示波器工作原理、基本功能、示波器與頻譜儀的區(qū)別

　　示波器是一種用途十分廣泛的電子測量儀器，是電子工程師的眼睛，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(xiàn)象的變化過程。示波器的首要條件：準(zhǔn)確的顯示波形，保證信號完整性測量。

　　示波器的功能：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(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過程都可以用示波器進(jìn)行觀測。

　　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(zhì)的屏面上，就可產(chǎn)生細(xì)小的光點(diǎn)（這是傳統(tǒng)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(diào)幅度等等。

　　首先示波器從設(shè)計原理上分為模擬示波器和數(shù)字示波器兩種，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。

　　從設(shè)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(shù)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(shè)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(jìn)行放大，之后由模數(shù)轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)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，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(rèn)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(diǎn)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。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(yù)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(dāng)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(jī)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(biāo)就不穩(wěn)了，溫漂也要比數(shù)字示波器嚴(yán)重的多。在20世紀(jì)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(shù)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。現(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(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)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(shù)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(guān)這方面性能是指標(biāo)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(shù)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。

　　1、可以測量直流信號、交流信號的電壓幅度

　　2、可以測量交流信號的周期，并以此換算出交流信號的頻率。

　　3、可顯示交流信號的波形。

　　4、可以用兩個通道分別進(jìn)行信號測量。

　　5、可以在屏幕上同時顯示兩個信號的波形，即雙蹤測量功能。此功能能夠測量兩個信號之間的相位差，和波形之間形狀的差別。

　　示波器面板旋鈕的功能

　　1、 掃描速度旋鈕，可以改變示波器掃描線從左向右移動的速度。

　　2、 電壓選擇旋鈕，可以改變輸入電壓使掃描線在示波器屏幕Y軸方向的偏轉(zhuǎn)幅度。

　　3、 上下調(diào)整旋鈕、左右調(diào)整旋鈕，可以改變掃描線在屏幕中上下左右兩個方向的位置。

　　4、 電壓標(biāo)準(zhǔn)旋鈕向順時針方向達(dá)到最大值的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。其它位置為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

　　5、 掃描速度標(biāo)準(zhǔn)旋鈕向順時針方向達(dá)到最大值的狀態(tài)為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。其他位置為非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。

　　6、 為同步旋鈕，它能使示波器的波形穩(wěn)定下來。

　　7、 功能選擇鍵為CH1通道選擇、CH2通道選擇、雙蹤功能選擇。

　　8、 功能選擇鍵為CH1信號同步、CH2信號同步。

　　9、 為測量功能選擇開關(guān)，能使測量處與交流DC、直流AC、和接地GHD三種狀態(tài)。當(dāng)處于直流DC狀態(tài)時，無論是直流還是交流信號都能夠進(jìn)行測量。當(dāng)處于交流AC狀態(tài)時，示波器測量接口的內(nèi)部被串上的一個電容，此時信號中的直流成分被電容阻隔，而交流成分卻可以通過電容而被測量。

　　當(dāng)處于接地狀態(tài)的時，示波器的測量接口在示波器內(nèi)部與地短路，此時外部信號不能進(jìn)入示波器。

　　10、為亮度調(diào)整旋鈕，可以調(diào)整圖像的亮度。

　　11、為聚焦調(diào)整旋鈕，可以使圖像變得精細(xì)。

　　從實時帶寬、動態(tài)范圍、靈敏度和功率測量準(zhǔn)確度四個方面比較了示波器和頻譜儀的分析性能指標(biāo)的區(qū)別。

　　1 實時帶寬

　　對于示波器來說，帶寬通常是其測量頻率范圍。而頻譜儀則有中頻帶寬、分辨帶寬等帶寬定義。這里，我們以能對信號進(jìn)行實時分析的實時帶寬作為討論對象。

　　對于頻譜儀來說，末級模擬中頻的帶寬通?？梢宰鳛槠湫盘柗治龅膶崟r帶寬，大多數(shù)的頻譜分析的實時帶寬只有幾兆赫茲，通常較寬的實時帶寬通常為幾十兆赫茲，當(dāng)然目前帶寬最寬的FSW頻譜儀可以達(dá)到500兆赫茲。而示波器的實時帶寬為其實時取樣的有效模擬帶寬，一般為數(shù)百兆赫茲，高的可達(dá)數(shù)千兆赫茲。

　　這里需要指出的是，大多數(shù)的示波器在垂直刻度設(shè)置不同時，其實時帶寬可能并不一致，在垂直刻度設(shè)置到最靈敏時，其實時帶寬通常會下降。

　　從實時帶寬來說，示波器普遍優(yōu)于頻譜儀，這對于某些超寬帶信號分析尤其有好處，特別是在調(diào)制分析上有著無可比擬的優(yōu)勢。

　　2 動態(tài)范圍

　　動態(tài)范圍指標(biāo)因其定義不同而有所不同，很多情況下，動態(tài)范圍被描述為儀器測量最大信號和最小信號的電平差值。當(dāng)改變測量設(shè)置時，儀器測量大信號和小信號的能力是不一樣的，例如頻譜分析儀在衰減設(shè)置不一樣的情況下，其測量大信號所帶來的失真是不一樣的。在這里，我們討論儀器能夠同時測量大小信號的能力，即在不改變?nèi)魏螠y量設(shè)置的情況下，示波器和頻譜儀在合適設(shè)置情況下的最佳動態(tài)范圍。

　　對于頻譜儀來說，在不考慮相位噪聲等近端噪聲和雜散情況下，平均噪聲電平、二階失真、三階失真是制約動態(tài)范圍的最主要因素，以主流頻譜儀的技術(shù)指標(biāo)計算，其理想動態(tài)范圍約為90dB（受二階失真限制）。

　　大多數(shù)的示波器由于受其AD有效取樣位數(shù)和噪聲底的限制，傳統(tǒng)示波器的理想動態(tài)范圍通常不超過50dB。（對于R&S RTO示波器，在100KHz RBW時，其動態(tài)范圍可高達(dá)86dB）

　　從動態(tài)范圍來看，頻譜儀要優(yōu)于示波器。但這里要指出的是，這對于常在信號的頻譜分析來說確實如此，然而示波器的頻譜是同一幀數(shù)據(jù)，頻譜儀的頻譜大多數(shù)情況下都不是同一幀數(shù)據(jù)，因而對于瞬變信號來說，頻譜儀可能無法測量到。而示波器發(fā)現(xiàn)瞬變信號（信號滿足動態(tài)范圍的情況下）的概率要大得多。

　　3 靈敏度

　　這里討論的靈敏度，是指示波器和頻譜儀所能測試到最小信號的水平。這個指標(biāo)與儀器設(shè)置緊密相關(guān)。

　　對于示波器而言，示波器在Y軸設(shè)置至最靈敏檔時，通常為1mV/div時示波器所能測試到最小信號，拋開端口不匹配等因素來看，示波器的信號通道產(chǎn)生的噪聲以及軌跡不穩(wěn)定帶來的噪聲是制約示波器靈敏度的最重要因素。

　　4 功率測量準(zhǔn)確度

　　對于頻域分析來說，功率測量準(zhǔn)確度是非常重要的技術(shù)指標(biāo)。無論是示波器還是頻譜儀，對功率測量準(zhǔn)確度的影響量都是非常多的，下面分別列出其主要的影響量：

對于示波器來說，功率測量準(zhǔn)確度的影響量有：端口不匹配引起的反射、垂直系統(tǒng)誤差、頻率響應(yīng)、AD量化誤差、校