示波器
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示波器(英语:oscilloscope)是一种能够显示电压信号动态波形的电子测量仪器。它能够将时变的电压信号,转换为时间域上的曲线,原来不可见的电气信号,就此转换为在二维平面上直观可见光信号,因此能够分析电气信号的时域性质。更高级的示波器,甚至能够对输入的时间信号,进行频谱分析,反映输入信号的频域特性。
示波器综述
外观
一个典型的示波器通常是盒状屏幕,有多个输入连接,示波器至少包括探头、显示器和控制面板三部分。电压信号通过探头连接到示波器的输入端口,经过处理之后的波形就显示在显示器上。显示器一般为长方形,偶尔也有圆形,在表面标记有垂直的网格坐标。传统的示波器控制面板一般在示波器前部,分布有多个旋钮、按钮或开关,用于调整参数,目前最新的示波器——平板示波器采用全触控屏幕操作,外形如同iPad。
分类
示波器主要可以分为模拟示波器与数字示波器两类。
- 模拟示波器主要基于阴极射线管,打出的电子束通过水平偏置和垂直偏置系统,打在屏幕的荧光物质上显示波形。
- 数字示波器主要是通过ADC将模拟数字离散化并存入存储器,通过CPU或专用芯片进行处理后在屏幕上进行显示。原有的数字存储示波器对波形的捕获率较慢,随着技术及专用芯片的发展,现有数字存储示波器的波形捕获率已经可以达到每秒100万次,高于模拟示波器的40万次。 数字示波器又可分为
数字示波器基本指标
带宽、采样率和存储深度是示波器的三大技术指标。示波器的带宽定义为信号衰减3dB时的信号频率。若一台示波器带宽不够会导致看到的信号失真,测试不准确。带宽指标主要体现在衰减器与放大器的指标。实时采样率体现出示波器的ADC的性能。采样率通常要大于等于带宽的4倍。存储深度影响观测时间的长短,另外也会影响到示波器的采样率。因为存储深度=采样率×观测时间,若观测时间较长(与水平观测时间相关),则采样率会下降。除此之外,波形捕获率和示波器响应速度,触发条件的多少,底噪的情况,使用的方便性,及扩展性也体现了示波器的性能。
带宽选择实例: 已知条件:示波器主机1GHz,探头配置1.5GHz,被测信号200MHz(上升时间500ps)。
示波器参数 | 参数值 |
---|---|
示波器上升时间 | 0.35/1GHz = 350ps |
探头上升时间 | 0.35/1.5GHz = 233ps |
整个测量系统上升时间 | = 420ps |
整个测量系统实际带宽 | 0.35/420 = 833MHz |
实测信号所得上升时间 | = 653ps |
实际测量误差 | (653 – 500) / 500 = 30.6% |
发展趋势
高性能与通用是示波器发展的两个趋势。体现高性能的例子是安捷伦科技的63GHz模拟带宽、160GSa/s采样的实时示波器,同时具有低噪声和高输入动态范围的特性,美国力科公司宣布了65GHz模拟带宽、160GS/s实时采样率、4~40沟道的任意沟道示波器系统,大幅的优化了示波器的沟道选择性。另一个趋势是通用,将更多的功能集成到示波器中,常见的有将逻辑分析功能集成,形成混合型号示波器;将协议分析功能集成,最近安捷伦又将信号源集成到示波器中。力科也在全系列示波器中加上逻辑模块,随着技术的发展,也许示波器会集成越来越多的功能。
世界主要厂商
- 美国:泰克(Tektronix)、是德科技(Keysight,原安捷伦(Agilent)的电子仪器部门,再之前则是惠普(HP)的仪器部门)、福禄克(Fluke)、力科(LeCroy)、国家仪器(National Instruments)
- 荷兰:飞利浦(Philips)(90年代其仪器部门与美国福禄克合并)
- 德国:罗德与施瓦茨(R&S,Rohde & Schwarz,原HAMEG)
- 英国:古尔德(GOULD,2014年结束营业)
- 日本:日立(Hitachi)、菊水电子(KIKUSUI Electronics)、岩崎通信机(IWATSU ELECTRIC)、建伍(Kenwood/Trio)、利达(Leader)
- 中国大陆:普源(Rigol)、鼎阳(Siglent)
- 台湾:固纬(GWInstek)
工作原理
示波器主要由电源系统、同步系统、水平偏向系统、垂直偏向系统、延迟扫描系统、显示系统和标准信号源等部分组成。
模拟示波器
模拟示波器有多种工作模式。
X-Y模式
大多数现代的模拟示波器都有多个电压输入,可以用来绘制一个变化的电压与另一个电压的对比图。这对于绘制二极管等组件的I-V曲线(电流与电压的特性)以及李萨如图形特别有用。这种曲线是一种典型的跟踪多个输入信号之间相位差异的方法,在广播工程中经常被用来绘制左右立体声沟道,以确保立体声发生器正确校准。
数字示波器
数字科技的发达让示波器从传统的模拟式发展到了数字式。数字系统给示波器带来了大量强大的特性。
优于传统的示波器之处:
- 光明大屏幕彩色区分多重痕迹。
- 等效时间采样和平均跨连续样品或扫描导致更高的分辨率降至第五。
- 峰值检测。
- 默认触发。
- 易潘变焦和多个存储痕迹让初学者工作无触发。
大多数字式示波器的缺点是波形更新的速度过慢。但最近几年也有数字示波器的波形捕获率超过模拟示波器
混合信号示波器
混合信号示波器(MSO)有两种输入,一小部分(通常是2个或4个)的模拟沟道,更多(通常为16个)的部分是属于数字沟道;即,含逻辑分析仪的数字示波器,不过逻辑分析仪的功能非常弱,只做简单时序分析和串行解码用,无法和传统逻辑分析仪的强大功能相比,适合只需简单功能的应用。最新的混合信号示波器加入其它仪器元素,除示波器和逻辑分析仪外,还有串行信号解码分析,任意波形发生器,数字电压表功能。
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