深入了解示波器（原理和分类）

作者：AirCity 2020.1.1
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1 写在前面

示波器是硬件研发不可缺少的设备，相信每个硬件工程师都会用，但恐怕大部分只会用那几个常功能，当遇到棘手的问题，还总是抱怨示波器不够高级，抓不到想要的信号。除了设备本身的问题，我们也要问下自己，我们真的了解示波器吗？

如果有一天老板让你选型示波器，建设实验室，我们该关注那些参数呢？请往下看，本文会给你答案。

示波器厂家不多，比如泰克，是德科技，罗德施瓦茨，力科，本文大部分内容来自这些公司官网培训资料。

2 示波器分类

2.1 模拟示波器

模拟示波器两个最大的优点是“实时”性和“无限分辨率”。模拟示波器的屏幕上显示的是实时发生的波形，是真正的“实时”示波器，再高性能的、号称“实时”的高速数字示波器显示的都是采样并处理后的波形数据，无法与模拟示波器的“实时性”相提并论。模拟示波优点如下：

 其垂直（Y轴）分辨率为无穷大，水平（X轴）分辨率也是无穷大。而数字示波器的垂直分辨率一般是8bit或10bit，水平分辨率取决于采样速率。

 没有ADC采样噪声。而任何数字示波器都有采样噪声。

 有“无限等级灰度”特性，容易发现偶发信号，数字存储示波器没有这个功能。

无限等级灰度的解释：模拟示波器用阴极射线示波管显示波形，示波管的带宽与模拟示波器的相同，亦即示波管内的电子运动速度与信号频率成正比，信号频率越高电子速度越快，示波管屏幕的亮度与电子束的速度成反比，低频波形的亮度高，高频波形的亮度低。利用荧光屏的亮度或灰度容易获得信号的第三维信息，如用屏幕垂直轴表示幅度，水平轴表示时间，则屏幕亮度可表示信号幅度随时间分布的变化。这种与时间有关的荧光余辉（灰度定标）效应对观察混合波形和偶发波形十分有效。

 连续波形与单次波形的带宽相同。数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。

波形混淆：当采样频率低于信号频率时，显示出的波形可能不是实际的频率和幅值，有时候我们测量一个高速方波时，刚开始在示波器看到一个低频波形，然后X方向上继续放大，会发现另一个高频波形。

 模拟示波器对信号的测量是连续的，不会丢失带宽范围内的任何细节，而数字示波器可能会由于没有采样到，丢失某些瞬态信号。模拟示波器屏幕上显示的是当时正在发生的所有波形情况，比较适合测量调频，调幅，视频，抖动，噪声等信号。

模拟示波器也有一些缺点，比如测量低频信号时，屏幕闪烁厉害，当信号低于30Hz时，我们只能在屏幕上看到甚至只能看到移动的光点，这时候只能根据光点的轨来推测波形轨迹。原因是模拟示波器CRT上的P31荧光物质的余辉时间很短（小于1ms）。在有些情况下，使用P7荧光物质的CRT能给出大约300ms的余辉时间。只要有信号照射荧光物质，CRT就将不断显示信号波形。而当信号去掉以后使用P31材料的CRT上的扫迹迅速变暗，而使用P7材料的CRT上的扫迹停留时间稍长一些。如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期仅为数秒，甚至信号只触发一次，我们不能在CRT上看到完整波形，有可能只是一个亮点。

模拟示波器在20世纪40年代开发出来以后，带宽一路从100MHz提升到了6GHz，之后并没有什么进步，因为要提高带宽，需要示波管，垂直（Y轴）放大器，水平扫描（X轴）全面推进，这无疑具有很大难度。而数字示波器只需要提高前端ADC带宽即可，因此模拟示波器很快被数字示波器替代。

2.2 数字示波器

2.2.1 数字存储示波器DSO

20年前，泰克TDS210宣告了示波器数字时代的来临，最先出来的就是数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscopes，DSO）。例如泰克的TBS1000系列、TDS200C系列、TBS2000系列，TPS2000B系列，安捷伦的DSO低端示波器等。
下图是DSO的串行处理结构，DSO可以捕获和观察瞬态信号，以数字形式存储、处理之后在显示屏上重现。

串行处理是DSO的典型特点，但也带来了一些缺点：
 实时性差（采样率低时），这是低速数字示波器的通病。
 没有余晖特性，很难发现偶发波形。如果要观察偶发事件，需要加长时间记录，然后做信号处理。而且对于极低概率的周期信号，DSO很难在记录这些信号的同时又能兼顾看到正常周期信号细节。
 会出现混淆波形。

2.2.2 数字荧光示波器DPO

随着采样率的提高，数字示波器每秒可以更新几十万个波形，再加上示波器中的“光栅扫描器”模拟示波管的荧光体发光特性，并且用多个等级亮度分级显示在LCD上，实现了模拟示波器的余晖特性，使数字示波器全面优于模拟示波器，我们称这种示波器为DPO。
再来解释一下“光栅”这个概念，我们可以理解为一种数据到波形直接映射的系统。ADC数据经过专用的ASCI（处理时间极短，几乎认为是实时的），直接转化为显示数据放到显示器的显存中，“放到显存中”即认为显示了图像（这是示波器显示器的原理，每一个像素点都直接对应显存中的数据bit）。

为什么一定要光栅化呢？
数字存储示波器以串行的方式捕获和处理波形，处理器的速度是瓶颈，在处理和显示完成之前，示波器一直在等待下一次触发，势必会错过一些信号。DPO把数字化的波形数据直接光栅化到显示屏，每1/30更新一次屏幕，消除了CPU处理瓶颈，增强了实时性。DPO的微处理器与光栅化过程并行工作，实现显示管理，测量自动化，仪器控制等。
DPO真实模拟了ASO的特性，用三个维度显示信号：时间，幅度和幅度在时间上的分布，所有信息都是实时的。如下图，我们看到颜色比较浅的就是出现概率低的，颜色深的就是概率高的。

DPO最简单的应用实例是，我们用无限余晖特性测量波形的抖动和电源的文波。此外，DPO典型的应用场景有通信模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。产品代表：
泰克：TDS500，TDS700，TDS3000系列
力科：数字余晖示波器waverunner系列

但是随着ADC，CPU技术的提升，数据采集和处理的速度已经足够快，现在大部分的示波器都已经不再是DPO，全部都是数字存储示波器DSO了！

2.2.3 混合域示波器MDO

集成了RF频谱分析仪，MSO或DPO的示波器，实现数字域，模拟域和RF域的所有功能。比如MDO可以查看嵌入式设计内部协议、状态逻辑、模拟信号和RF信号的时间相关显示，降低跨域时间之间测量的难度。

2.2.4 混合信号示波器MSO

把DPO和逻辑分析以结合到一起的示波器，最大的特点是在示波器中集成了总线协议解码器，逻辑触发功能。这种示波器特别适合分析数字电路。

2.2.5 数字采样示波器

数字采样示波器与DSP和DPO的最大区别是衰减器/放大器位于采样桥接器（ADC）的后面。如下图，这样ADC的输入就没有保护电路了，这要求数字采样示波器的输入信号范围是1Vpp，超过3V就会损坏，而DSP和DPO的输入范围是50-100Vpp，最大不得超过500V。

如果信号直接进入ADC，示波器的带宽将不受衰减器/放大器的限制，因此数字采样示波器具有极高的带宽，能够处理极高频率的信号，它的带宽往往比DSO或者DPO提高一个数量级，比如带宽可达80GHz。典型的示波器代表是泰克的DSA8300。

3 示波器的高级功能

如下是示波器的控制面板，常用的功能比如水平放大、垂直放大、触发方式、触发电平、增加标尺线，测量等比较简单，本文不再介绍。下文将会对一些更深入的功能加以介绍。

3.1 关于50Ω和1MΩ端接

示波器内部有两档短接电阻，1M和50Ω，不管是哪种，都是电阻对GND。1M的端接电阻示意图下：


1M的端接电阻适用于大部分测量情况，我们通常用的10X探头代表衰减10倍，探头的内阻是9MΩ，因此就像上图所示，信号到示波器那边，分压，示波器只获得了1/10的信号，因此说这种探头是衰减10倍。当示波器检测到了这种探头，在还原信号时，会自动放大10倍，这时你在示波器上读到的信号电平值，也是真实的值。

许多带宽较高的示波器还具有用户可选择的 50Ω输入端子选择，这种选择通常用于有源探头端子和/或使用50Ω BNC同轴电缆。使用50Ω BNC同轴电缆，适用于被测信号的内阻很小的情况，如电源的阻抗通常是几个Ω，在测量电源纹波时，用50ohm同轴线非常合适。

关于示波器如何识别是10x探头，无源探头，有源探头的内部原理，请参见文章《深入了解示波器探头》

3.2 示波器的存储深度和采样率

“存储深度”也可称为“采样深度”、“记录长度”、“采样点数”，这个是示波器的一个重要指标，它表示示波器单次触发采集点的数量。采样率是指示波器的采样速率，表示每秒采样多少个点。按照奈奎斯特定律，采样率至少是信号频率的2倍，才能还原信号。实际应用中，至少是2.5倍。

安捷伦的示波器如InfiniiVision 4000X系列，采样点数是固定不可调的。如果这个示波器的存储深度是50K，设置的单次采集时间（示波器上横坐标的总时间）是50us，这时的采样率是50K/50us=1G/s；如果设置的单次采集时间是50ms，这时的采样率是50000/50ms=1M/s；所以当我们调整“Time Div”按钮，示波器上显示的实时采样率也在同步变化。

泰克示波器有点小区别，它的采样点数可调。例如MDO3041，最大存储深度是10M，采样速率是5G/s，因此在最高采样率下，单次采集时间最长是10M÷5G/s=2ms。如下图：


如果设置10M存储深度，X轴时间长度为1ms，会发生什么情况？如下图，示波器并没有降低采样率，仍然采了2ms数据，不过只截取显示了1ms数据，如下图所示。

如果设置10M存储深度，X轴时间长度为4ms，示波器就开始下降采样率了，如下图，实际采样率是2.5G/s.

采样率越高，存储深度越大的示波器，性能越好，越有利于获得更高精度的波形！

3.3 示波器的带宽

在示波器本体上看到的带宽，是示波器的-3dB带宽，如下图。

示波器带宽至少是信号频率的5倍，示波器才能获取并还原足够详细的波形，这是我们常用的5倍法则：

示波器带宽≥信号频率x5

信号的高频成分都“藏在”上升沿中，例如1MHz的方波，其基频是1MHz，但是还有非常多的倍频部分，是1MHz的N倍，N是无穷大。这个时候我们要提一个“拐点频率”的概念，根据Dr. Howard W. Johnson的著作High Speed Digital Design A Handbook of Black Magic所述，快速边沿的频谱中存在一个转折点，也称“拐点”，在这个转折点之上，高于fknee的频率分量在确定信号形状时可以忽略不计。拐点频率的计算方法如下：

trise指信号的上升时间。
信号的最高频率成分可以认为就是拐点频率，示波器的带宽应该大于等于这个拐点频率。还以上面1MHz方波计算，方波升时间通常是频率的1/10，即100ns。那么

刚好就是方波频率的5倍，所以5倍经验法则就是这么来的。
上面是通用的计算方法，如果要求更好的精度，可按照如下规则计算;
要求精度 高斯相应示波器（带宽<1G） 最大平坦相应示波器（带宽>1G）

下图是用不同的带宽捕获的信号，可以看到带宽越高，信号的上升沿越陡峭，信号还原度越高。

3.4 不同的采样方法

采样方法分为两种，实时采样和等效时间采样，高级的示波器可以选择采样方法。MDO3000系列只有实时采样模式。

3.4.1 实时采样

当采样频率远大于信号最高频率成分范围时，示波器一次扫描可以呈现非常详细的波形，有足够多的点，这种模式就是实时采样。

实时采样要求示波器具有很高的采样率和存储深度。

3.4.2 等效时间采样

有两种等效时间采样模式：随机方法和顺序方法。随机等效时间采样允许显示出发点前的输入信号，而不是用延迟线路。顺序等效时间采样提供的时间分辨率和精度要高得多。两种方法都要求输入信号是重复的。

如果示波器的ADC采样率低于信号频率的2.5倍，示波器一次出发采样到的点，无法还原信号，就需要等效时间采样了。等效时间采样，每次触发，从重复的波形中采集一些信息，之后每次触发合在一起，恢复波形。每次触发之间有一个延迟，这个延迟要非常精确，通常使用延迟线。

3.5 不同的采集模式

假设存储深度1M，采样率1G/s，示波器单次采集时间（示波器上横坐标的总时间）是1ms，此时单次采样的所有数据刚好铺满整个屏幕。如果将单次采集时间调整为10ms，按照3.2节的说明，示波器将采样率自动降低为1M/10ms=100M/s。但是如果仍然用1G/s的速率采样会怎样呢？最直接的结果是存储深度超过1M，示波器的存储器溢出。但是示波器里面有专用的处理器，可以先处理这些数据，然后再更新到“存储器”中。采样模式不同，处理方法也不同。

3.5.1 正常（普通、默认）模式

按照存储深度÷单次采集时间计算出的采样率采样，波形上的一个点，只采样一次，没有任何处理。

3.5.2 峰值检测模式

单次采样时间调整到大于1ms（沿用3.3节开头的例子，实际就是设置比较慢的Time Div），比如10ms，采样率限制为1G/s，每采样20个点，取其中的最大值和最小值2个值存储。相当于存储了10ms1G/s÷202=1M个点，实际的采样率是1G/s÷20x2=100M/s.

这种模式更容易检查波形中的毛刺和窄脉冲。在使用此模式时，需要同时使用无限余晖功能，下图是正常模式下的波形。

如果打开峰值检测模式，并且打开无限余晖功能，会看到如下波形。这个功能帮助我们发现了毛刺！

3.5.3 平均采集模式

平均采集模式时平均“多次”采集结果，以降低噪声，注意是采集（触发）了多次，这个次数最多可到65536.


n越大，显示一次波形用的时间越长，波形更新越慢。

3.5.4 高分辨率模式

这个模式类似于峰值检测模式，单次采样时间调整到大于1ms（沿用3.3节开头的例子，实际就是设置比较慢的Time Div），比如10ms，采样率仍然限制为1G/s，每采样10个点，取其平均值。相当于存储了10ms*1G/s÷10=1M个点，实际的采样率是1G/s÷10=100M/s. 此模式与平均模式不同，不需要重复性波形。

3.5 包落模式

与峰峰值检测类似。但这个模式需要多次采集一个波形，然后把峰峰值叠加在一起。

3.6 触发

触发模式有中触发模式Normal正常触发和Auto自动触发。
此外，我们还需要清楚“预触发”的概念。

3.6.1 自动触发Auto

即使没有发生触发事件，示波器也会强制采集波形并显示。自动模式使用计时器，当采集开始并且获取预触发信息后启动。如果在计时器超时之前未检测到触发事件，则仪器将强制触发。等待触发事件的时间长度取决于时基的设置。在没有有效触发事件而进行强制触发时，自动模式与显示屏上的波形无法同步。波形将滚动通过屏幕。如果发生有效触发，显示屏将变成稳定状态。
这个是最常用的触发状态。

3.6.1 正常触发Normal

正常模式下，只有到达触发条件（比如触发电平）示波器才会开始扫描并显示波形。否则是空白或上一次触发波形。每触发一次，波形更新一次。

3.6.2 强制触发

顾名思义，从按下时刻开始，强制触发一次。在正常触发模式下，如果一直没有触发，可以强制触发一次看下当前状态。

3.6.3 预触发

下图是示波器的触发缓冲器，也可以认为是示波器的存储深度。示波器总是在采样数据，我们可以认为示波器屏幕中间线（当Time Delay=0时）的左边，一直在反复缓冲数据（FIFO），并寻找触发条件，一旦达到条件，示波器开始缓冲屏幕中间线右边的数据。左边就是预缓冲，右边就是后缓冲。

3.6.4 触发释抑

假设设置的释抑时间是20ns，在满足触发条件后开始计时，20ns内忽略任何触发条件，20ns后再次开始寻找触发条件，直到触发。
主要针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的。通常用于隔离突发脉冲串，使触发点固定于每帧数据的相同位置，实现复杂波形的稳定显示。

4 如何选择示波器

现在大部分都是DSO，很少见DPO，如果要混合信号分析，就考虑MDO或者MSO

第1步选择带宽：
需要知道平时测量什么信号，频率多少，根据3.3节提供的公式和表格计算即可，一般用“5倍法则”，即带宽大于信号频率成分的5倍。精确一点就用表格计算。
如果要测试USB信号，USB信号的频率是200MHz差分信号，建议选择带宽4GHz以上的示波器。
如果要测试MIPI信号，DPHY MIPI最高频率高达750MHz，也建议选择4GHz以上的示波器。
如果只是测量SPI，I2C，CAN，LIN，UART等总线，常见的500MHz带宽足够用了。

第2步选择采样率：
采样率通常是带宽的5-10倍，要求采样率必须大于信号最高频率的2.5V，最好是5倍以上。

第3步选择存储深度：
建议存储深度越大越好。如果你是汽车电子行业，建议选择力科示波器，这家示波器的最大特点就是存储深度很大。建议选择1M以上存储深度的示波器。

第4步选择通道数量：
建议4通道，可以观察多个信号。除了观察通道数量，还需要看下这些通道都支持哪些种类的探头。最好要同时支持无源探头，有源探头，电流探头，逻辑探头等。

第5步选择连接能力：
最好支持插U盘和网线，这对存储测量结果来说，非常有用！

第6步其他考量：
是否需要逻辑解码软件，如I2C，SPI，UART，
支持多种出发类型，除边沿，电平处触发外，最好还要有脉宽触发，逻辑触发。
是否需要频域分析。
品牌考量：是德科技高端示波器很厉害，泰克示波器在中低端占有率很高，力科在汽车电子行业占有率高，罗德施瓦茨貌似用的人少，他家出主要做射频测试仪器。