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變換成看得見的圖像，便于人們研究各種電現象的變化過程。示波器利用狹窄的、由高速電子組成的電子束，打在涂有熒光物質的屏面上，就可產生細小的光點（這是傳統的模擬示波器的工作原理）。在被測信號的作用下，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的瞬時值的變化曲線。利用示波器能觀察各種不同信號幅度隨時間變化的波形曲線，還可以用它測試各種不同的電量，如電壓、電流、頻率、相位差、調幅度等等。

　　示波器分類

　　1、按照信號的不同分類

　　模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎是電子槍）電子槍向屏幕發射電子，發射的電子經聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內表面涂有熒光物質，這樣電子束打中的點就會發出光來。

　　數字示波器則是數據采集，A/D轉換，軟件編程等一系列的技術制造出來的高性能示波器。數字示波器的工作方式是通過模擬轉換器（ADC）把被測電壓轉換為數字信息。數字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進行存儲，存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數字示波器重構波形。數字示波器可以分為數字存儲示波器（DSO），數字熒光示波器（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。數字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉換器的性能，對示波管和掃描電路沒有特殊要求。加上數字示波管能充分利用記憶、存儲和處理，以及多種觸發和超前觸發能力。廿世紀八十年代數字示波器異軍突起，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退到后臺。

　　2、按照結構和性能不同分類

　　①普通示波器。電路結構簡單，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、超高頻信號和脈沖信號進行定量測試。借助幅度校準器和時間校準器，測量的準確度可達±5%。

　　③多線示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形，沒有時差，時序關系準確。

　　④多蹤示波器。具有電子開關和門控電路的結構，可在單束示波管的熒光屏上同時顯示兩個以上同頻信號的波形。但存在時差，時序關系不準確。

　　⑤取樣示波器。采用取樣技術將高頻信號轉換成模擬低頻信號進行顯示，有效頻帶可達GHz級。

　　⑥記憶示波器。采用存儲示波管或數字存儲技術，將單次電信號瞬變過程、非周期現象和超低頻信號長時間保留在示波管的熒光屏上或存儲在電路中，以供重復測試。

　　⑦數字示波器。內部帶有微處理器，外部裝有數字顯示器，有的產品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測信號經模一數變換器（A/D變換器）送入數據存儲器，通過鍵盤操作，可對捕獲的波形參數的數據，進行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運算，并顯示出答案數字。

　　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、電壓強度等。凡可以變為電效應的周期性物理過程都可以用示波器進行觀測

　　示波器帶寬是什么

　　示波器帶寬是指輸入一個幅度相同，頻率變化的信號，當示波器讀數比真值衰減3dB時，此時的頻率即為示波器的帶寬。也就是說，輸入信號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，示波器帶寬應為所測信號最高頻率的3~5倍。

　　與示波器帶寬規格緊密相關的是其上升時間參數。具備高斯頻響的示波器，按照10%到90%的標準衡量，上升時間約為0.35/fBW。具備最大平坦頻響的示波器上升時間規格一般在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。如果在進行上升時間和下降時間參數測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數字測量應用的要求。但如果要求定時精度在3％范圍內，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

　　經驗告訴我們，示波器的帶寬至少應比被測系統最快的數字時鐘速率高5倍。如果我們選擇的示波器滿足這一標準，那么該示波器就能以最小的信號衰減捕捉到被測信號的5次諧波。信號的5次諧波在確定數字信號的整體形狀方面非常重要。但如果需要對高速邊沿進行精確測量，那么這個簡單的公式并未考慮到快速上升和下降沿中包含的實際高頻成分。

　　公式：fBW≥5xfclk

　　確定示波器帶寬的一個更準確的方法是根據數字信號中存在的最高頻率，而不是最大時鐘速率。數字信號的最高頻率要看設計中最快的邊沿速度是多少。因此，我們首先要確定設計中最快的信號的上升和下降時間。這一信息通常可從設計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簡單的公式計算信號的最大“實際”頻率成分。HowardW.Johnson博士就此題目寫過一本書《高速數字設計》。在書中，他將這一頻率成分稱為“拐點”頻率（fknee）。所有快速邊沿的頻譜中都包含無限多的頻率成分，但其中有一個拐點（或稱“knee”），高于該頻率的頻率成分對于確定信號的形狀就無關緊要了。

　　第二步：計算fknee

　　fknee=0.5/RT（10%-90%）

　　fknee=0.4/RT（20%-80%）

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

　　第三步就是根據測量上升時間和下降時間所需的精確程度來確定測量該信號所需的示波器帶寬。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的關系。但要記住的是，大多數帶寬規格在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：根據需要的精度和示波器頻率響應的類型計算示波器所需帶寬的系數

　　第三步：計算示波器帶寬

　　下面我們通過一個簡單的例子進行講解：

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

　　如果信號的上升/下降時間約為500ps（按10%到90%的標準定義），那么該信號的最大實際頻率成分（（fknee）就約為1GHz。

　　fknee=（0.5/500ps）=1GHz

　　如果在進行上升時間和下降時間參數測量時允許20%的定時誤差，那么帶寬為1GHz的示波器就能滿足該數字測量應用的要求。但如果要求定時精度在3%范圍內，那么采用帶寬為2GHz的示波器更好。

　　20%定時精度：

　　示波器帶寬=1.0x1GHz=1.0GHz

　　3%定時精度：

　　示波器帶寬=1.9x1GHz=1.9GHz

　　帶寬是示波器的最重要的一個指標，理論上來說，只要帶寬覆蓋被測信號能量的99.9%，測量的誤差可以小于3%，即是合適的帶寬。因此，業界也存在著多個帶寬選擇法則，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和測量要求適用不同的法則。

　　根據上升時間和帶寬的關系，似乎可以得出結論，帶寬越高，測量的誤差越小。

　　但實際上，具體的應用中并非如此。因為，示波器畢竟不是一個理想的儀器，測量系統本身有噪聲。這些噪聲包括放大器的噪聲，ADC的噪聲，有源探頭的噪聲，探頭地線感應的空間輻射噪聲及地環路耦合的傳導噪聲從信噪比的角度理解，只有當被測信號的能量遠大于示波器測量系統本身帶來的噪聲能量的時候即信噪比足夠大的時候，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管的上升時間，測量紋波的帶寬等于測量開關管的帶寬。一般功率小的電源開關頻率可以達到1MHz甚至更大，對應的開關管的上升時間越小。功率大的電源開關管開關頻率小，只有100KHz甚至更小，上升時間大。但是多數開關管MOSFET上升時間達100ns。即使開關管上升時間只有30ns，1/3的上升時間也有10ns，而100MHz的示波器的上升時間只有3.5ns。因此，用100MHz帶寬示波器測量開關電源的開關管是足夠的。事實上，很少有開關管上升時間只有30ns的，限制帶寬到20MHz就足夠了。這也是很多人所說的“在測量電源紋波時需要將示波器帶寬限制為20MHz”的道理。