目录摘要 (2)1示波器发展及简介 (2)1.1示波器的发展 (2)1.2模拟示波器 (2)1.3数字示波器 (3)2数字示波器的原理 (3)2.1数字示波器的整体结构图 (3)2.2基本原理 (4)2.3系统控制部分 (4)2.4取样存储部分 (4)2.5读出显示部分 (5)3数字示波器的技术参数 (5)3.1最高数字化采样率 (5)2.2带宽 (6)3.3波形捕捉率 (6)3.4分辨力 (7)3.5扫描时间因数t/div (7)4数字示波器使用时的注意事项 (7)4.1区分模拟带宽和数字实时带宽 (7)4.2有关采样速率 (8)参考文献 (8)数字示波器原理及应用摘要示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。
它不仅会在电子类专业平时的实验中会经常用到，在我们以后的工作生活中也会经常的用到示波器这种仪器。
本文主要是结合平时做实验以及从别的方面了解到示波器的基础上，介绍示波器的发展、构造及原理,并阐述了示波器在学习、工作中的应用及其维修方面的一些常识。
关键词：数字示波器；发展；原理；应用；1示波器发展及简介1.1示波器的发展示波器是一种用途之分广泛的电子测量仪器，它自1933年诞生至今已经有60多年的历史。
第一台示波器十分简单,由一支示波管一个电源和一个简单的扫描电路组成,只能用于观察信号。
第二次世界大战前后,随着无线电通讯和雷达技术发展,对示波器提出迫切要求,促使示波器在电路结构技术指标等方面有了很大改进,这时的示波器能对信号进行定量的测量。
随着微型计算机和仪器通用接口的出现,将示波器的自动化发展推到了崭新的水平。
微型计算机引人到了示波器,给传统的示波器带来了巨大的冲击和影响,使示波器在设计、性能、功能、使用、操作以及故障诊断等方面都产了巨大的变化。
示波器在内部电路结构上也随着半导体制造工艺以及各种大规模和专用的集成电路的影响由晶体管发展到集成电路,电路形式上由模拟电路发展到数字电路,功能上已从时域分析发展到数据域分析和频域分析。
目前示波器已经由通用示波器发展到取样示波器、记忆示波器、数字存储示波器、逻辑示波器、智能化示波器等近十大系列,几百个品种,现在市场上性能较好的示波器应属数字存储示波器。
但总结以上示波器的分类也可以概括性的分为模拟示波器和数字示波器1.2模拟示波器模拟示波器（也叫通用示波器）采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。
屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。
它是最早发展起来的示波器,应用也最广泛,能够定性定量的观测信号和分析信号,所以凡涉及到电子技术的地方均离不开它。
它又可以分为中低档示波器,高档示波器。
中低档示波器：一般指带宽为looMH:以下,最高输人灵敏度为ZmV/div~10mV/div之间的示波器。
这种示波器需求量较大,大概占示波器总销售量的50%以上,目前该类示波器的集成度已达到80%以上。
高档示波器：一般带宽为10oMHz以上的示波器称为高档示波器,也叫宽带示波器。
一般多数公司把带宽仅做到300MH:左右,而美国TEK公司早在1971年就试制出带宽为sooMH:示波器(TEK7904),1971年又试制出l000MHz带宽的示波器(TEK7104),它采用一种被称作“微通道板”的示波管,采用了砷化稼,磷化钾为材料特征频率fr达到10GHz的线性集成电路。
这种带有微通道板的示波器克服了一般示波器在慢扫的情况下,由于磷化物材料的短余辉特性会引起图形发生闪烁,而快捷的单次信号将过快闪过屏幕而难于对波形进行分析的缺点。
但是由于其价格太高,技术复杂,市场不是很大。
由于模拟示波器(通用示波器),只能用于观察和分析重复的周期信号,对于慢速,单次或偶尔重复的高速信号是难以分析。
如果用照像的方法,摄取单次信号,使用起来也很不方便,所以现在大多地方都在用数字示波器。
1.3数字示波器数字示波器也叫数字式存储示波器或数字式采样示波器，此种示波器是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。
数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。
还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。
数字存储示波器是利用A/D转换把被测模拟信号变为数字信号,然后存人随机存储的RAM 中,需要显示时,将RAM中存储的内容调出,通过相应的D/A数模转换器再恢复为模拟信号显示在示波管的CRT上①。
数字存储示波器不仅可以观测周期性重复信号,而且也能够观测非周期的单次的或随机的信号。
这是因为数字存储示波器采用的是实时取样,即每隔一个时钟周期取样一次,所以可以观测单次信号,而模拟示波器只能满意的观测周期性重复信号,对变化很快的非重复信号,则无法记录。
与模拟示波器相比较数字存储示波器有自己独有的特点。
由于数字示波器的种种优点以及非常强的实用性能，所以在这里我们主要介绍数字示波器。
2数字示波器的原理2.1数字示波器的整体结构图②2.2基本原理数字存储示波器,它是用A/D变换器把模拟信号转换成数字信号,然后存在半导体存储器RAM中,需要时将RAM中存储内容调出,通过相应的D/A变换器,再恢复成模拟量显示在示波管屏幕上。
在这种示波器中信号处理功能和信号显示功能是分开的。
它的性能完全取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器和半导体存储的性能。
数字存储示波器中,把输人的被侧模拟信号先送至A/D变换器进行取样、量化和编码,成为数字“1”、“0”码,存储到RAM中,这个过程称为存储器的“写过程”,然后再将这些“o”、“1’’码从RAM中依次取出,顺序排列起来,经D/A转换使其包络重现输人模拟信号,这就是“读过程”。
在数字存储示波器中,采用实时取样方式,既可观测单次信号,也可以观察到重复信号;采用顺序取样或随机取样方式的只能观侧到重复信号③。
2.3系统控制部分系统控制部分由键盘、只读存储器(ROM)、CPU及UO接口等组成。
在ROM内写有仪器的管理程序,在管理程序的控制下,对键盘进行扫描产生扫描码,接受使用者的操作,以便设定输人灵敏度、扫描速度、读写速度等参数和各种测试功能。
2.4取样存储部分取样存储部分主要由输人通道、取样保持电路、取样脉冲形成电路、A/D转换器、信号数据存储器等组成。
取样保持电路在取样脉冲的控制下,对被测信号进行取样,经A/D转换器变换成数字信号,然后存人信号数据存储器中。
取样脉冲的形成受触发信号的控制,同时也受CPU 控制。
取样和存储过程如下图所示。
取样与存储过程示意图2.5读出显示部分读出显示部分由显示缓冲存储器、DIA转换器、扫描发生器、X放大器、Y放大器和示波管电路组成。
它在接到读命令后,先将存储在显示缓冲存储器中的数字信号送D/A转换器,将其重新恢复成模拟信号,经放大后送示波管,同时扫描发生器产生的扫描阶梯波电压把被测信号在水平方向展开,从而将信号波形显示在屏幕上。
读出和显示过程如下图所示读取与显示过程示意图3数字示波器的技术参数3.1最高数字化采样率数字化采样率是单位时间内对模拟输人信号的取样次数。
即,单位时间内对模拟输人信号的取样次数。
即单位时间内能够进行多少次取样变换,它主要取决于A/D变换器的转换速率,当数字存储波器采用不同的A/D变换计数时,其最高数字化速率亦不同。
数字化取样速率常以每秒的取样点MS/s(sample/seeond)来表示,在实际应用中,数字化采样率根据被测信号所设定的扫描时间(t/div)来选择。
采样速率的大小与捕获信号的能力有直接关系,一般情况下,至少需要10个点,才能精略的描绘正弦波的一个周期,但是如果采用正弦插人(SinX/X)法再现波形,每个周期至少需要3~4个点,所以说数字化采样速率和实时带宽有关。
换句话说实时带宽与最高数字化采样率,以及其所采用的显示方式有关。
采样率（MS/s）10201004001000采用矢量显示时的带宽（MHz）121040100采用正弦内插显示时的带宽（MHz） 2.5525100250采样率与带宽的关系表④2.2带宽数字示波器的带宽条件,取决于采集方式:重复采集与单次采集。
重复采集采用的是等效时间取样技术(包括顺序取样)用于测量快速的重复信号。
存储的波形是输人信号波形的多次重复取样的合成,这时示波器的带宽称为模拟带宽或叫等效存储带宽,它与模拟示波器的带宽的概念是一个样的,是指构成示波器愉人通道的电路的带宽特性,表示数字示波器可以不加失真的接收的最高频率。
单次采集采用的是实时取样技术来测量信号,这时不管信号是重复或是单次出现,示波器只做一次采集,并以实时的方式显示。
由于采用实时取样的工作方式,故能观察单次信号和缓慢变化的信号,这时的带宽又称为单次带宽或实时带宽。
这一带宽既取决于最大数字化采样速率,也取决于所采用的显示恢复技术—光点显示,矢量显示或内插显示。
其最高带宽是奈奎斯特(Nyquist)频率极限,它是最大数字化采样率的一半。
对一个满刻度的正弦波来说,单次带宽(实时带宽)(以MHz为单位)的定义方程为:带宽=最高数字化采样率K，式中K用光点显法约等于2.5,用矢量显示约为10,用正弦内插显示约等于2.5,一般取4。
⑤3.3波形捕捉率一般模拟示波器可以清晰的再现被观察信号的真实细节,特别适合于观测噪声或反射诱发的干扰,而普通的数字示波器由于其工作原理以及信号采集处理和显示和方式造成不能精确的再现波形的原貌。
这对于许多应用就受到限制。
所以有的时候大家还是比较习惯于使用模拟示波器,这主要是因为模拟示波器的波形捕捉率可达40000次/s,而一般的数字示波器的波形捕捉率只能达到100一150次/s，而最新的示波器其内部采用了INsTAvu采集方式,使其波形捕捉率也能达到40000次/s,所以用采了INSTA VU采集方式的示波器既具备了模拟示波器的优点,又具备有数字示波器的优点。
3.4分辨力在数字存储示波器中,屏幕上的点是不连续的,而是量化的,分辨力是指“量化”的最小单元,可用1/2n或百分比来表示,分辨力也可以定义为示波器所能分辨的最小电压增量。
分辨力有垂直和水平分辨率,垂直分辨力取决于A/D变换器对量化值进行编码的位数。
若A/D变换器是几位编码,则最小量化单元为1/2n,若A/D是8位,则分辨率为l/28,即0.391%。
若A/D是10位,则分辨率为1/210,即0.0976%;若A/D是12位,则分辨率为1/212,即0.0244%,若满度输出为10V,则分辨力也可以分别计为39.lmv,9.76mV,2.44mV,分辨力也可用每格的级数来表示,如果采用8位编码,共有2一256级。
若垂直方向共有8格则分辨力为32级/格⑥。
在数字化存储示波器中,通过对信号多次平均处理,消除随机噪声,可使垂直分辨力提高。