浅谈示波器的工作原理

核心部件与基本原理‌

示波器的核心部件是阴极射线管(CRT)，它由电子枪、垂直偏转板、水平偏转板和荧光屏组成。电子枪发射电子束，荧光屏则显示电子束撞击后产生的光点。输入信号通过内部电路转换为控制电子束偏转的电压，从而在荧光屏上形成波形。

示波器通常由信号输入、信号处理和显示三个部分组成，其中信号输入是将待测的模拟信号或数字信号输入到示波器中进行处理的部分，信号处理是将输入的模拟信号或数字信号进行滤波、放大、A/D转换等处理，最终将处理后的信号送到显示部分进行显示。

信号输入

示波器的信号输入是通过探头实现的。探头是将被测电路的信号转换成适合于示波器输入的信号的一个传感器。探头通常有两种类型：被动和主动。被动探头通常具有高输入电阻和低电容，不需要外部电源，适用于低频信号的测量。主动探头具有高输入电阻和低电容，也能够提供定量的增益，并且能够用于高频信号的测量。

信号处理

示波器的信号处理是指将输入的模拟信号或数字信号进行滤波、放大、A/D转换等处理。滤波是指将不需要测量的信号成分滤除，去除噪声和干扰。放大是指将输入信号放大到显示器能够处理的范围内。A/D转换是指将输入信号从模拟信号转变为数字信号，这样才能被数字处理器进行处理。

显示

示波器通过显示器将输入的信号显示出来，主要有两种显示方式：矢量显示和阴极射线显示。矢量显示器是由许多小的矢量探头组成的，能够显示波形、信号频率、信号幅度、相位等信息。阴极射线显示器是通过在荧光屏上利用控制电子束扫描来显示信号，显示准确性高，分辨率高。

电子束的控制与偏转

‌垂直偏转‌：输入信号经过垂直放大器放大后，施加到垂直偏转板上，控制电子束在垂直方向上的移动。例如，正弦信号会使电子束上下移动，形成垂直亮线。

‌水平偏转‌：水平偏转板施加锯齿波电压，使电子束从左到右匀速移动，形成时间轴。当垂直和水平偏转同时作用时，电子束在荧光屏上描绘出输入信号的波形。

同步与扫描

为了稳定显示波形，示波器需要同步输入信号与水平扫描信号。同步信号放大器确保锯齿波扫描与输入信号同步，避免波形在水平方向上随机移动。消隐电路则在回扫期间关闭电子束，防止干扰显示。

应用与扩展

示波器不仅用于测量电压，还可通过转换电路测量电流、频率、相位差等。例如，利用欧姆定律将电流转换为电压，或通过传感器将形变、压力等物理量转换为电信号进行测量。

现代示波器的发展

传统模拟示波器基于CRT技术，而现代数字示波器采用数字化处理技术，具有更高的精度和功能扩展性。例如，数字示波器可以存储波形数据、进行频谱分析等，广泛应用于电子工程、通信、医疗等领域。

‌示波器通过电子束的偏转和荧光屏的显示，将电信号转换为可视波形，是电子测量和分析的重要工具。其工作原理涉及电子束控制、信号同步和扫描技术，具有广泛的应用价值。

示波器主要工作原理

模拟示波器：

模拟示波器主要由示波管、垂直放大电路、水平放大电路和扫描发生器等部分组成。其基本原理是利用电子束在示波管中的偏转来显示信号波形。当被测信号输入到垂直放大电路时，信号被放大并作用于示波管的垂直偏转板上，使电子束在垂直方向上根据信号幅度的大小产生相应的位移。同时，扫描发生器产生一个锯齿波信号，该信号经过水平放大电路放大后作用于示波管的水平偏转板，使电子束在水平方向上以一定的速度从左向右扫描。这样，电子束在垂直和水平两个方向的偏转综合作用下，就在示波管的荧光屏上描绘出被测信号的波形。

数字示波器：

数字示波器首先通过探头接收被测信号，然后经过一个前置放大器对信号进行放大和调理。信号随后进入模数转换器(ADC)，ADC 以一定的采样率将模拟信号转换为数字信号。这些数字信号被存储在存储器中，通过数字信号处理技术(如数据抽取、内插等)对存储的数字信号进行处理，最后将处理后的数字信号转换为图像信号，在显示屏上显示出被测信号的波形。

涉及 RC 滤波的部分

探头部分：示波器探头有时会用到类似 RC 滤波的原理。例如，探头的输入电容和示波器的输入阻抗(可以看作是电阻成分)会构成一个低通滤波电路。当信号频率升高时，由于这个低通滤波电路的作用，高频信号会被衰减。这种特性在一定程度上会影响示波器对高频信号的测量，但这不是示波器主要的工作原理，而是一种可能会对测量产生影响的附带现象。在一些高精度测量中，需要考虑探头的这种滤波特性，并且可以通过对探头的校准和补偿来减小其对测量的不利影响。

输入电路部分：示波器的输入电路也可能包含一些电容和电阻元件，这些元件组合起来可能会起到一定的滤波作用。例如，在信号进入示波器的垂直放大电路之前，为了去除信号中的高频噪声或者防止高频干扰，可能会设置一些简单的 RC 滤波电路。但这只是对输入信号进行初步的预处理，其目的是为了优化输入信号的质量，以便后续的信号处理和波形显示，而不是示波器显示波形的核心原理。

1.带宽

定义：指示波器能够准确测量的最高频率信号，当输入正弦波信号幅度衰减到实际信号幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰减)时，对应的频率即为示波器带宽.

重要性：带宽决定了示波器对信号的基本测量能力，若带宽不足，示波器将无法测量高频信号，信号幅度会出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失.

选择建议：通常遵循 “五倍法则”，即示波器的带宽应该至少是被测信号最高频率的五倍，以确保信号的波形失真最小.

1.1 示波器最大带宽限制的影响

示波器的带宽限制是指示波器能够准确测量的信号频率范围存在上限，主要体现在以下方面：

硬件限制

模拟前端电路：示波器的模拟前端电路包括放大器、衰减器等，这些电路的频率响应特性决定了示波器对不同频率信号的放大和衰减程度。随着信号频率的升高，模拟前端电路的增益会逐渐下降，导致信号幅度衰减，从而限制了示波器能够准确测量的最高频率.

采样保持电路：采样保持电路用于在采样时刻对输入信号进行采样并保持其电平，以便后续的模数转换。采样保持电路的带宽有限，当输入信号频率过高时，无法准确地跟踪信号的变化，导致采样值与实际信号值之间存在偏差，影响测量精度。

探头因素

探头带宽不足：示波器探头是连接示波器和被测设备的接口，探头本身也具有一定的带宽限制。如果探头的带宽低于示波器的带宽，那么信号在通过探头时就会发生衰减，从而降低了示波器能够测量到的有效带宽。即使示波器本身具有较高的带宽，但由于探头的限制，也无法充分发挥其性能.

探头的输入电容：探头的输入电容会与被测电路形成一个低通滤波器，限制了高频信号的通过。输入电容越大，对高频信号的衰减就越严重，从而降低了示波器的有效带宽 .

采样率影响

采样定理限制：根据奈奎斯特采样定理，为了能够准确地重建信号，采样率必须至少是信号最高频率的两倍。然而，在实际的示波器中，由于采样保持电路和模数转换器等的非理想特性，仅仅满足奈奎斯特采样率是不够的，通常需要更高的采样率才能保证测量精度。如果采样率不足，就会导致信号的高频成分丢失或失真，从而限制了示波器能够测量的信号带宽.

采样点数限制：示波器的存储深度是有限的，即一次采集中能够存储的样本数量是有限的。当采样率较高时，在有限的存储深度下，能够测量的时间窗口就会相应缩短，这可能导致无法完整地捕获较长时间的信号波形。为了在有限的存储深度下获得更长的测量时间，就需要降低采样率，但这又会影响对高频信号的测量精度，从而形成了带宽限制.

信号完整性问题

传输线效应：当信号在传输线上传输时，会受到传输线的电感、电容和电阻等参数的影响，导致信号的失真和衰减。如果传输线的长度较长或信号频率较高，传输线效应就会更加明显，从而影响示波器对信号的测量精度。为了减小传输线效应的影响，需要使用短而匹配的传输线，并尽量减小传输线的电感和电容.

电磁干扰：在实际的测量环境中，存在各种电磁干扰源，如其他电子设备、电源线等，这些电磁干扰可能会耦合到被测信号中，导致信号的失真和噪声增加。如果电磁干扰的频率较高，就会超出示波器的带宽范围，从而影响测量结果的准确性。为了减小电磁干扰的影响，需要采取适当的屏蔽和滤波措施，如使用屏蔽线、滤波器等.

实际测量中的影响

频率响应失真：对于超出示波器带宽的信号频率，示波器的频率响应会出现失真，无法准确地测量信号的幅度和相位。信号的高频成分会被衰减，导致波形的上升沿和下降沿变缓，细节丢失，从而影响对信号特征的分析和判断.

幅度测量误差：由于带宽限制，示波器对超出其带宽的信号幅度测量可能会出现误差。信号幅度会被低估，测量结果不准确，从而影响对信号强度的评估.

相位测量不准确：超出示波器带宽的信号相位可能会失真，导致测量得到的相位值与实际值之间存在偏差。这对于需要精确测量信号相位关系的应用，如通信系统中的信号同步等，会产生较大的影响

2.采样率

定义：表示每秒钟示波器采集的样本数，单位为赫兹(Hz).

重要性：高采样率有助于更准确地重建信号波形，采样点越多，所测到的波形就越接近真实波形，重要信息和事件丢失的概率就越小.

选择建议：一般来说，采样率应该是信号最高频率的 5 到 10 倍，根据香农定理，为了避免波形混叠，采样率应不小于信号最高频率的 2 倍，但实际应用中，通常需要更高的采样率.

示波器主要工作原理

模拟示波器：

模拟示波器主要由示波管、垂直放大电路、水平放大电路和扫描发生器等部分组成。其基本原理是利用电子束在示波管中的偏转来显示信号波形。当被测信号输入到垂直放大电路时，信号被放大并作用于示波管的垂直偏转板上，使电子束在垂直方向上根据信号幅度的大小产生相应的位移。同时，扫描发生器产生一个锯齿波信号，该信号经过水平放大电路放大后作用于示波管的水平偏转板，使电子束在水平方向上以一定的速度从左向右扫描。这样，电子束在垂直和水平两个方向的偏转综合作用下，就在示波管的荧光屏上描绘出被测信号的波形。

数字示波器：

数字示波器首先通过探头接收被测信号，然后经过一个前置放大器对信号进行放大和调理。信号随后进入模数转换器(ADC)，ADC 以一定的采样率将模拟信号转换为数字信号。这些数字信号被存储在存储器中，通过数字信号处理技术(如数据抽取、内插等)对存储的数字信号进行处理，最后将处理后的数字信号转换为图像信号，在显示屏上显示出被测信号的波形。

涉及 RC 滤波的部分

探头部分：示波器探头有时会用到类似 RC 滤波的原理。例如，探头的输入电容和示波器的输入阻抗(可以看作是电阻成分)会构成一个低通滤波电路。当信号频率升高时，由于这个低通滤波电路的作用，高频信号会被衰减。这种特性在一定程度上会影响示波器对高频信号的测量，但这不是示波器主要的工作原理，而是一种可能会对测量产生影响的附带现象。在一些高精度测量中，需要考虑探头的这种滤波特性，并且可以通过对探头的校准和补偿来减小其对测量的不利影响。

输入电路部分：示波器的输入电路也可能包含一些电容和电阻元件，这些元件组合起来可能会起到一定的滤波作用。例如，在信号进入示波器的垂直放大电路之前，为了去除信号中的高频噪声或者防止高频干扰，可能会设置一些简单的 RC 滤波电路。但这只是对输入信号进行初步的预处理，其目的是为了优化输入信号的质量，以便后续的信号处理和波形显示，而不是示波器显示波形的核心原理。

1.带宽

定义：指示波器能够准确测量的最高频率信号，当输入正弦波信号幅度衰减到实际信号幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰减)时，对应的频率即为示波器带宽.

重要性：带宽决定了示波器对信号的基本测量能力，若带宽不足，示波器将无法测量高频信号，信号幅度会出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失.

选择建议：通常遵循 “五倍法则”，即示波器的带宽应该至少是被测信号最高频率的五倍，以确保信号的波形失真最小.

1.1 示波器最大带宽限制的影响

示波器的带宽限制是指示波器能够准确测量的信号频率范围存在上限，主要体现在以下方面：

硬件限制

模拟前端电路：示波器的模拟前端电路包括放大器、衰减器等，这些电路的频率响应特性决定了示波器对不同频率信号的放大和衰减程度。随着信号频率的升高，模拟前端电路的增益会逐渐下降，导致信号幅度衰减，从而限制了示波器能够准确测量的最高频率.

采样保持电路：采样保持电路用于在采样时刻对输入信号进行采样并保持其电平，以便后续的模数转换。采样保持电路的带宽有限，当输入信号频率过高时，无法准确地跟踪信号的变化，导致采样值与实际信号值之间存在偏差，影响测量精度。

探头因素

探头带宽不足：示波器探头是连接示波器和被测设备的接口，探头本身也具有一定的带宽限制。如果探头的带宽低于示波器的带宽，那么信号在通过探头时就会发生衰减，从而降低了示波器能够测量到的有效带宽。即使示波器本身具有较高的带宽，但由于探头的限制，也无法充分发挥其性能.

探头的输入电容：探头的输入电容会与被测电路形成一个低通滤波器，限制了高频信号的通过。输入电容越大，对高频信号的衰减就越严重，从而降低了示波器的有效带宽 .

采样率影响

采样定理限制：根据奈奎斯特采样定理，为了能够准确地重建信号，采样率必须至少是信号最高频率的两倍。然而，在实际的示波器中，由于采样保持电路和模数转换器等的非理想特性，仅仅满足奈奎斯特采样率是不够的，通常需要更高的采样率才能保证测量精度。如果采样率不足，就会导致信号的高频成分丢失或失真，从而限制了示波器能够测量的信号带宽.

采样点数限制：示波器的存储深度是有限的，即一次采集中能够存储的样本数量是有限的。当采样率较高时，在有限的存储深度下，能够测量的时间窗口就会相应缩短，这可能导致无法完整地捕获较长时间的信号波形。为了在有限的存储深度下获得更长的测量时间，就需要降低采样率，但这又会影响对高频信号的测量精度，从而形成了带宽限制.

信号完整性问题

传输线效应：当信号在传输线上传输时，会受到传输线的电感、电容和电阻等参数的影响，导致信号的失真和衰减。如果传输线的长度较长或信号频率较高，传输线效应就会更加明显，从而影响示波器对信号的测量精度。为了减小传输线效应的影响，需要使用短而匹配的传输线，并尽量减小传输线的电感和电容.

电磁干扰：在实际的测量环境中，存在各种电磁干扰源，如其他电子设备、电源线等，这些电磁干扰可能会耦合到被测信号中，导致信号的失真和噪声增加。如果电磁干扰的频率较高，就会超出示波器的带宽范围，从而影响测量结果的准确性。为了减小电磁干扰的影响，需要采取适当的屏蔽和滤波措施，如使用屏蔽线、滤波器等.

实际测量中的影响

频率响应失真：对于超出示波器带宽的信号频率，示波器的频率响应会出现失真，无法准确地测量信号的幅度和相位。信号的高频成分会被衰减，导致波形的上升沿和下降沿变缓，细节丢失，从而影响对信号特征的分析和判断.

幅度测量误差：由于带宽限制，示波器对超出其带宽的信号幅度测量可能会出现误差。信号幅度会被低估，测量结果不准确，从而影响对信号强度的评估.

相位测量不准确：超出示波器带宽的信号相位可能会失真，导致测量得到的相位值与实际值之间存在偏差。这对于需要精确测量信号相位关系的应用，如通信系统中的信号同步等，会产生较大的影响

2.采样率

定义：表示每秒钟示波器采集的样本数，单位为赫兹(Hz).

重要性：高采样率有助于更准确地重建信号波形，采样点越多，所测到的波形就越接近真实波形，重要信息和事件丢失的概率就越小.

选择建议：一般来说，采样率应该是信号最高频率的 5 到 10 倍，根据香农定理，为了避免波形混叠，采样率应不小于信号最高频率的 2 倍，但实际应用中，通常需要更高的采样率.