核心部件與基本原理?

示波器的核心部件是陰極射線管(CRT)，它由電子槍、垂直偏轉(zhuǎn)板、水平偏轉(zhuǎn)板和熒光屏組成。電子槍發(fā)射電子束，熒光屏則顯示電子束撞擊后產(chǎn)生的光點(diǎn)。輸入信號通過內(nèi)部電路轉(zhuǎn)換為控制電子束偏轉(zhuǎn)的電壓，從而在熒光屏上形成波形。

示波器通常由信號輸入、信號處理和顯示三個(gè)部分組成，其中信號輸入是將待測的模擬信號或數(shù)字信號輸入到示波器中進(jìn)行處理的部分，信號處理是將輸入的模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理，最終將處理后的信號送到顯示部分進(jìn)行顯示。

信號輸入

示波器的信號輸入是通過探頭實(shí)現(xiàn)的。探頭是將被測電路的信號轉(zhuǎn)換成適合于示波器輸入的信號的一個(gè)傳感器。探頭通常有兩種類型：被動(dòng)和主動(dòng)。被動(dòng)探頭通常具有高輸入電阻和低電容，不需要外部電源，適用于低頻信號的測量。主動(dòng)探頭具有高輸入電阻和低電容，也能夠提供定量的增益，并且能夠用于高頻信號的測量。

信號處理

示波器的信號處理是指將輸入的模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)行濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換等處理。濾波是指將不需要測量的信號成分濾除，去除噪聲和干擾。放大是指將輸入信號放大到顯示器能夠處理的范圍內(nèi)。A/D轉(zhuǎn)換是指將輸入信號從模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，這樣才能被數(shù)字處理器進(jìn)行處理。

顯示

示波器通過顯示器將輸入的信號顯示出來，主要有兩種顯示方式：矢量顯示和陰極射線顯示。矢量顯示器是由許多小的矢量探頭組成的，能夠顯示波形、信號頻率、信號幅度、相位等信息。陰極射線顯示器是通過在熒光屏上利用控制電子束掃描來顯示信號，顯示準(zhǔn)確性高，分辨率高。

電子束的控制與偏轉(zhuǎn)

?垂直偏轉(zhuǎn)?：輸入信號經(jīng)過垂直放大器放大后，施加到垂直偏轉(zhuǎn)板上，控制電子束在垂直方向上的移動(dòng)。例如，正弦信號會(huì)使電子束上下移動(dòng)，形成垂直亮線。

?水平偏轉(zhuǎn)?：水平偏轉(zhuǎn)板施加鋸齒波電壓，使電子束從左到右勻速移動(dòng)，形成時(shí)間軸。當(dāng)垂直和水平偏轉(zhuǎn)同時(shí)作用時(shí)，電子束在熒光屏上描繪出輸入信號的波形。

同步與掃描

為了穩(wěn)定顯示波形，示波器需要同步輸入信號與水平掃描信號。同步信號放大器確保鋸齒波掃描與輸入信號同步，避免波形在水平方向上隨機(jī)移動(dòng)。消隱電路則在回掃期間關(guān)閉電子束，防止干擾顯示。

應(yīng)用與擴(kuò)展

示波器不僅用于測量電壓，還可通過轉(zhuǎn)換電路測量電流、頻率、相位差等。例如，利用歐姆定律將電流轉(zhuǎn)換為電壓，或通過傳感器將形變、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量。

現(xiàn)代示波器的發(fā)展

傳統(tǒng)模擬示波器基于CRT技術(shù)，而現(xiàn)代數(shù)字示波器采用數(shù)字化處理技術(shù)，具有更高的精度和功能擴(kuò)展性。例如，數(shù)字示波器可以存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)、進(jìn)行頻譜分析等，廣泛應(yīng)用于電子工程、通信、醫(yī)療等領(lǐng)域。

?示波器通過電子束的偏轉(zhuǎn)和熒光屏的顯示，將電信號轉(zhuǎn)換為可視波形，是電子測量和分析的重要工具。其工作原理涉及電子束控制、信號同步和掃描技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

示波器主要工作原理

模擬示波器：

模擬示波器主要由示波管、垂直放大電路、水平放大電路和掃描發(fā)生器等部分組成。其基本原理是利用電子束在示波管中的偏轉(zhuǎn)來顯示信號波形。當(dāng)被測信號輸入到垂直放大電路時(shí)，信號被放大并作用于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束在垂直方向上根據(jù)信號幅度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的位移。同時(shí)，掃描發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波信號，該信號經(jīng)過水平放大電路放大后作用于示波管的水平偏轉(zhuǎn)板，使電子束在水平方向上以一定的速度從左向右掃描。這樣，電子束在垂直和水平兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)綜合作用下，就在示波管的熒光屏上描繪出被測信號的波形。

數(shù)字示波器：

數(shù)字示波器首先通過探頭接收被測信號，然后經(jīng)過一個(gè)前置放大器對信號進(jìn)行放大和調(diào)理。信號隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，ADC 以一定的采樣率將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過數(shù)字信號處理技術(shù)(如數(shù)據(jù)抽取、內(nèi)插等)對存儲(chǔ)的數(shù)字信號進(jìn)行處理，最后將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為圖像信號，在顯示屏上顯示出被測信號的波形。

涉及 RC 濾波的部分

探頭部分：示波器探頭有時(shí)會(huì)用到類似 RC 濾波的原理。例如，探頭的輸入電容和示波器的輸入阻抗(可以看作是電阻成分)會(huì)構(gòu)成一個(gè)低通濾波電路。當(dāng)信號頻率升高時(shí)，由于這個(gè)低通濾波電路的作用，高頻信號會(huì)被衰減。這種特性在一定程度上會(huì)影響示波器對高頻信號的測量，但這不是示波器主要的工作原理，而是一種可能會(huì)對測量產(chǎn)生影響的附帶現(xiàn)象。在一些高精度測量中，需要考慮探頭的這種濾波特性，并且可以通過對探頭的校準(zhǔn)和補(bǔ)償來減小其對測量的不利影響。

輸入電路部分：示波器的輸入電路也可能包含一些電容和電阻元件，這些元件組合起來可能會(huì)起到一定的濾波作用。例如，在信號進(jìn)入示波器的垂直放大電路之前，為了去除信號中的高頻噪聲或者防止高頻干擾，可能會(huì)設(shè)置一些簡單的 RC 濾波電路。但這只是對輸入信號進(jìn)行初步的預(yù)處理，其目的是為了優(yōu)化輸入信號的質(zhì)量，以便后續(xù)的信號處理和波形顯示，而不是示波器顯示波形的核心原理。

1.帶寬

定義：指示波器能夠準(zhǔn)確測量的最高頻率信號，當(dāng)輸入正弦波信號幅度衰減到實(shí)際信號幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰減)時(shí)，對應(yīng)的頻率即為示波器帶寬.

重要性：帶寬決定了示波器對信號的基本測量能力，若帶寬不足，示波器將無法測量高頻信號，信號幅度會(huì)出現(xiàn)失真，邊緣將會(huì)消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失.

選擇建議：通常遵循 “五倍法則”，即示波器的帶寬應(yīng)該至少是被測信號最高頻率的五倍，以確保信號的波形失真最小.

1.1 示波器最大帶寬限制的影響

示波器的帶寬限制是指示波器能夠準(zhǔn)確測量的信號頻率范圍存在上限，主要體現(xiàn)在以下方面：

硬件限制

模擬前端電路：示波器的模擬前端電路包括放大器、衰減器等，這些電路的頻率響應(yīng)特性決定了示波器對不同頻率信號的放大和衰減程度。隨著信號頻率的升高，模擬前端電路的增益會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致信號幅度衰減，從而限制了示波器能夠準(zhǔn)確測量的最高頻率.

采樣保持電路：采樣保持電路用于在采樣時(shí)刻對輸入信號進(jìn)行采樣并保持其電平，以便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣保持電路的帶寬有限，當(dāng)輸入信號頻率過高時(shí)，無法準(zhǔn)確地跟蹤信號的變化，導(dǎo)致采樣值與實(shí)際信號值之間存在偏差，影響測量精度。

探頭因素

探頭帶寬不足：示波器探頭是連接示波器和被測設(shè)備的接口，探頭本身也具有一定的帶寬限制。如果探頭的帶寬低于示波器的帶寬，那么信號在通過探頭時(shí)就會(huì)發(fā)生衰減，從而降低了示波器能夠測量到的有效帶寬。即使示波器本身具有較高的帶寬，但由于探頭的限制，也無法充分發(fā)揮其性能.

探頭的輸入電容：探頭的輸入電容會(huì)與被測電路形成一個(gè)低通濾波器，限制了高頻信號的通過。輸入電容越大，對高頻信號的衰減就越嚴(yán)重，從而降低了示波器的有效帶寬 .

采樣率影響

采樣定理限制：根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了能夠準(zhǔn)確地重建信號，采樣率必須至少是信號最高頻率的兩倍。然而，在實(shí)際的示波器中，由于采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等的非理想特性，僅僅滿足奈奎斯特采樣率是不夠的，通常需要更高的采樣率才能保證測量精度。如果采樣率不足，就會(huì)導(dǎo)致信號的高頻成分丟失或失真，從而限制了示波器能夠測量的信號帶寬.

采樣點(diǎn)數(shù)限制：示波器的存儲(chǔ)深度是有限的，即一次采集中能夠存儲(chǔ)的樣本數(shù)量是有限的。當(dāng)采樣率較高時(shí)，在有限的存儲(chǔ)深度下，能夠測量的時(shí)間窗口就會(huì)相應(yīng)縮短，這可能導(dǎo)致無法完整地捕獲較長時(shí)間的信號波形。為了在有限的存儲(chǔ)深度下獲得更長的測量時(shí)間，就需要降低采樣率，但這又會(huì)影響對高頻信號的測量精度，從而形成了帶寬限制.

信號完整性問題

傳輸線效應(yīng)：當(dāng)信號在傳輸線上傳輸時(shí)，會(huì)受到傳輸線的電感、電容和電阻等參數(shù)的影響，導(dǎo)致信號的失真和衰減。如果傳輸線的長度較長或信號頻率較高，傳輸線效應(yīng)就會(huì)更加明顯，從而影響示波器對信號的測量精度。為了減小傳輸線效應(yīng)的影響，需要使用短而匹配的傳輸線，并盡量減小傳輸線的電感和電容.

電磁干擾：在實(shí)際的測量環(huán)境中，存在各種電磁干擾源，如其他電子設(shè)備、電源線等，這些電磁干擾可能會(huì)耦合到被測信號中，導(dǎo)致信號的失真和噪聲增加。如果電磁干擾的頻率較高，就會(huì)超出示波器的帶寬范圍，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了減小電磁干擾的影響，需要采取適當(dāng)?shù)钠帘魏蜑V波措施，如使用屏蔽線、濾波器等.

實(shí)際測量中的影響

頻率響應(yīng)失真：對于超出示波器帶寬的信號頻率，示波器的頻率響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)失真，無法準(zhǔn)確地測量信號的幅度和相位。信號的高頻成分會(huì)被衰減，導(dǎo)致波形的上升沿和下降沿變緩，細(xì)節(jié)丟失，從而影響對信號特征的分析和判斷.

幅度測量誤差：由于帶寬限制，示波器對超出其帶寬的信號幅度測量可能會(huì)出現(xiàn)誤差。信號幅度會(huì)被低估，測量結(jié)果不準(zhǔn)確，從而影響對信號強(qiáng)度的評估.

相位測量不準(zhǔn)確：超出示波器帶寬的信號相位可能會(huì)失真，導(dǎo)致測量得到的相位值與實(shí)際值之間存在偏差。這對于需要精確測量信號相位關(guān)系的應(yīng)用，如通信系統(tǒng)中的信號同步等，會(huì)產(chǎn)生較大的影響

2.采樣率

定義：表示每秒鐘示波器采集的樣本數(shù)，單位為赫茲(Hz).

重要性：高采樣率有助于更準(zhǔn)確地重建信號波形，采樣點(diǎn)越多，所測到的波形就越接近真實(shí)波形，重要信息和事件丟失的概率就越小.

選擇建議：一般來說，采樣率應(yīng)該是信號最高頻率的 5 到 10 倍，根據(jù)香農(nóng)定理，為了避免波形混疊，采樣率應(yīng)不小于信號最高頻率的 2 倍，但實(shí)際應(yīng)用中，通常需要更高的采樣率.

示波器主要工作原理

模擬示波器：

模擬示波器主要由示波管、垂直放大電路、水平放大電路和掃描發(fā)生器等部分組成。其基本原理是利用電子束在示波管中的偏轉(zhuǎn)來顯示信號波形。當(dāng)被測信號輸入到垂直放大電路時(shí)，信號被放大并作用于示波管的垂直偏轉(zhuǎn)板上，使電子束在垂直方向上根據(jù)信號幅度的大小產(chǎn)生相應(yīng)的位移。同時(shí)，掃描發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波信號，該信號經(jīng)過水平放大電路放大后作用于示波管的水平偏轉(zhuǎn)板，使電子束在水平方向上以一定的速度從左向右掃描。這樣，電子束在垂直和水平兩個(gè)方向的偏轉(zhuǎn)綜合作用下，就在示波管的熒光屏上描繪出被測信號的波形。

數(shù)字示波器：

數(shù)字示波器首先通過探頭接收被測信號，然后經(jīng)過一個(gè)前置放大器對信號進(jìn)行放大和調(diào)理。信號隨后進(jìn)入模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，ADC 以一定的采樣率將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號被存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，通過數(shù)字信號處理技術(shù)(如數(shù)據(jù)抽取、內(nèi)插等)對存儲(chǔ)的數(shù)字信號進(jìn)行處理，最后將處理后的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為圖像信號，在顯示屏上顯示出被測信號的波形。

涉及 RC 濾波的部分

探頭部分：示波器探頭有時(shí)會(huì)用到類似 RC 濾波的原理。例如，探頭的輸入電容和示波器的輸入阻抗(可以看作是電阻成分)會(huì)構(gòu)成一個(gè)低通濾波電路。當(dāng)信號頻率升高時(shí)，由于這個(gè)低通濾波電路的作用，高頻信號會(huì)被衰減。這種特性在一定程度上會(huì)影響示波器對高頻信號的測量，但這不是示波器主要的工作原理，而是一種可能會(huì)對測量產(chǎn)生影響的附帶現(xiàn)象。在一些高精度測量中，需要考慮探頭的這種濾波特性，并且可以通過對探頭的校準(zhǔn)和補(bǔ)償來減小其對測量的不利影響。

輸入電路部分：示波器的輸入電路也可能包含一些電容和電阻元件，這些元件組合起來可能會(huì)起到一定的濾波作用。例如，在信號進(jìn)入示波器的垂直放大電路之前，為了去除信號中的高頻噪聲或者防止高頻干擾，可能會(huì)設(shè)置一些簡單的 RC 濾波電路。但這只是對輸入信號進(jìn)行初步的預(yù)處理，其目的是為了優(yōu)化輸入信號的質(zhì)量，以便后續(xù)的信號處理和波形顯示，而不是示波器顯示波形的核心原理。

1.帶寬

定義：指示波器能夠準(zhǔn)確測量的最高頻率信號，當(dāng)輸入正弦波信號幅度衰減到實(shí)際信號幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰減)時(shí)，對應(yīng)的頻率即為示波器帶寬.

重要性：帶寬決定了示波器對信號的基本測量能力，若帶寬不足，示波器將無法測量高頻信號，信號幅度會(huì)出現(xiàn)失真，邊緣將會(huì)消失，細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失.

選擇建議：通常遵循 “五倍法則”，即示波器的帶寬應(yīng)該至少是被測信號最高頻率的五倍，以確保信號的波形失真最小.

1.1 示波器最大帶寬限制的影響

示波器的帶寬限制是指示波器能夠準(zhǔn)確測量的信號頻率范圍存在上限，主要體現(xiàn)在以下方面：

硬件限制

模擬前端電路：示波器的模擬前端電路包括放大器、衰減器等，這些電路的頻率響應(yīng)特性決定了示波器對不同頻率信號的放大和衰減程度。隨著信號頻率的升高，模擬前端電路的增益會(huì)逐漸下降，導(dǎo)致信號幅度衰減，從而限制了示波器能夠準(zhǔn)確測量的最高頻率.

采樣保持電路：采樣保持電路用于在采樣時(shí)刻對輸入信號進(jìn)行采樣并保持其電平，以便后續(xù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換。采樣保持電路的帶寬有限，當(dāng)輸入信號頻率過高時(shí)，無法準(zhǔn)確地跟蹤信號的變化，導(dǎo)致采樣值與實(shí)際信號值之間存在偏差，影響測量精度。

探頭因素

探頭帶寬不足：示波器探頭是連接示波器和被測設(shè)備的接口，探頭本身也具有一定的帶寬限制。如果探頭的帶寬低于示波器的帶寬，那么信號在通過探頭時(shí)就會(huì)發(fā)生衰減，從而降低了示波器能夠測量到的有效帶寬。即使示波器本身具有較高的帶寬，但由于探頭的限制，也無法充分發(fā)揮其性能.

探頭的輸入電容：探頭的輸入電容會(huì)與被測電路形成一個(gè)低通濾波器，限制了高頻信號的通過。輸入電容越大，對高頻信號的衰減就越嚴(yán)重，從而降低了示波器的有效帶寬 .

采樣率影響

采樣定理限制：根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了能夠準(zhǔn)確地重建信號，采樣率必須至少是信號最高頻率的兩倍。然而，在實(shí)際的示波器中，由于采樣保持電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等的非理想特性，僅僅滿足奈奎斯特采樣率是不夠的，通常需要更高的采樣率才能保證測量精度。如果采樣率不足，就會(huì)導(dǎo)致信號的高頻成分丟失或失真，從而限制了示波器能夠測量的信號帶寬.

采樣點(diǎn)數(shù)限制：示波器的存儲(chǔ)深度是有限的，即一次采集中能夠存儲(chǔ)的樣本數(shù)量是有限的。當(dāng)采樣率較高時(shí)，在有限的存儲(chǔ)深度下，能夠測量的時(shí)間窗口就會(huì)相應(yīng)縮短，這可能導(dǎo)致無法完整地捕獲較長時(shí)間的信號波形。為了在有限的存儲(chǔ)深度下獲得更長的測量時(shí)間，就需要降低采樣率，但這又會(huì)影響對高頻信號的測量精度，從而形成了帶寬限制.

信號完整性問題

傳輸線效應(yīng)：當(dāng)信號在傳輸線上傳輸時(shí)，會(huì)受到傳輸線的電感、電容和電阻等參數(shù)的影響，導(dǎo)致信號的失真和衰減。如果傳輸線的長度較長或信號頻率較高，傳輸線效應(yīng)就會(huì)更加明顯，從而影響示波器對信號的測量精度。為了減小傳輸線效應(yīng)的影響，需要使用短而匹配的傳輸線，并盡量減小傳輸線的電感和電容.

電磁干擾：在實(shí)際的測量環(huán)境中，存在各種電磁干擾源，如其他電子設(shè)備、電源線等，這些電磁干擾可能會(huì)耦合到被測信號中，導(dǎo)致信號的失真和噪聲增加。如果電磁干擾的頻率較高，就會(huì)超出示波器的帶寬范圍，從而影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了減小電磁干擾的影響，需要采取適當(dāng)?shù)钠帘魏蜑V波措施，如使用屏蔽線、濾波器等.

實(shí)際測量中的影響

頻率響應(yīng)失真：對于超出示波器帶寬的信號頻率，示波器的頻率響應(yīng)會(huì)出現(xiàn)失真，無法準(zhǔn)確地測量信號的幅度和相位。信號的高頻成分會(huì)被衰減，導(dǎo)致波形的上升沿和下降沿變緩，細(xì)節(jié)丟失，從而影響對信號特征的分析和判斷.

幅度測量誤差：由于帶寬限制，示波器對超出其帶寬的信號幅度測量可能會(huì)出現(xiàn)誤差。信號幅度會(huì)被低估，測量結(jié)果不準(zhǔn)確，從而影響對信號強(qiáng)度的評估.

相位測量不準(zhǔn)確：超出示波器帶寬的信號相位可能會(huì)失真，導(dǎo)致測量得到的相位值與實(shí)際值之間存在偏差。這對于需要精確測量信號相位關(guān)系的應(yīng)用，如通信系統(tǒng)中的信號同步等，會(huì)產(chǎn)生較大的影響

2.采樣率

定義：表示每秒鐘示波器采集的樣本數(shù)，單位為赫茲(Hz).

重要性：高采樣率有助于更準(zhǔn)確地重建信號波形，采樣點(diǎn)越多，所測到的波形就越接近真實(shí)波形，重要信息和事件丟失的概率就越小.

選擇建議：一般來說，采樣率應(yīng)該是信號最高頻率的 5 到 10 倍，根據(jù)香農(nóng)定理，為了避免波形混疊，采樣率應(yīng)不小于信號最高頻率的 2 倍，但實(shí)際應(yīng)用中，通常需要更高的采樣率.