《模电想说爱你不容易》之工具篇：示波器，工程师的“听诊器”

测试小姐姐：“李工，你在测量的这个是什么信号呀？”

李工：“这个信号的跳动像不像人的心跳？”

测试小姐姐：“什么心？”

李工：“你的好奇心！”

    示波器作为小伙伴们日常工作和学习中经常使用的工具，它强大的功能令人叹服：测量电源纹波、电压跌落、信号频率、信号触发等等，这些万用表无法测量的功能它都能够实现。有了示波器，面对电路板不再是陌生的、恐惧的、无助的，通过示波器，我们可以观察到电路板的心跳和脉搏，查看信号的起起落落。下面我们就一起学习一下示波器的功能和使用技巧吧。

一、示波器的分类

示波器可分为两大类：模拟示波器和数字示波器，其系统简图如下图所示：

1.模拟示波器

    模拟示波器主要采用阴极射线管CRT进行波形的显示，具有实时带宽和实时显示的特点，能够及时显示原始的波形，但它的缺点已远超过它的优点：带宽限制、体积大且重、功能单一，特别是带宽限制，无法满足实际测量需求，导致模拟示波器逐渐的退出了历史的舞台。如果您有一台这样的模拟示波器，请珍藏这位见证了电子发展史的老友吧！下图是泰克公司2236型号的模拟示波器，它具有100M的带宽，垂直分辨率2mV至5V，时基50nS至0.5S，两个输入通道，虽然这些参数现在看起来已无优势，但是每见此模拟示波器那种满满的年代感在心中不禁油然而生！

图源|芯片之家

2.数字示波器

    数字示波器将输入的模拟信号数字化，进而存储和显示的，因此它相比模拟示波器能够实现更多的功能。随着技术的进步，数字示波器的不足也被慢慢弥补，成为了当今主流的示波器类型。数字示波器又可分为数字存储示波器、数字荧光粉示波器、混合信号示波器、混合域示波器和数字采样示波器。

（1）数字存储示波器（DSO）。此种类型的数字示波器也就是我们常见的传统数字示波器，它的显示器通常使用的是光栅型屏幕。由于该类型的示波器是将波形以二进制格式进行存储的，所以可以用来进行波形的分析、存档、打印，或者通过通讯接口与外部计算机进行连接，进而更加方便的对波形的查看和处理。数字存储示波器使用串行处理架构在其屏幕上捕捉和显示信号，其系统框图如下图所示：

图源|泰克官网

（2）数字荧光示波器（DPO）。此种类型的数字示波器相对于数字存储示波器的串行处理架构，采用的是并行处理架构实现捕获、显示和分析信号的，此种架构能够提供独特的采集和显示能力，以准确地重建信号，其系统框图如下图所示：

图源|泰克官网

（3）混合信号示波器（MSO）。此种类型的数字示波器集成了数字荧光示波器和逻辑分析仪的功能，既能测量模拟信号又能测量数字信号，具有强大的数字触发、高分辨率采集和多样分析工具的特点，是调试模数混合信号的不二选择。

图源|泰克官网

（4）混合域信号示波器（MDO）。此种类型的数字示波器集成了混合信号示波器和频谱分析仪的功能，不仅能够测量数模混合信号，而且能够显示信号的频域信息，对需要同时观察信号时域和频域信息的调试提供了极大的便捷。

图源|泰克官网

（5）数字采样示波器。由于数字采样示波器的特殊设计，先衰减再放大，使其可以实现超过其他数字示波器带宽和高速采样的十倍以上，是精确捕捉频率分量远高于示波器采样率信号的理想工具，但它也有一定的条件限制，采样信号的峰峰值限制在1v左右。

图源|泰克官网

二、数字示波器的常见品牌

示波器常见的品牌主要有以下几种：

1.泰克Tektronix

2.是德Keysight

3.罗德与施瓦茨R/S

4.普源精电Rigol

5.鼎阳Siglent

6.麦科信Micsig

7.固纬GWInstek

8.利利普OWON

9.周立功ZLG

10.优利德UNI-T

    目前在中低端市场，国产示波器的性价比还是比较高的，比如普源精电和鼎阳；在高端市场，还是国外品牌的示波器占主导地位，比如泰克和是德。示波器的发展一定程度上代表了电子产业的发展，随着国内半导体产业的崛起，相信在不久的将来我们也会拥有属于自己品牌的高端示波器！

三、数字示波器的关键参数

1.带宽。

示波器的带宽决定了其能有效测量信号的最大频率，随着被测信号频率的增加，示波器能够准确显示信号的能力就会下降，进而出现波形失真、波形细节遗失等现象；因此，在测量的过程中，我们要遵循“5倍法则”：示波器的带宽应大于被测信号最高频率的5倍，以保证被测信号的完整性和准确性。比如，100M带宽的示波器，最大能有效测量的信号频率为20M。

如果遇到带宽不够的情况怎么办呢？第一种办法是使用探头的x10档位进行测量，注意，此时示波器面板相应通道的设置也要调整为x10档位；第二种办法是有些示波器提供了一种数字信号处理（DSP）的方式可以用来提高带宽，称为带宽增强。

2.采样率。

采样率的单位为s/s或者sa/s，代表每秒采样的次数，采样率越高，示波器显示的波形分辨率和细节就越大，关键信息或者事件丢失的可能性也就越小。目前我们常用的示波器的采样率为500Msa/s、1Gsa/s、2Gsa/s、5Gsa/s等等，最高可达100Gsa/s以上。

3.存储深度。

存储深度是用一个完整的波形记录的点数表示的，它决定了每个通道能够捕获波形的数据量，单位为pts，比如一个数字示波器的存储深度为1Mpts，表示该示波器最大能存储的数据量为每秒1M个。由于示波器的存储深度是一定的，所以示波器的时基、采样率满足以下关系：

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，单位为wfms/s，表示每秒能刷新的波形数量，波形刷新率越高的示波器，对信号的行为具有更直观的洞察力，能够显著增加快速捕捉瞬态异常的概率，比如抖动信号、脉冲信号等。

四、数字示波器的三大控制系统

    数字示波器从外观上看有两部分组成：显示屏和控制面板，其中控制面板又可分为垂直控制系统组件、水平控制系统组件、触发控制系统组件以及其他功能控制组件。

1.垂直控制系统

    垂直控制系统也就是我们常说的信号电压幅值大小调节组件，除此功能外，还包括以下几个常用的功能：

（1）位置。该功能可以实现信号波形的上下移动，以便于观察多个输入通道的波形。

（2）耦合。包括直流耦合、交流耦合和接地；当我们需要同时观察信号的直流分量和交流分量时选择直流耦合；当我们仅需要观察信号的交流分量时可选择交流耦合，比如测量电源的纹波大小。

（3）带宽。包括带宽限制和带宽增强；带宽限制功能可以减小波形上的噪声，从而使信号的显示更清晰，但同时也会减小甚至消除有效高频信号内容；带宽增强功能可以改善示波器的通道响应，扩展了带宽，同时减小了上升时间并改善了时域阶跃响应。

2.水平控制系统

    水平控制系统也就是我们常说的时基，用来调整显示屏水平方向每格时间的大小，主要包括以下几种功能：

（1）时基选择。包括主时基和延迟时基，主时基是系统默认使用的，而延迟时基可以通过设置时间延迟或者使用延迟触发模式，能够更清楚的查看主时基无法看到的事件。

（2）缩放/平移。该功能可以实现波形在时基方向的缩放和移动，便于观察信号。

（3）采样。包括实时采样、等效时间采样和手动模式，实时采样非常适合被测信号频率范围小于示波器最大采样率一半的信号；而等效时间采样则适合被测信号频率范围超过示波器最大采样率一半的信号；手动模式可以对采样率和存储深度直接且独立的控制。

（4）XY模式。该模式下，在水平轴上显示的是输入信号而不是时基，用来观察输入信号和输出信号的相位变化。

3.触发控制系统

    触发控制系统是示波器非常重要的组件，特别是对捕捉异常信号、脉冲信号、偶发性信号等起到了关键作用，主要包括以下几种功能：

（1）触发源。包括任意一个输入通道、外部触发专用通道、电源信号、示波器内部定义的信号。

（2）触发模式。常见的触发模式包括正常触发模式、自动触发模式、单次触发模式、视频信号触发模式以及自动设置触发电平触发模式。其中，自动触发模式不管信号有没有满足触发条件，示波器均会进行扫描显示；正常触发模式只要信号满足触发条件，示波器均会扫描显示；而单次触发模式不管信号满足触发条件几次，示波器仅扫描显示一次。

（3）触发类型。常用的触发类型包括电平触发、边沿触发、脉冲宽度触发、视频触发、码型触发、上升/下降时间触发、设置和保持违规触发、串行总线触发。

4.其他控制组件。主要包括自动波形参数测量功能、测量光标、不同通道波形之间的数学运算、打印功能等。

    现代数字示波器的功能已相当强大，不仅显示屏可以支持支持触摸功能，而且功能上集成了逻辑分析仪和频谱分析，可谓一只示波器在手，天下电路板信号无忧啊！当然，功能越强大的示波器，其价格也是高昂的。示波器作为研发调试工具的利器，能够熟练使用示波器已成为电子工程师必备的技能。

那一夜，谁伤害了你，而你一病不起；我万分焦急，寻找示波器；小心翼翼查看你的身体，千丝万缕，点点滴滴，满脑子都是你我的回忆；不忍心抛弃你，只好死马当活马医！奇迹奇迹，心跳的脉搏再次响起。啊，我的电路板！