示波器

示波器

示波器（英語：oscilloscope）是一種能夠顯示電壓信號動態波形的電子測量儀器。它能夠將時變的電壓信號，轉換為時間域上的曲線，原來不可見的電氣信號，就此轉換為在二維平面上直觀可見光信號，因此能夠分析電氣信號的時域性質。更高級的示波器，甚至能夠對輸入的時間信號，進行頻譜分析，反映輸入信號的頻域特性。

示波器綜述

外觀

一個典型的示波器通常是盒狀屏幕，有多個輸入連接，示波器至少包括探頭、顯示器和控制面板三部分。電壓信號通過探頭連接到示波器的輸入端口，經過處理之後的波形就顯示在顯示器上。顯示器一般為長方形，偶爾也有圓形，在表面標記有垂直的網格坐標。傳統的示波器控制面板一般在示波器前部，分布有多個旋鈕、按鈕或開關，用於調整參數，目前最新的示波器——平板示波器採用全觸控屏幕操作，外形如同iPad。

分類

示波器主要可以分為模擬示波器與數字示波器兩類。

• 模擬示波器主要基於陰極射線管，打出的電子束通過水平偏置和垂直偏置系統，打在屏幕的熒光物質上顯示波形。
• 數字示波器主要是通過ADC將模擬數字離散化並存入存儲器，通過CPU或專用芯片進行處理後在屏幕上進行顯示。原有的數字存儲示波器對波形的捕獲率較慢，隨着技術及專用芯片的發展，現有數字存儲示波器的波形捕獲率已經可以達到每秒100萬次，高於模擬示波器的40萬次。 數字示波器又可分為
  • 數字存儲示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）：將信號數字化後再建波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速信號，以及不同時間不同地點觀測到的信號。
  • 數字熒光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）：通過多層次輝度或彩色可顯示長時間內信號。
  • 混合信號示波器（MSO，Mixed Signal Oscilloscope）：把數字示波器對信號細節的分析能力和邏輯分析儀多通道定時測量能力組合在一起，可用於分析數模混合信號交互影響。

數字示波器基本指標

帶寬、採樣率和存儲深度是示波器的三大技術指標。示波器的帶寬定義為信號衰減3dB時的信號頻率。若一台示波器帶寬不夠會導致看到的信號失真，測試不準確。帶寬指標主要體現在衰減器與放大器的指標。實時採樣率體現出示波器的ADC的性能。採樣率通常要大於等於帶寬的4倍。存儲深度影響觀測時間的長短，另外也會影響到示波器的採樣率。因為存儲深度=採樣率×觀測時間，若觀測時間較長（與水平觀測時間相關），則採樣率會下降。除此之外，波形捕獲率和示波器響應速度，觸發條件的多少，底噪的情況，使用的方便性，及擴展性也體現了示波器的性能。

帶寬選擇實例： 已知條件：示波器主機1GHz，探頭配置1.5GHz，被測信號200MHz（上升時間500ps）。

示波器參數	參數值
示波器上升時間	0.35/1GHz = 350ps
探頭上升時間	0.35/1.5GHz = 233ps
整個測量系統上升時間	${\sqrt {350^{2}+233^{2}}}$ = 420ps
整個測量系統實際帶寬	0.35/420 = 833MHz
實測信號所得上升時間	${\sqrt {420^{2}+500^{2}}}$ = 653ps
實際測量誤差	（653 – 500） / 500 = 30.6%

發展趨勢

高性能與通用是示波器發展的兩個趨勢。體現高性能的例子是安捷倫科技的63GHz模擬帶寬、160GSa/s採樣的實時示波器，同時具有低噪聲和高輸入動態範圍的特性，美國力科公司宣布了65GHz模擬帶寬、160GS/s實時採樣率、4~40通道的任意通道示波器系統，大幅的優化了示波器的通道選擇性。另一個趨勢是通用，將更多的功能集成到示波器中，常見的有將邏輯分析功能集成，形成混合型號示波器；將協議分析功能集成，最近安捷倫又將信號源集成到示波器中。力科也在全系列示波器中加上邏輯模組，隨着技術的發展，也許示波器會集成越來越多的功能。

世界主要廠商

• 美國：泰克（Tektronix）、是德科技（Keysight，原安捷倫（Agilent）的電子儀器部門，再之前則是惠普（HP）的儀器部門）、福祿克（Fluke）、力科（LeCroy）、國家儀器（National Instruments）
• 荷蘭：飛利浦（Philips）（90年代其儀器部門與美國福祿克合併）
• 德國：羅德與施瓦茨（R&S，Rohde & Schwarz，原HAMEG）
• 英國：古爾德（GOULD，2014年結束營業）
• 日本：日立（Hitachi）、菊水電子（KIKUSUI Electronics）、岩崎通信機（IWATSU ELECTRIC）、建伍（Kenwood/Trio）、利達（Leader）
• 中國大陸：普源（Rigol）、鼎陽（Siglent）
• 台灣：固緯（GWInstek）

工作原理

示波器主要由電源系統、同步系統、水平偏向系統、垂直偏向系統、延遲掃描系統、顯示系統和標準信號源等部分組成。

模擬示波器

模擬示波器有多種工作模式。

X-Y模式

大多數現代的模擬示波器都有多個電壓輸入，可以用來繪製一個變化的電壓與另一個電壓的對比圖。這對於繪製二極管等元件的I-V曲線（電流與電壓的特性）以及李薩如圖形特別有用。這種曲線是一種典型的跟蹤多個輸入信號之間相位差異的方法，在廣播工程中經常被用來繪製左右立體聲通道，以確保立體聲發生器正確校準。

數字示波器

數字科技的發達讓示波器從傳統的模擬式發展到了數字式。數字系統給示波器帶來了大量強大的特性。

優於傳統的示波器之處：

• 光明大屏幕彩色區分多重痕跡。
• 等效時間採樣和平均跨連續樣品或掃描導致更高的分辨率降至第五。
• 峰值檢測。
• 預設觸發。
• 易潘變焦和多個存儲痕跡讓初學者工作無觸發。

大多數位式示波器的缺點是波形更新的速度過慢。但最近幾年也有數字示波器的波形捕獲率超過模擬示波器

混合信號示波器

混合信號示波器（MSO）有兩種輸入，一小部分（通常是2個或4個）的類比通道，更多（通常為16個）的部份是屬於數位通道;即，含邏輯分析儀的數位示波器，不過邏輯分析儀的功能非常弱，只做簡單時序分析和串行解碼用，無法和傳統邏輯分析儀的強大功能相比，適合只需簡單功能的應用。最新的混合信號示波器加入其它儀器元素，除示波器和邏輯分析儀外，還有串行信號解碼分析，任意波形發生器，數字電壓表功能。