数字示波器

1.1　数字示波器

示波器（Oscilloscope）是一种用途十分广泛的电子测量仪器，利用示波器能观察不同信号幅度随时间变化的波形曲线，并测试多种信号参数（非精确测量），如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

示波器可分为模拟、数字两大类。模拟示波器又有通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等，采用CRT屏显示波形。数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，由D/A转换器输出重建波形，具有记忆、存储功能，所以又称为数字存储示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）。受模拟电路的带宽限制，100MHz以上的示波器多以数字示波器为主，下面以数字示波器为例进行介绍。

数字示波器的主要技术指标有：

1．频带宽度：示波器面板上显示的带宽是指模拟带宽，带宽是示波器的基本指标，它反映了可以观测信号的最高频率（或最小脉冲宽度），在数字示波器中，该项指标主要由A/D转换器的转换速率决定。在制定的带宽下，其输出相应将下降3dB，例如100MHz带宽的示波器，10V信号输入，示波器将观测到7.07V的信号，这还只是正弦波的情形。因此，我们在选择示波器的时候，为达到一定的测量精度，应该选择信号最高频率5倍的带宽。上升时间与带宽有关，一般定义上升时间t_r为：

当测试高频方波信号时，若其上升沿变化陡峭，上升时间参数说明了能否准确显示快速上升的电平的能力。带宽越宽则输入信号的高频分量衰减越少，显示波形越陡峭，上升时间越小。数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，

2．时基因数：时基因数表示单位距离代表的时间，常分为很多挡，当选择较小的时基因数时，可将高频信号在水平方向上展开。图1.1.1中测试波形的时基因数为每格500μs,信号周期为2格，可知周期为1000μs，即1ms。

3．垂直偏转因数：指在垂直方向上移动1cm所需的电压值，也通常分为许多挡，偏转因数越小表示示波器观测微小信号的能力越强。图1.1.1中通道1测试波形的偏转因数为每格5V，通道2测试波形的偏转因数为每格1V。

4．输入阻抗：示波器的输入阻抗可看成被测信号的等效负载，常包括输入电阻和输入电容两部分。

5．输入耦合方式：一般可选择直流、交流和接地三种耦合方式之一，直流耦合时，输入信号的所有成分都加到示波器上，交流耦合用于只需要观察输入信号的交流波形时；接地方式则断开输入信号，将通道直接接地。

图1.1.1　典型数字存储示波器原理框图

6．数字存储示波器的最高取样速率：单位时间内采样的次数，常以MS/s表示，也可用每秒完成的A/D转换的最高次数来衡量。取样速率越高反应示波器捕捉高频或快速测量信号的能力越强。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭。

7．示波器探头：探头是示波器的专用测试电缆。探头的正确使用在测试中具有重要的作用。如图1.1.2所示，探头的等效电路中包含了电阻、电容和电阻。

图1.1.2　探头的等效电路

探头是介于示波器和被测信号之间的环节，如果信号在探头处就已经失真，示波器的显示功能就会受到很大影响。探头本身有输入电阻，和万用表测电压的原理一样，为尽可能地减少对测量的影响，希望探头的输入电阻尽量大，但由于不可能做到无穷大，总会对被测电路有分压的影响，所以实际测到的电压不是探头测试点本身之前的电压，这种现象经常会出现在电源或放大器电路的测试中。为减小分压的影响。一般要求探头的输入电阻比被测源的输出电阻大10倍以上，我们可以利用具有衰减的探头中的10х比例来增大探头的输入电阻。

其次探头本身有输入电容，是由探头的寄生电容等效而来的，这个电容是影响探头带宽的重要因素，这个电容会衰减信号中的高频成分，使波形的边沿变缓，一般无源探头的输入电容在10pF至几百pF之间，有源探头的输入电容在0.2pF至几pF之间。

再次，探头的输入端还会受到电感的影响，电感来自探头和被测电路之间的导线电感，探头的寄生电感和寄生电容组成了谐振回路，在电感值太大时，在输入信号激励时可能会产生高频谐振，造成信号的失真，所以高频测试时应严格控制信号和地线的长度，否则会产生振铃。等效电感的大小还与接地线长度有关，其越长电感效应就越大，对波形的破坏效应就是会产生脉冲信号的振荡、过冲等信号完整性问题。

1∶1或X1探头在其有用带宽之内，对信号没有衰减作用。由于这类探头在测试点处将其自身的电容（包括电缆的电容）与示波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。信号频率升高时，探头的容性负载效应就变得更加显著。由于电缆的类型和长度的不同以及探头本身构造等原因，1∶1探头的输入电容通常可以从大约35～100pF以上，这等于给被测电路施加了一个低阻抗负载，具有47pF输入电容1∶1探头在20MHz之下的电抗仅为169Ω，这就使得这个探头在此频率无法使用。

我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而，由于引进了一个电阻分压结构，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端。

图1.1.3给出了10倍无源电压探头的等效电路，Rp和Rs构成了一个10∶1的分压器，Rs为示波器的输入阻抗。调节补偿电容C₃使得探头和示波器通道RC乘积相匹配，这样就能保证在探头的尖端获得正确的频率响应曲线，并且这种探头的频率响应比1∶1探头频率响应要宽得多。

图1.1.3　10倍无源电压探头等效电路

一个实际的10∶1探头具有几个可调的电容和电阻以便在很宽的频率范围内获得正确的频率响应，这些可调元件的大多数都是在制造探头时由工厂调好的。只有一个微调电容留给用户去调节。这个电容称为低频补偿电容，应当通过调节这个电容使得探头和与相配用的示波器匹配，使用示波器前面板上的信号输出可以很容易地进行这项调节工作，示波器的这个输出端标有“探头调节”“校准器”“CAL”或者“探头校准”等标志，并能送出一个方波输出电压。方波中包含很多频率分量。当所有这些分量都以正确的幅度送至示波器时，就能在示波器屏幕上再现方波信号。