示波器的基本知识

示波器（oscilloscope）是硬件工程师常用的电子测试仪器。通常它被用来测量电子器件的特征，但是示波器的作用远不止于此，它还可以根据测量的结果做复杂精准的分析和运算，帮助工程师诊断电路和电子器件。经过多年的发展，示波器在各种技术领域都有特殊的优化应用，比如用于监控心跳，脑电波的医学仪器；汽车维修中，分析气缸的火花波形的便携仪器。本文将简单介绍示波器的一些基本知识。

1.示波器的介绍

大部分示波器带有一个直观的显示屏用来显示电压波形，屏幕周围的控制按钮用来协助分析电压波形。少部分示波器是需要依赖于PC来显示和控制的，这种示波器一般可以通过USB或是LAN连接到外部PC。早期的示波器使用阴极射线管显示（CRT，cathode ray tubes），内置线性放大器来做信号处理；现在的示波器多采用液晶显示屏（LCD，liquid crystal display），并集成模拟-数字信号转换器（ADC，analog-to-digital converters）和数字信号处理器。对比早期的模拟示波器，现代示波器也被称为数字示波器。现代示波器功能强大，可以将输入电压波形自行分析计算，并显示幅值，频率，斜升率，时间间隔等参数。

示波器的品牌，种类有很多，但大部分支持的功能都是相同的。示波器基本功能包括以下几种：

• 信号采样
• 信号自动测量，包括频率，峰峰值电压等
• 信号波形绘制，示波器内部会滤掉部分高于带宽噪音，自动算法拟合波形
• 信号触发检测，示波器一般支持多种触发（Trigger）模式，包括边沿触发，电平触发，单次触发等，可能还支持包括IIC，SPI，UART，CAN和LIN总线的串行总线解码（有的示波器可能不支持串行总线解码）

在使用上，示波器大多支持PC或是移动终端对其网络控制和虚拟面板控制。

 

2.示波器的重要参数

（1）带宽

带宽在工程领域指示的意义可能有很多，需要结合具体语境分析，示波器的带宽指的是示波器可以精确测量的频率范围，示波器带宽的范围一般在50 MHz-100 GHz。比如100 MHz的带宽，表示可以精准测量的频率范围是0-100MHz。对于示波器来说，带宽越大也意味着价格更加高昂。但是注意带宽并不总是越大越好，带宽过大，捕捉到的噪音可能会越多；当然，如果带宽不足，信号的幅值可能被错误的测量。

示波器可以被看成低通滤波器，如下图所示，示波器带宽表示的就是从直流（频率 = 0）到Cutoff Frequency（-3dB对应的截止频率）这一段。之所以使用衰减-3dB的点作为截止频率是因为-3dB点也叫做半功率点（half-power point，half-power bandwidth），这一点在工程上通常作为一个标志点来研究，在截止频率以上的信号，可以近似认为是衰减到可以忽略的地步。在这一点，Gain为0.707时，对应的衰减约等于-3.0103dB，如下所示：

之所以使用Gain = 0.707是因为当功率衰减一半，电压会衰减为原本的1/√2，约等于0.707。

可以看出，如果外部噪音的频率大于截止频率，会被衰减一半以上。如果需要研究信号是否受到不同频率噪音的影响，示波器内有快速傅里叶变换函数（FFT，fast Fourier Transform），可以提供信号频谱的观察。

图1

（2）示波器探头

示波器探头（Probe）是示波器的一部分，探头的规格会直接关系到采样波形的质量。探头可以粗略分为两类：有源探头（Active/Current）和无源探头（Passive）。顾名思义，有源探头和无源探头的区别是有源探头内部有电池（或是直流电源），而无源探头内部没有电源。除此之外，对于差分信号的测量，还有专门的有源差分探头可以使用。注意示波器端输入有和探头对应的阻抗，典型值为1 M Ohm。

最常用的示波器探头是无源10：1探头。10：1表示在无源探头手柄上有X1和X10两个选项。分别对应1 M Ohm和10 M Ohm的内阻选择。X1无源探头没有衰减输入信号，X10无源探头对信号有10倍衰减（对应的，在示波器内也需要调整探头选项，使信号尽可能还原显示）。X1无源探头能承受的电压范围要小于X10无源探头。下图是举例10：1无源探头在X1和X10时对应的电压量程：

图2

此外可以从图中看出X1无源探头和X10无源探头的电容也是不同的。

对于测试直流电压，或是低频率电压的使用场景，使用无源探头已经足够，但是注意在测量高频率电压时，必须要考虑无源探头的输入阻抗随着频率增加，会迅速下落而导致的阻抗失配。阻抗匹配指的是从探头尖端和示波器输入通道（channel）之间的匹配。如果阻抗不匹配的话，容易引起测量电路的反射和数据丢失。在低频率段，阻抗主要是由电阻组成，当频率很大时，阻抗主要是电容和电感引起的。添加到无源探头尖端或地线（一般是末端带有鳄鱼夹的长线）的任何引线都会增加电感，而引线电感会增加示波器显示的信号的过冲（overshoot）和振铃（ringing），如下图所示：

图3

下图是X1和X10无源探头在不同频率下的输入内阻。在频率30 kHz时，可以看出X1无源探头的阻抗已经下落到100 kOhm，X10无源探头表现得略好一点，还维持在1 MOhm附近。但是当频率增加到 MHz级，无源探头无论是X1模式，还是X10模式，输入阻抗都降到了10 kOHM以下，在这种高频的情况下，如果仍然使用无源探头，就会导致测量结果不准确。

图4

有源探头的性能会好于无源探头，特别在输入信号是高频率的情况下，有源探头阻抗匹配效果更好。原因是有源探头在无源探头的衰减器和示波器中间插入了一个放大器，将探头与引线的电容和示波器的输入电路隔离开来，减小电容。下图是无源探头和有源探头电路示意图：

图5

比较有源探头和X10无源探头在不同频率下的输入阻抗，如下图所示，可以看出有源探头由于输入电容较低（小于 1 pF），有效使用频率的范围比无源探头大大增加。

图6

有源探头虽然在高频下性能比无源探头好很多，但是其价格也非常昂贵，所以对于示波器探头的选择需要根据工程的需要，在性能和成本之间平衡。

（3）采样频率

采样频率指的是在将外部模拟信号转换成数字信号（ADC）时，探头的采样频率。举例如果示波器采样频率是1 G Sa/s，表示可以将输入模拟波形以每秒钟采样1 G个点的速度转换成数字信号分析。注意有的示波器在使用单channel和多channel时，采样频率可能不同。单channel支持的采样频率会更高。一般来说，采样频率越高，说明示波器能以更快的速度得到精准的波形。

（4）通道（channel）数量

示波器的channel数量一般是2-4个，channel越多，示波器可以同时采样观察更多信号在相同带宽的情况下，channel越多，示波器的采样频率也会要求更大，相应的，示波器的价格会更贵。

下图所示为最多可连接两个channel的示波器的图。

图7

上图中可以看出，该示波器最多可以接两个channel。

四个channel的示波器如下图所示：

图8

探头连接到示波器channel上的接口标准一般有两种：SMA（Sub-Miniature version A）和BNC（Bayonet Neill-Concelman）。这两个接口都是连接同轴线缆（Coaxial Cable）。这两种标准在探头的接口上都很常见，具体需要根据示波器的生产产家，遵循一致的原则即可，或者也可以使用SMA和BNC的转换头。

BNC如下图所示：

图9

SMA接口如下图所示

图10

SMA到BNC的转换接口如下图所示。

图11

SMA接口比起BNC接口，能承受的频率更高。典型的BNC接口的带宽是4 GHz，而SMA接口的典型带宽最高可达26.5 GHz。但对于低频的使用场景，BNC和SMA接口几乎没有差别。

 

3.总结

知道了示波器在工程使用中的重要性和使用示波器的必要性，也了解了使用示波器时需要注意的参数，后面将会介绍如何简单实用示波器。