìn)行比較，得到一個標(biāo)稱插入損耗值。可采用更先進(jìn)的技術(shù)以及自定義信號激勵來提取其他詳細(xì)信息。

64 個“1”及 64 個“0”后接“1010”的圖形

3、在 DVD 驅(qū)動器上播放影片

大型 LCD 屏幕還可用作什么呢？可以肯定的是，您可以在示波器上觀看信號完整性分析指南，但更令人高興的是，您還可以觀看最近的電影（但是還不能觀看 3D 視頻）。

4、濾波

您是否需要用高帶寬示波器測量低頻信號但又不想有高頻噪音？許多示波器都具有數(shù)字信號處理功能，可進(jìn)行濾波，包括低通濾波。下一次，您想在您 12GHz 示波器上測量 100MHz 時鐘時，可使用帶寬限制功能，以得到更佳的信噪比和更精確的測量值。

5、寬帶雷達(dá)測試

數(shù)字示波器早已具備 FFT 功能。隨著雷達(dá)和其他寬帶 RF 系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)字領(lǐng)域，現(xiàn)在示波器已具備瞬態(tài)或?qū)掝l帶寬 RF 信號分析功能。您可以對無外部降頻轉(zhuǎn)頻器的寬帶雷達(dá)、高數(shù)據(jù)速率衛(wèi)星鏈路或跳頻通信系統(tǒng)執(zhí)行脈沖分析、數(shù)字解調(diào)和 EVM 測量。

顯示寬帶雷達(dá)信號的示波器

6、改善垂直分辨率

大部分示波器的 A/D 分辨率為 8 個比特。用不同的采集模式，可按如下所述，通過求相鄰采樣的平均值來提高垂直分辨率。那么，通過求平均值和采用高分辨率模式可將分辨率提高多少呢？理論上講，增加值為 0.5Log2N，其中 N 為相鄰采樣的平均數(shù)。

實際情況是，2 個字節(jié)的存儲深度限制了這一增加。兩個字節(jié)為 16 位。保留其中一位作為符號位，剩余的 15 位用作數(shù)據(jù)數(shù)值。舍入誤差使第 14 位和第 15 位成為隨機(jī)值，從而使實際限值變?yōu)?13 位。因此，改善可從約六個有效位開始，用高度過采樣時可增至約 13 位。

提高垂直分辨率

7、基于示波器的信號發(fā)生器

由于許多示波器都裝有計算機(jī) I/O 端口，比如 USB 端口或以太網(wǎng)端口，因此可使用這些端口來生成測試信號。只需下載合適的軟件（可在許多標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的網(wǎng)站上查找到）來激活測試模式，您就擁有了一臺信號發(fā)生器。

8、測試文件

如果您想像大多數(shù)人那樣在示波器上進(jìn)行分析，則可能還需要有一些測試文件。了解許多集成軟件分析工具中的測試報告功能，可為您節(jié)約一些時間。想要更高效，您可以通過遠(yuǎn)程控制儀表指令自動化分析和測試報告的操作。即便是基本型示波器也具備針對文件的省時功能，比如“保存全部”功能，只需按下一個按鈕，即可保存截圖、波形數(shù)據(jù)和設(shè)置文件。

文件測試報告功能的用途

9、智能檢索

沒有正確的檢索工具的話，要在很長的波形記錄中找到您感興趣的事件可能會很耗時。如今，記錄長度日漸超過 100 萬數(shù)據(jù)點，要定位您的事件可能意味著需要瀏覽成千上萬個信號活動屏。用軟件搜索工具可簡化對長記錄的瀏覽。甚至有前置面板控制器，使您可快速進(jìn)行縮放和平移操作，就像用 DVR 看視頻一樣。還可順便自動標(biāo)注每個定義事件的發(fā)生情況，以便在各事件之間快速移動。

長數(shù)據(jù)記錄中標(biāo)記的用途

10、觸發(fā)

示波器的觸發(fā)功能可在信號中的正確點進(jìn)行同步水平掃描，對明確的信號檢定而言，是不可缺少的。觸發(fā)控制器允許您穩(wěn)定重復(fù)波形并捕捉單次觸發(fā)波形。

在高速調(diào)試應(yīng)用中，您的電路可能會工作 99.999%或更長的時間。而正是 .001%的時間會造成您的系統(tǒng)崩潰或正是您需要更詳細(xì)分析波形的一部分。高級觸發(fā)功能，如 AB 雙重事件觸發(fā)、窗口觸發(fā)、邏輯認(rèn)證等等都有助于隔離問題，速度比在采集后搜索上百萬個數(shù)據(jù)樣本快很多。

高級觸發(fā)模式可減少對長數(shù)據(jù)記錄的搜索

11、儀器的遠(yuǎn)程控制

您是否曾有過這樣的經(jīng)歷：離開實驗室之前忘記檢查測量值或保存測試結(jié)果？沒有特殊軟件工具就無法遠(yuǎn)程訪問示波器了嗎？幸運的是，只需打開瀏覽器，輸入示波器的 IP 地址，就可輕松接入示波器。許多示波器，甚至基本型示波器，不僅可在實驗室中聯(lián)網(wǎng)，還可設(shè)置為可在線訪問的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動示波器可通過瀏覽器遠(yuǎn)程訪問

12、眼圖

什么是眼圖？通過眼圖，在高速數(shù)字設(shè)計領(lǐng)域工作的人士可識別多個比特相互疊加，被廣為使用的圖形。如何才能在不挨個查看的情況下就快速驗證上百萬個比特呢？

在一張瞬態(tài)圖中，您能大致了解會造成系統(tǒng)運行不可靠的時間變化、噪音、振鈴和其他信號完整性的影響。大部分示波器用戶都很熟悉這一工具，然而許多人并沒有意識到信號處理和可視化技術(shù)方面的進(jìn)步，從而加深對這一基本圖形的了解。通過眼圖，可基本了解電壓電平和邊緣速率等參數(shù)值。如果再進(jìn)一步延伸這一概念，您可以用 BER 輪廓線（BER contours）來推斷或預(yù)測誤碼率。下圖類似眼圖，但其顯示的誤碼率為定時抖動和電壓噪聲的函數(shù)。

示波器上可看到眼圖和更多信息。

結(jié)論

示波器簡單易學(xué)、容易操作，可幫助您高效工作，充分提高生產(chǎn)率，使您可將精力放在設(shè)計而非測量工具上。就像世上沒有可作為標(biāo)準(zhǔn)的汽車司機(jī)一樣，世上也沒有標(biāo)準(zhǔn)的示波器用戶。無論您將示波器用于廣泛分析、用于濾波還是用于創(chuàng)建測試文件，最重要的是如何靈活操作您的示波器。

當(dāng)一件正確的事情成為我們習(xí)慣的時候，對一個人的影響是正面且長期的，意義也很重大。養(yǎng)成使用示波器的習(xí)慣對一個工程師的影響也是一生的，而當(dāng)習(xí)慣進(jìn)一步上升為理念時，就算刻意去擺脫都不是那么容易。

當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時，很多人下意識還是會拿萬用表去東量量，西測測。究其原因，萬用表人手一個，使用便捷，所以受到廣大工程師的歡迎。在這里我想說的是這個習(xí)慣不大好，詳細(xì)原因且聽我慢慢道來。

萬用表的使用場景主要是用于阻值（電阻值，對地阻抗），通斷（是否滴滴響）等簡單測量，這兩個功能是示波器無能為力的。電壓值也可以用萬用表量。用萬用表測量電壓有效值更準(zhǔn)確，但要觀察電壓具體“長什么樣”還是得用示波器。

有一個經(jīng)典的比喻，示波器是電子工程師的眼睛。如果不使用示波器，我們在研的產(chǎn)品就相當(dāng)于一個黑盒子，難以探知其真實面目，畢竟一抹黑的路不好走。下面結(jié)合一些經(jīng)歷來談?wù)劄槭裁匆B(yǎng)成使用示波器的習(xí)慣。

1、理論聯(lián)系實際的好幫手

示波器是一名硬件測試工程師必須熟練掌握的工具，但由于工作性質(zhì)的原因，我們經(jīng)常做的工作是對照測試用例或者規(guī)范進(jìn)行一些固定項的重復(fù)測試，如各類接口，內(nèi)部總線等。久而久之，很多人就不滿足于這種知識面了。不安于現(xiàn)狀的測試工程師們接下來的步驟就是找來一些資料來深入學(xué)習(xí)自己所面向的產(chǎn)品，了解工作原理，內(nèi)部構(gòu)造，各模塊電路，信號流向等。這些知識有的清晰，有的模棱兩可，有的甚至搞不懂。

當(dāng)你遇到這種情況時，示波器可以成為你非常好的幫手，對不懂的地方，可以先查查資料，嘗試弄明白原理，然后用示波器量一下波形，時序等，驗證自己的分析結(jié)果。通過示波器可以直觀地看到波形，會使人感到很清晰，印象深刻，理論知識也可以得到更好的理解。

把一個電子產(chǎn)品上的信號都量測之后，加上學(xué)習(xí)一些文檔，那樣對自己所面對的產(chǎn)品理解就會透徹了。

2、直面 bug 的本質(zhì)

當(dāng)我們在解決 bug 的時候，有的問題可能根據(jù)經(jīng)驗就解決了，而沒有去徹底把本質(zhì)搞明白。這樣就會有隱患，而且下次設(shè)計電路的時候可能掉進(jìn)同樣的一個陷阱。

比如 I2C 上拉電阻配置不正確導(dǎo)致通信出現(xiàn)概率性失敗，信號線上電容過大導(dǎo)致波形失真等，也許我們改改電阻值、電容值就把問題解決了，但是這樣還不夠，如果通過示波器看到波形的本質(zhì)，然后再去調(diào)試。這樣解決的問題，以后就不會再犯了，也會保證避免出現(xiàn)一些當(dāng)時認(rèn)為已經(jīng)解決，但是在批量時依然會概率性的出問題。

一些 EMC 問題是由內(nèi)部高頻信號的諧波引起，通過示波器調(diào)試，可以在保證信號完整性的基礎(chǔ)上有效降低輻射信號的能量，如串接更合適的匹配電阻，增加對地電容等手段去解決。而保證信號完整性，最直接的手段就是使用示波器測試，以免矯枉過正，出現(xiàn)隱患。

3、用事實說話

有些 bug 出現(xiàn)的時候，需要多方來一起解決。這樣的多方郵件溝通就需要圖像作為重要依據(jù)了。之前遇到一個 bug：Host 端向 device 端加載文件時出現(xiàn)概率性失敗的情況。這里涉及三方的硬件，軟件，還要涉及 Host 芯片及 Device 芯片廠家的臺灣原廠。各方經(jīng)過各自的檢查，加上各自之前出貨的經(jīng)驗，均認(rèn)為自己沒有問題。使用示波器反復(fù)量測波形，時序，在開始也沒能定位問題。因在啟動時，時鐘信號線上會出現(xiàn)一部分 1V 雜波信號，然后通過實驗手段判定就是 Host 端發(fā)出，以此作為證據(jù)要求 Host 端的臺灣原廠修改，理由是不管此信號是否對通信造成影響，至少先解決這個問題再考慮。在更新過兩次代碼后，1V 雜波信號消失，老化拷機(jī)，并未出現(xiàn)問題。

出于自我保護(hù)本能以及各方知識的局限，一般各自都會認(rèn)為自己這方?jīng)]有問題，通過示波器量測波形，找到證據(jù)，督促修改，會使得問題容易得到解決。
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