《模電想說愛你不容易》之工具篇：示波器，工程師的“聽診器”

測試小姐姐：“李工，你在測量的這個(gè)是什么信號呀？”

李工：“這個(gè)信號的跳動像不像人的心跳？”

測試小姐姐：“什么心？”

李工：“你的好奇心！”

    示波器作為小伙伴們?nèi)粘９ぷ骱蛯W(xué)習(xí)中經(jīng)常使用的工具，它強(qiáng)大的功能令人嘆服：測量電源紋波、電壓跌落、信號頻率、信號觸發(fā)等等，這些萬用表無法測量的功能它都能夠?qū)崿F(xiàn)。有了示波器，面對電路板不再是陌生的、恐懼的、無助的，通過示波器，我們可以觀察到電路板的心跳和脈搏，查看信號的起起落落。下面我們就一起學(xué)習(xí)一下示波器的功能和使用技巧吧。

一、示波器的分類

示波器可分為兩大類：模擬示波器和數(shù)字示波器，其系統(tǒng)簡圖如下圖所示：

1.模擬示波器

    模擬示波器主要采用陰極射線管CRT進(jìn)行波形的顯示，具有實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示的特點(diǎn)，能夠及時(shí)顯示原始的波形，但它的缺點(diǎn)已遠(yuǎn)超過它的優(yōu)點(diǎn)：帶寬限制、體積大且重、功能單一，特別是帶寬限制，無法滿足實(shí)際測量需求，導(dǎo)致模擬示波器逐漸的退出了歷史的舞臺。如果您有一臺這樣的模擬示波器，請珍藏這位見證了電子發(fā)展史的老友吧！下圖是泰克公司2236型號的模擬示波器，它具有100M的帶寬，垂直分辨率2mV至5V，時(shí)基50nS至0.5S，兩個(gè)輸入通道，雖然這些參數(shù)現(xiàn)在看起來已無優(yōu)勢，但是每見此模擬示波器那種滿滿的年代感在心中不禁油然而生！

圖源|芯片之家

2.數(shù)字示波器

    數(shù)字示波器將輸入的模擬信號數(shù)字化，進(jìn)而存儲和顯示的，因此它相比模擬示波器能夠?qū)崿F(xiàn)更多的功能。隨著技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字示波器的不足也被慢慢彌補(bǔ)，成為了當(dāng)今主流的示波器類型。數(shù)字示波器又可分為數(shù)字存儲示波器、數(shù)字熒光粉示波器、混合信號示波器、混合域示波器和數(shù)字采樣示波器。

（1）數(shù)字存儲示波器（DSO）。此種類型的數(shù)字示波器也就是我們常見的傳統(tǒng)數(shù)字示波器，它的顯示器通常使用的是光柵型屏幕。由于該類型的示波器是將波形以二進(jìn)制格式進(jìn)行存儲的，所以可以用來進(jìn)行波形的分析、存檔、打印，或者通過通訊接口與外部計(jì)算機(jī)進(jìn)行連接，進(jìn)而更加方便的對波形的查看和處理。數(shù)字存儲示波器使用串行處理架構(gòu)在其屏幕上捕捉和顯示信號，其系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖源|泰克官網(wǎng)

（2）數(shù)字熒光示波器（DPO）。此種類型的數(shù)字示波器相對于數(shù)字存儲示波器的串行處理架構(gòu)，采用的是并行處理架構(gòu)實(shí)現(xiàn)捕獲、顯示和分析信號的，此種架構(gòu)能夠提供獨(dú)特的采集和顯示能力，以準(zhǔn)確地重建信號，其系統(tǒng)框圖如下圖所示：

圖源|泰克官網(wǎng)

（3）混合信號示波器（MSO）。此種類型的數(shù)字示波器集成了數(shù)字熒光示波器和邏輯分析儀的功能，既能測量模擬信號又能測量數(shù)字信號，具有強(qiáng)大的數(shù)字觸發(fā)、高分辨率采集和多樣分析工具的特點(diǎn)，是調(diào)試模數(shù)混合信號的不二選擇。

圖源|泰克官網(wǎng)

（4）混合域信號示波器（MDO）。此種類型的數(shù)字示波器集成了混合信號示波器和頻譜分析儀的功能，不僅能夠測量數(shù)?；旌闲盘?，而且能夠顯示信號的頻域信息，對需要同時(shí)觀察信號時(shí)域和頻域信息的調(diào)試提供了極大的便捷。

圖源|泰克官網(wǎng)

（5）數(shù)字采樣示波器。由于數(shù)字采樣示波器的特殊設(shè)計(jì)，先衰減再放大，使其可以實(shí)現(xiàn)超過其他數(shù)字示波器帶寬和高速采樣的十倍以上，是精確捕捉頻率分量遠(yuǎn)高于示波器采樣率信號的理想工具，但它也有一定的條件限制，采樣信號的峰峰值限制在1v左右。

圖源|泰克官網(wǎng)

二、數(shù)字示波器的常見品牌

示波器常見的品牌主要有以下幾種：

1.泰克Tektronix

2.是德Keysight

3.羅德與施瓦茨R/S

4.普源精電Rigol

5.鼎陽Siglent

6.麥科信Micsig

7.固緯GWInstek

8.利利普OWON

9.周立功ZLG

10.優(yōu)利德UNI-T

    目前在中低端市場，國產(chǎn)示波器的性價(jià)比還是比較高的，比如普源精電和鼎陽；在高端市場，還是國外品牌的示波器占主導(dǎo)地位，比如泰克和是德。示波器的發(fā)展一定程度上代表了電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的崛起，相信在不久的將來我們也會擁有屬于自己品牌的高端示波器！

三、數(shù)字示波器的關(guān)鍵參數(shù)

1.帶寬。

示波器的帶寬決定了其能有效測量信號的最大頻率，隨著被測信號頻率的增加，示波器能夠準(zhǔn)確顯示信號的能力就會下降，進(jìn)而出現(xiàn)波形失真、波形細(xì)節(jié)遺失等現(xiàn)象；因此，在測量的過程中，我們要遵循“5倍法則”：示波器的帶寬應(yīng)大于被測信號最高頻率的5倍，以保證被測信號的完整性和準(zhǔn)確性。比如，100M帶寬的示波器，最大能有效測量的信號頻率為20M。

如果遇到帶寬不夠的情況怎么辦呢？第一種辦法是使用探頭的x10檔位進(jìn)行測量，注意，此時(shí)示波器面板相應(yīng)通道的設(shè)置也要調(diào)整為x10檔位；第二種辦法是有些示波器提供了一種數(shù)字信號處理（DSP）的方式可以用來提高帶寬，稱為帶寬增強(qiáng)。

2.采樣率。

采樣率的單位為s/s或者sa/s，代表每秒采樣的次數(shù)，采樣率越高，示波器顯示的波形分辨率和細(xì)節(jié)就越大，關(guān)鍵信息或者事件丟失的可能性也就越小。目前我們常用的示波器的采樣率為500Msa/s、1Gsa/s、2Gsa/s、5Gsa/s等等，最高可達(dá)100Gsa/s以上。

3.存儲深度。

存儲深度是用一個(gè)完整的波形記錄的點(diǎn)數(shù)表示的，它決定了每個(gè)通道能夠捕獲波形的數(shù)據(jù)量，單位為pts，比如一個(gè)數(shù)字示波器的存儲深度為1Mpts，表示該示波器最大能存儲的數(shù)據(jù)量為每秒1M個(gè)。由于示波器的存儲深度是一定的，所以示波器的時(shí)基、采樣率滿足以下關(guān)系：

4.波形刷新率。

波形的刷新率是指示波器更新屏幕波形的速率，單位為wfms/s，表示每秒能刷新的波形數(shù)量，波形刷新率越高的示波器，對信號的行為具有更直觀的洞察力，能夠顯著增加快速捕捉瞬態(tài)異常的概率，比如抖動信號、脈沖信號等。

四、數(shù)字示波器的三大控制系統(tǒng)

    數(shù)字示波器從外觀上看有兩部分組成：顯示屏和控制面板，其中控制面板又可分為垂直控制系統(tǒng)組件、水平控制系統(tǒng)組件、觸發(fā)控制系統(tǒng)組件以及其他功能控制組件。

1.垂直控制系統(tǒng)

    垂直控制系統(tǒng)也就是我們常說的信號電壓幅值大小調(diào)節(jié)組件，除此功能外，還包括以下幾個(gè)常用的功能：

（1）位置。該功能可以實(shí)現(xiàn)信號波形的上下移動，以便于觀察多個(gè)輸入通道的波形。

（2）耦合。包括直流耦合、交流耦合和接地；當(dāng)我們需要同時(shí)觀察信號的直流分量和交流分量時(shí)選擇直流耦合；當(dāng)我們僅需要觀察信號的交流分量時(shí)可選擇交流耦合，比如測量電源的紋波大小。

（3）帶寬。包括帶寬限制和帶寬增強(qiáng)；帶寬限制功能可以減小波形上的噪聲，從而使信號的顯示更清晰，但同時(shí)也會減小甚至消除有效高頻信號內(nèi)容；帶寬增強(qiáng)功能可以改善示波器的通道響應(yīng)，擴(kuò)展了帶寬，同時(shí)減小了上升時(shí)間并改善了時(shí)域階躍響應(yīng)。

2.水平控制系統(tǒng)

    水平控制系統(tǒng)也就是我們常說的時(shí)基，用來調(diào)整顯示屏水平方向每格時(shí)間的大小，主要包括以下幾種功能：

（1）時(shí)基選擇。包括主時(shí)基和延遲時(shí)基，主時(shí)基是系統(tǒng)默認(rèn)使用的，而延遲時(shí)基可以通過設(shè)置時(shí)間延遲或者使用延遲觸發(fā)模式，能夠更清楚的查看主時(shí)基無法看到的事件。

（2）縮放/平移。該功能可以實(shí)現(xiàn)波形在時(shí)基方向的縮放和移動，便于觀察信號。

（3）采樣。包括實(shí)時(shí)采樣、等效時(shí)間采樣和手動模式，實(shí)時(shí)采樣非常適合被測信號頻率范圍小于示波器最大采樣率一半的信號；而等效時(shí)間采樣則適合被測信號頻率范圍超過示波器最大采樣率一半的信號；手動模式可以對采樣率和存儲深度直接且獨(dú)立的控制。

（4）XY模式。該模式下，在水平軸上顯示的是輸入信號而不是時(shí)基，用來觀察輸入信號和輸出信號的相位變化。

3.觸發(fā)控制系統(tǒng)

    觸發(fā)控制系統(tǒng)是示波器非常重要的組件，特別是對捕捉異常信號、脈沖信號、偶發(fā)性信號等起到了關(guān)鍵作用，主要包括以下幾種功能：

（1）觸發(fā)源。包括任意一個(gè)輸入通道、外部觸發(fā)專用通道、電源信號、示波器內(nèi)部定義的信號。

（2）觸發(fā)模式。常見的觸發(fā)模式包括正常觸發(fā)模式、自動觸發(fā)模式、單次觸發(fā)模式、視頻信號觸發(fā)模式以及自動設(shè)置觸發(fā)電平觸發(fā)模式。其中，自動觸發(fā)模式不管信號有沒有滿足觸發(fā)條件，示波器均會進(jìn)行掃描顯示；正常觸發(fā)模式只要信號滿足觸發(fā)條件，示波器均會掃描顯示；而單次觸發(fā)模式不管信號滿足觸發(fā)條件幾次，示波器僅掃描顯示一次。

（3）觸發(fā)類型。常用的觸發(fā)類型包括電平觸發(fā)、邊沿觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)、視頻觸發(fā)、碼型觸發(fā)、上升/下降時(shí)間觸發(fā)、設(shè)置和保持違規(guī)觸發(fā)、串行總線觸發(fā)。

4.其他控制組件。主要包括自動波形參數(shù)測量功能、測量光標(biāo)、不同通道波形之間的數(shù)學(xué)運(yùn)算、打印功能等。

    現(xiàn)代數(shù)字示波器的功能已相當(dāng)強(qiáng)大，不僅顯示屏可以支持支持觸摸功能，而且功能上集成了邏輯分析儀和頻譜分析，可謂一只示波器在手，天下電路板信號無憂??！當(dāng)然，功能越強(qiáng)大的示波器，其價(jià)格也是高昂的。示波器作為研發(fā)調(diào)試工具的利器，能夠熟練使用示波器已成為電子工程師必備的技能。

那一夜，誰傷害了你，而你一病不起；我萬分焦急，尋找示波器；小心翼翼查看你的身體，千絲萬縷，點(diǎn)點(diǎn)滴滴，滿腦子都是你我的回憶；不忍心拋棄你，只好死馬當(dāng)活馬醫(yī)！奇跡奇跡，心跳的脈搏再次響起。啊，我的電路板！