示波器的工作原理

首先示波器從設計原理上分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩種，這個想必大家都清楚。最早出現(xiàn)的示波器為模擬示波器，而今由于帶寬等問題，模擬示波器已經(jīng)漸漸被淘汰。那模擬示波器的原理是怎么樣的呢？下面這張圖就可以很好的說明：

模擬示波器內(nèi)部會產(chǎn)生周期性的鋸齒波信號來控制銀光平電子槍的水平偏轉(zhuǎn)，被測的電壓信號經(jīng)過放大后控制熒光屏電子槍的垂直偏轉(zhuǎn)。這樣一來，光斑或者亮線就清楚的顯示在熒光屏上了，就是波形嘛。

是不是很簡單？從設計理念上來分析，模擬示波器有許多不可比擬的好處，例如信號波形不會丟失、不存在死區(qū)時間等。而數(shù)字示波器雖然一開始會存在這些問題，但隨著現(xiàn)在電子技術的大力發(fā)展，這種瑕疵已經(jīng)變得越來越小。那數(shù)字示波器的設計原理又是怎么樣的呢？

波形首先要通過探頭，經(jīng)由前端的放大器進行放大，之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進行轉(zhuǎn)換，進而存儲到采集內(nèi)存中，然后顯示到顯示器上。

在這一整個過程中，你不難發(fā)現(xiàn)，波形并不是實時呈現(xiàn)在屏幕上的，而是經(jīng)過采集內(nèi)存之后又呈現(xiàn)在波形上的。因此如果整個采樣和轉(zhuǎn)換時間較長的話，就會產(chǎn)生較大的死區(qū)時間，所以在死區(qū)時間內(nèi)的波形就無法觀察到了。這也就是為什么很多人至今仍然堅持認為數(shù)字示波器不如模擬示波器好的原因所在。

模擬示波器的優(yōu)點毋庸贅述，實時性好、原理簡單、價格便宜。但是本身的儀器原理也包含了終將會被時代拋棄的硬傷。大抵有以下幾條：

一、帶寬有限：這絕對是致命硬傷。前面已經(jīng)提到，模擬示波器的輸入信號是放大后直接控制CRT顯示屏的電子槍偏轉(zhuǎn)。雖然放大器的帶寬可以越來預高，但是CRT電子槍的偏轉(zhuǎn)速度是有限的，對于高頻信號，電子槍的速度跟不上信號變化。因此，當前模擬示波器帶寬真的很難做上去。二、無法存儲和分析：很多老工程師非常清楚，用模擬示波器保存波形是要拿相機拍照的，如果要測幅度、周期、上升時間，只能手動去搞。要是想測相位差、功率這些，對于數(shù)字示波器這種只是勾選一下就能完成的事情，對于模擬示波器簡直是體力活。三、觸發(fā)能力太弱：基本只能邊沿觸發(fā)吧。想脈寬觸發(fā)？斜率觸發(fā)？根本不可能！更不要開個圖形來做模板觸發(fā)這種腦洞大開的觸發(fā)方式了。四、性能不穩(wěn)定：畢竟是大量的模擬器件，時間長了之后指標就不穩(wěn)了，溫漂也要比數(shù)字示波器嚴重的多。在20世紀80年代開始，數(shù)字示波器逐漸嶄露頭角。特別是隨著高速ADC芯片和數(shù)字處理技術的發(fā)展，數(shù)字示波器在帶寬、觸發(fā)、分析、顯示方面全面超越了模擬示波器?，F(xiàn)在市面上在售的示波器基本全都是數(shù)字示波器了。

這里要強調(diào)的一點仍然是死區(qū)時間，這依賴的是數(shù)字示波器后面的處理和顯示速度。雖然在現(xiàn)有的技術水平下仍然無法做到實時處理，但是處理的速度越快，丟失的波形就越少，有關這方面性能是指標叫做——波形刷新率。對于200MHz帶寬示波器來說，幾乎所有的品牌都會配1G的采樣率，但是波形刷新率是更為重要的參數(shù)之一。波形刷新率越高，波形觀測的死區(qū)時間就小了好多。

不管怎么說，數(shù)字示波器取代模擬示波器都是大勢所趨。在電子技術飛速發(fā)展的階段，相信模擬示波器的價格優(yōu)勢也會慢慢消失殆盡。

示波器作用

示波器是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?yōu)殡娦闹芷谛晕锢磉^程都可以用示波器進行觀測。

示波器的使用圖解

跟萬用表類似，要使用示波器，首先也得把它和被測系統(tǒng)相連，用的是示波器探頭，如圖20-4所示。示波器一般都會有2個或4個通道（通常都會標有1～4的數(shù)字，而多余的那個探頭插座是外部觸發(fā)，一般用不到它），它們的低位是等同的，可以隨便選擇，把探頭插到其中一個通道上，探頭另一頭的小夾子連接被測系統(tǒng)的參考地（這里一定要注意一個問題：示波器探頭上的夾子是與大地即三插插頭上的地線直接連通的，所以如果被測系統(tǒng)的參考地與大地之間存在電壓差的話，將會導致示波器或被測系統(tǒng)的損壞），探針接觸被測點，這樣示波器就可以采集到該點的電壓波形了（普通的探頭不能用來測量電流，要測電流得選擇專門的電流探頭）。

接下來就要通過調(diào)整示波器面板上的按鈕，使被測波形以合適的大小顯示在屏幕上了。只需要按照一個信號的兩大要素——幅值和周期（頻率與周期在概念上是等同的）來調(diào)整示波器的參數(shù)即可，如圖2所示。

圖2 示波器幅值、時間軸旋鈕

如上圖，在每個通道插座上方的旋鈕，就是調(diào)整該通道的幅值的，即波形垂直方向大小的調(diào)整。轉(zhuǎn)動它們，就可以改變示波器屏幕上每個豎格所代表的電壓值，所以可稱其為“伏格”調(diào)整，如以下兩幅對比圖所示：左圖是1V/grid，右圖是500mV/grid，左圖波形的幅值占了2.5個格，所以是2.5V，右圖波形的幅值占了5個格，也是2.5V。推薦是將波形調(diào)整到右圖這個樣子，因為此時波形占了整個測量范圍的較大空間，可以提高波形測量的精度，如圖3所示。

圖3 示波器伏格調(diào)整對比圖

除了圖3通常上方的伏格旋鈕外，通常還會在面板上找到一個大小相同的旋鈕（不一定像圖20-6所示的位置），這個旋鈕是調(diào)整周期的，即波形水平方向大小的調(diào)整。轉(zhuǎn)動它，就可以改變示波器屏幕上每個橫格所代表的時間值，所以可稱其為“秒格”調(diào)整，如以下兩幅對比圖所示：左圖是500us/grid，右圖是200us/grid，左圖一個周期占2個格，周期是1ms，即頻率為1KHz，右圖一個周期占5個格，也是1ms，即1KHz。這里就沒有哪個更合理的問題了，具體問題具體對待，它們都是很合理的，如圖4所示。

圖4 示波器秒格調(diào)整對比圖

很多時候只進行上述兩項調(diào)整的話，是能看到一個波形，但這個波形卻很不穩(wěn)定，左右亂顫，相互重疊，導致看不清楚，如圖5所示。

圖5 示波器觸發(fā)電平調(diào)整不當?shù)氖疽鈭D

這就是因為示波器的觸發(fā)沒有調(diào)整好的緣故，那么什么是觸發(fā)呢？簡單點理解，所謂觸發(fā)就是設定一個基準，讓波形的采集和顯示都圍繞這個基準來。最常用的觸發(fā)設置是基于電平的（也可基于時間等其它量，道理相同），大家看下上面的幾張波形圖，在左側(cè)總有一個T和一個小箭頭，T是觸發(fā)的意思，這個小箭頭指向的位置所對應的電壓值就是當前的觸發(fā)電平。示波器總是在波形經(jīng)過這個電平的時候，把之前和之后的一部分存儲并最終顯示出來，于是就能看到圖4、5所示的波形。如圖6所示，我們可以看到，無論如何波形也不會經(jīng)過T所指的位置，即用永遠達不到觸發(fā)電平，所以失去了基準的波形看上去就不穩(wěn)定了。怎么調(diào)節(jié)這個觸發(fā)電平的位置呢，在示波器面板上找一個標了Trigger的旋鈕，如下圖，轉(zhuǎn)動這個旋鈕就可以改變這個T的位置了。

圖6 示波器觸發(fā)旋鈕

除了可以改變觸發(fā)電平的值以外，還可以設置觸發(fā)的方式：比如選擇上升沿還是下降沿觸發(fā)，也就是選擇讓波形向上增加的時候經(jīng)過觸發(fā)電平還是向下減小的時候經(jīng)過觸發(fā)電平來完成觸發(fā)，這些設置一般都是通過Trigger欄里的按鈕和屏幕方便的菜單鍵來完成。

只要經(jīng)過上述的這三四步，你就可以把示波器的核心功能應用起來了，可以用它觀察單片機系統(tǒng)的各個信號了。比如說上電后系統(tǒng)不運行，就用它來測一下晶振引腳的波形正常與否吧。需要注意的是，晶振引腳上的波形并不是方波，而是更像正弦波，而且晶振的兩個腳上的波形是不一樣的，一個幅值小一點的是作為輸入的，一個幅值大一點的是作為輸出的，如圖7所示。

圖7 示波器實測的晶振波形

新型低端示波器推薦

“無臉”示波器都是USB控制的。WiFi和藍牙無線示波器如今在低端市場已經(jīng)比較普遍。早先的無線示波器一般都是連接安卓設備，因為安卓系統(tǒng)比iOS設備更容易開發(fā)APP。我見到的最早的無線示波器是由Aubrey Kagan設計的，它就是連接到一個安卓平板電腦，但沒有對外銷售。

我測試過另外一些低端無線示波器，比如由 LabNation和Aeroscope開發(fā)的型號。我也嘗試過國家儀器（NI）的VirtualBench，售價1999美元，這不能算低端示波器了。

RS Components的2通道RS Pro 2205A-20售價145英鎊，具有200 Msamples/s的采樣率，以及20 MHz的帶寬，特別適合音頻和低頻應用。除了USB接口，它還帶有UART （RS-232）、SPI、I2C、LIN和CAN接口，可以安裝在汽車里、機器上，以及嵌入式系統(tǒng)中。

DS212袖珍式示波器自帶顯示屏，采用機械滑輪來調(diào)節(jié)垂直和水平分辨率。不太清楚它的實際制造商，在亞馬遜上這種型號有兩個不同的名稱和標價：YKEY的標價為109.98美元，KEVWTECH的標價為178美元。它在一個叫做e-design的中文網(wǎng)站上也有售。

DS212具有1MHz帶寬和10Msamples/s采樣率，輸入電壓范圍為±40V。它內(nèi)置電池，可以通過微型USB端口充電。據(jù)一個視頻介紹，DS212只有一個探頭，雖然它是兩通道的型號。

IkaLogic的IkaScope示波器外形有點另類，具有30 MHz帶寬和200 Msamples/s采樣率，使用WiFi連接iOS和安卓設備，也可以連接桌面和筆記本電腦（Windows、Linux和MacOS），售價高達299歐元（約368美元）。而Aeroscope示波器的采樣率為100 Msamples/s，帶寬只有20 MHz，采用藍牙連接iOS設備，售價為199美元。

接下來是Red Pitaya。據(jù)Aubrey Kagan介紹，這種示波器和波形發(fā)生器實際上就是一個FPGA板，帶有兩個模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和兩個數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）。

我們從儀器的角度來看Red Pitaya，而不要只將其視作FPGA板。它有兩個型號：14位和10位。其輸入帶寬為40 MHz，輸出帶寬為50 MHz，采樣率不明。Red Pitaya不需要軟件，因為它使用內(nèi)部WEB服務器，通過以太網(wǎng)線與計算機相連。一個SD存儲卡可以存儲數(shù)據(jù)。其最低售價為239歐元（約294美元），根據(jù)外設不同價格略有差別。