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本章的内容整理自网络，主要讲解示波器的基础知识。如果初学的话非常有必要对这部分知识有一个了解。因为示波器是硬件调试必不可少的设备。 43.1 什么是示波器 43.2 示波器的发展史 43.3 示波器的基础概念 43.4 触发系统 43.5 李沙育图形 43.6 窗函数选择 43.7 总结 43.1 什么是示波器 示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。 自然界运行着各种形式的正弦波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的基频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器，科学家、工程师、威廉希尔官方网站 人员、教育工作者和他人能够“观察”随时间变化的事件。 示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1所示。 从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器的用途是没有止境的。 
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43.2 示波器的发展史
电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而CD 播放器是属于数字设备。同样，示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。 43.2.1 模拟示波器 初期主要是模拟示波器（CRT），始创于二十世纪四十年代，最早应用于雷达和电视的开发泰克成功开发带宽10MHz的同步示波器，这是近代示波器的基础。 在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。CRT 限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。图解出模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度（对伏特/ 格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。 |
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43.2.2 数字示波器
中期数字示波器独领风骚 （DSO），始创于二十世纪九十年代，数字示波器提高带宽到1GHz以上，全面性能超越模拟示波器。 模拟示波器和数字示波器的比较： |
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43.2.3 数字荧光示波器（DPO）
数字荧光示波器（DPO）为示波器系列增加了一种新的类型。DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力，加速重构信号。DSO 使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如下图所示(Tek DPO)。DPO采用ASIC硬件构架捕获波形图象，提供高速率的波形采集率，信号的可视化程度很高。它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。随后将对该并行处理体系结构进行阐述。 43.2.4 高灵敏度示波器 带宽很低，1MHz左右，灵敏度很高，可到几十微伏每格，用以测量和显示一般示波器不能观察到的各种微弱的电信号 。 |
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43.3 示波器基本概念
43.3.1 波的组成 正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可以视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。 对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。 比如：方波是由基波以及3,5,7,9……次谐波分量递加而成(这个咱们在介绍FFT的时候有讲解)。 43.3.2 波的基本参数 |
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43.3.3 数字示波器串行处理
DSO 第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。 目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。DSO 提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力。DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。 43.3.4 带宽 数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽，相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增加，信号的幅度下降到3dB(70.7％)，此时的频率点称为示波器的带宽。 在波形的主要谐波分量中提到过，如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。 对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面： 1. 由于低带宽导致的主要谐波分量消失，使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波。 2. 低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。 下列图示为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器上的显示效果图。 |
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43.3.5 带宽与最高频率准则
5 倍准则 (The 5 times rule) 。 示波器所需带宽＝被测信号的最高频率成分× 5。 测定示波器带宽的方法：在具体操作中准确表征信号幅度，并运用5倍准则。使用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过＋/－2%，对今天的操作来说已经足够。然而， 随着信号速率的增加，这个经验准则将不再适用。记住，带宽越高，再现的信号就越准确。 43.3.6 采样率 采样率指示示波器按照一定的时间间隔将模拟信号转换为数据，并且顺序存储的过程。采样率=1/ 较高的采样速率提供较高的信号分辨率，可以让读者观察到断续的事件。 采样速率：表示为样点数每秒（S/s），指数字示波器对信号采样的频率，类似于电影摄影机中的帧的概念。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丢失的概率就越小，如果需要观测较长时间范围内的慢变信号，则最小采样速率就变得较为重要。典型地，为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制按钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化。 如何计算采样速率？计算方法取决于所测量的波形的类型，以及示波器所采用的信号重构方式。为了准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯特定理规定，信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而，这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度，而且，从定义上看，低频干扰是不连续的，所以，采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。在使用正弦插值法时，为了准确再现信号，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2.5 倍。使用线性插值法时，示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10 倍。一些采样速率高达20GS/s,带宽高达4GHA的测量系统用5倍于带宽的速率来捕获高速，单脉冲和瞬态事件。 |
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43.3.7 实时采样率
实时采样在一次触发事件期间捕获所有用于重建波形的样本点，它要求采样率至少为被测波形最高频率分量的5倍。 如上图所示，① 表示第一次触发所采样的数据点，并且一次就完成一个采样过程。 |
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43.3.8 等效采样率
等效采样是在多个触发事件上捕捉样本点，要求输入的波形为重复波形。对于每个触发事件示波器会捕捉多个样本点，并把它们与原已捕捉的样本点组合到一起。 如上图所示，①②③ 第1，2，3次触发事件所采样的数据点，1，2，3次触发相互间隔错开。 等效采样对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化（如幅度）将造成显示混乱。 等效威廉希尔官方网站 示波器，只适用捕获重复稳定信号，对捕获非重复信号和单次信号的能力。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能力。将受到实时采样率的限制。 示波器标定带宽＝重复信号带宽 > 瞬态（单次）信号带宽。 等效采样是用较低的实时采样率实现高采样率的效果的一种采样方式。它的主要特点： 1. 必须多次触发采样才能构建一个完整波形。 2. 要求信号必须是重复信号。 3. 理论上可以实现无限高的采样率。 4. 波形构建速度稍微要比实时采样慢（Normal触发方式，1Hz方波演示）。 |
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43.3 示波器基本概念
43.3.1 波的组成 正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可以视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。对于非正弦波由最小值过渡到 最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。 对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。 比如：方波是由基波以及3,5,7,9……次谐波分量递加而成(这个咱们在介绍FFT的时候有讲解)。 43.3.2 波的基本参数 |
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43.3.3 数字示波器串行处理
DSO 第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。 目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。DSO 提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力。DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。 |
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43.3.4 带宽
数字示波器带宽也称为模拟带宽，指示波器前端输入放大器的带宽，相当于一个低通滤波。定义为在幅频特性曲线中，随正弦波频率的增加，信号的幅度下降到3dB(70.7％)，此时的频率点称为示波器的带宽。 在波形的主要谐波分量中提到过，如果要对波形进行准确测量应该让示波器的带宽大于波形的主要谐波分量。因此对于正弦波可以要求示波器的带宽大于波形的频率，但是对应非正弦波则要求示波器的带宽大于波形的最大主要谐波频率。 对于带宽带来的波形影响具体表现在以下两方面： 1. 由于低带宽导致的主要谐波分量消失，使原本规则的波形呈圆弧状接近正弦波。 2. 低带宽给波形的上升时间和幅度的测量带来较大的误差。 下列图示为一个10MHz的方波在200MHz带宽和10MHz带宽示波器上的显示效果图。 |
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43.3.5 带宽与最高频率准则
5 倍准则 (The 5 times rule) 。 示波器所需带宽＝被测信号的最高频率成分× 5。 测定示波器带宽的方法：在具体操作中准确表征信号幅度，并运用5倍准则。使用五倍准则选定的示波器的测量误差将不会超过＋/－2%，对今天的操作来说已经足够。然而， 随着信号速率的增加，这个经验准则将不再适用。记住，带宽越高，再现的信号就越准确。 43.3.6 采样率 采样率指示示波器按照一定的时间间隔将模拟信号转换为数据，并且顺序存储的过程。采样率=1/Δt 较高的采样速率提供较高的信号分辨率，可以让读者观察到断续的事件。 采样速率：表示为样点数每秒（S/s），指数字示波器对信号采样的频率，类似于电 影摄影机中的帧的概念。示波器的采样速率越快，所显示的波形的分辨率和清晰度就越高，重要信息和事件丢失的概率就越小，如果需要观测较长时间范围内的慢变信号，则最小采样速率就变得较为重要。典型地，为了在显示的波形记录中保持固定的波形数，需要调整水平控制按钮，而所显示的采样速率也将随着水平调节按钮的调节而变化。 如何计算采样速率？计算方法取决于所测量的波形的类型，以及示波器所采用的信号重构方式。为了准确地再现信号并避免混淆，奈奎斯特定理规定，信号的采样速率必须不小于其最高频率成分的两倍。然而，这个定理的前提是基于无限长时间和连续的信号。由于没有示波器可以提供无限时间的记录长度，而且，从定义上看，低频干扰是不连续的，所以，采用两倍于最高频率成分的采样速率通常是不够的。实际上，信号的准确再现取决于其采样速率和信号采样点间隙所采用的插值法。一些示波器会为操作者提供以下选择：测量正弦信号的正弦插值法，以及测量矩形波、脉冲和其他信号类型的线性插值法。在使用正弦插值法时，为了准确再现信号，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2.5 倍。使用线性插值法时，示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10 倍。一些采样速率高达20GS/s,带宽高达4GHA的测量系统用5倍于带宽的速率来捕获高速，单脉冲和瞬态事件。 |
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43.3.7 实时采样率
实时采样在一次触发事件期间捕获所有用于重建波形的样本点，它要求采样率至少为被测波形最高频率分量的5倍。 如上图所示，① 表示第一次触发所采样的数据点，并且一次就完成一个采样过程。 43.3.8 等效采样率 等效采样是在多个触发事件上捕捉样本点，要求输入的波形为重复波形。对于每个触发事件示波器会捕捉多个样本点，并把它们与原已捕捉的样本点组合到一起。 如上图所示，①②③ 第1，2，3次触发事件所采样的数据点，1，2，3次触发相互间隔错开。 等效采样对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化（如幅度）将造成显示混乱。 等效威廉希尔官方网站 示波器，只适用捕获重复稳定信号，对捕获非重复信号和单次信号的能力。以及是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能力。将受到实时采样率的限制。 示波器标定带宽＝重复信号带宽 > 瞬态（单次）信号带宽。 等效采样是用较低的实时采样率实现高采样率的效果的一种采样方式。它的主要特点： 1. 必须多次触发采样才能构建一个完整波形。 2. 要求信号必须是重复信号。 3. 理论上可以实现无限高的采样率。 4. 波形构建速度稍微要比实时采样慢（Normal触发方式，1Hz方波演示）。 |
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43.3.9 平均采样
平均采样 ：指将多次普通采样的波形进行算术平均，多用于信号本身噪声比较大时。 43.3.10 峰值检测 峰值检测：指通过采集采样间隔信号的最大值和最小值，获取信号的包络或可能丢失的窄脉冲。 要求观察整个周期，当使用普通采样方式时，采样率为10K，如前面描述存在波形漏失现象，无法捕获完整信号。使用峰值检测，采样率为1G，获取间隔最大最小值，就可以获取完整的周期信号。 |
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43.3.11 采样率低的影响
采样率低主要的影响是波形失真，波形混淆和波形遗漏。 1. 波形失真 波形失真是由于某些原因导致示波器采样显示的波形与实际信号存在较大的差异。 2. 波形混淆 混淆是指当采样率低于实际信号最高频率2倍（耐奎斯特频率）时所出现的一种现象。 如下图，由于采样率低于实际信号的频率，导致结果采集的波形频率低于实际信号频率。这种信号频率与实际信号不同，它却能表示正确的波形形状，往往还具有正确的幅度。 |
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