数字示波器及其简单原理图
示波器基础系列之一-关于示波器的带宽(1)
关于示波器的带宽汪进进美国力科公司深圳代表处带宽被称为示波器的第一指标，也是示波器最值钱的指标。
示波器市场的划分常以带宽作为首要依据，工程师在选择示波器的时候，首先要确定的也是带宽。
在销售过程中，关于带宽的故事也特别多。
通常谈到的带宽没有特别说明是指示波器模拟前端放大器的带宽，也就是常说的-3dB截止频率点。
此外，还有数字带宽，触发带宽的概念。
我们常说数字示波器有五大功能，即捕获（Capture），观察（View），测量(Measurement)，分析（Analyse）和归档（Document）。
这五大功能组成的原理框图如图1所示。
图1，数字示波器的原理框图捕获部分主要是由三颗芯片和一个电路组成，即放大器芯片，A/D芯片，存储器芯片和触发器电路，原理框图如下图2所示。
被测信号首先经过探头和放大器及归一化后转换成ADC可以接收的电压范围，采样和保持电路按固定采样率将信号分割成一个个独立的采样电平，ADC将这些电平转化成数字的采样点，这些数字采样点保存在采集存储器里送显示和测量分析处理。
图2，示波器捕获电路原理框图示波器放大器的典型电路如图3所示。
这个电路在模拟电路教科书中处处可见。
这种放大器可以等效为RC低通滤波器如图4所示。
由此等效电路推导出输出电压和输入电压的关系，得出理想的幅频特性的波特图如图5所示。
图3，放大器的典型电路图4，放大器的等效电路模型图5，放大器的理想波特图至此，我们知道带宽f2即输出电压降低到输入电压70.7%时的频率点。
根据放大器的等效模型，我们可进一步推导示波器的上升时间和带宽的关系式，即我们常提到的0.35的关系：上升时间=0.35/带宽，推导过程如下图6所示。
需要说明的是，0.35是基于高斯响应的理论值，实际测量系统中这个数值往往介于0.35-0.45之间。
在示波器的datasheet上都会标明“上升时间”指标。
示波器测量出来的上升时间与真实的上升时间之间存在下面的关系式。
实验2 示波器的原理与应用 (数字示波器) h 10.9
实验2 示波器的原理与应用（补充教材）示波器是用来测量被测信号随时间变化特性的电子测量仪器。
示波器既能观测反映电压和电流信号（需用采样示波器）随时间变化的特性，还能捕捉各种非周期性信号（如随机脉冲）。
用示波器测量的物理量包括：幅度、频率、直流偏置、占空比等，用双踪示波器还可以检测两路信号在幅度、频率和相位之间的相对关系。
在科研和生产实践中，常使用各类传感器（热敏、光电、压电、磁电等传感器），先将待检测的物理量（如温度、光强、压力、磁场、密度、距离等）转化成电学信号，再用示波器来监测。
实验室中，常用的两大类示波器：模拟示波器和数字示波器。
1900年，物理学教授卡尔·费丁南德·布劳恩( Karl Ferdinand Braun)发明了世界上第一个阴极射线管（显像管，Cathode Ray Tube，简称CRT））模拟示波器，他将待测量的电压信号施加在平板电容两端引起电子束的纵向偏转，以便在荧光屏上观测信号的变化。
在1946年，人们发明更通用的触发-扫描功能的模拟示波器。
后来，WalterLeCory借助高速的模拟-数字转换芯片（也叫模数转换器，Analog-to-Digital Converter，以下简称ADC），发明了数字存储示波器（DigitalStorageOscilloscope，以下简称DSO）。
DSO先用ADC将待测的物理量转换成数字量，保存在存储芯片中，后续处理单元读取数据后再进行分析、显示。
随着半导体技术的不断发展，数字存储示波器的触发、分析、测量等功能越来越强大，1980年之后逐步普及开来，使示波器广泛应用在科研、工业、国防等很多领域中。
【实验目的】1．了解示波器的结构与工作原理，学习示波器的使用方法；2．学习函数信号发生器的使用方法；3．观察交流信号波形，测量信号的幅度与周期；4．观察李萨如图，测量信号频率。
5．观测两正弦信号波形的相位差。
【预备问题】1．从CH1通道输入1 V、1 kHz的正弦波，如何操作显示该信号波形？2．当波形水平游动时，如何调节才能使波形稳定？3．如何测量波形的幅度与周期？4．观察李萨如图形时，李萨如图形一般都在动，原因是什么？如何使波形稳定？【实验仪器】示波器、函数信号发生器。
数字存储示波器工作原理 示波器工作原理
数字存储示波器工作原理示波器工作原理数字存储示波器是2023年泰克公司针对中国市场推出的具备更多功能和更多性能的入门机型，截止2023年6月，TDS数字存储示波器系列凭借其在数字实时采样方面的性能表现，加上所具备的多样的分析功能和简洁直观的操作获得"全球zui受欢迎的示波器"称号，更累积销量达到15万台。
数字存储示波器定义数字存储示波器（Digital Storage oscilloscopes—DSO），所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来储存信号。
一般具有以下数字存储示波器特点：1.可以显示大量的预触发信息2.可以通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动测量3.可以长期存储波形4.可以将波形传送到计算机进行储存或供进一步的分析之用5.可以在打印机或绘图仪上制作硬考贝以供编制文件之用6.可以把新采集的波形和操作人员手工或示波器全自动采集的参考波形进行比较7.可以按通过/不通过的原则进行判定8.波形信息可以用数学方法进行处理数字存储示波器工作原理数字存储示波器有别于一般的模拟示波器，它是将采集到的模拟电压信号转换为数字信号，由内部微机进行分析、处理、存储、显示或打印等操作。
这类示波器通常具有程控和遥控本领，通过GPIB接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。
其工作过程一般分为存储和显示两个阶段，在存储阶段，首先对被测模拟信号进行采样和量化，经A/D转换器转换成数字信号后，依次存入RAM中，当采样频率充分高时，就可以实现信号的不失真存储。
当需要察看这些信息时，只要以合适的频率把这些信息从存储器RAM中按原次序取出，经D/A转换和LPE滤波后送至示波器就可以察看的还原后的波形。
一般模拟示波器 CRT 上的 P31 荧光物质的余辉时间小于 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。
自制双通道数字示波器
自制双通道数字示波器
这个版本的PCB是根据一款市售的通用壳体设计的，也就是有“外壳”，如果能用阿莫的机器给开孔那就解决了很多头疼的外壳问题！
本来这个版本的示波器是使用PSP的液晶屏，试验下来发现功耗要比现在所使用的这款3.5寸的大，其实这个屏的分辨率要略高于PSP的480*272，现实更加细腻，只是没有4.3寸的屏看起来爽。
首先放上原理图、PCB和程序文件的下载地址：
自制双通道数字示波器原理图
自制双通道数字示波器PCB
自制双通道数字示波器程序。
数字示波器----太原理工大学物理实验必备
用于控制A/D 转换速率以及存储器的写入速度，它由一个准 确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合 电路组成。
数字存储器
模数转换器从被测信号的特定时间取出若干个样点，由控 制电路形成存储器的写入地址，并将模数变换后的数据一次存 入存储器中，触发信号用于终止存储。
1）写地址计数器
写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成 ，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器的计数频 率应该与控制A/D转换器的取样时钟的频率相同。
数字计算
键盘输入
时基
时钟
数字输 出接口
模拟输 出接口
笔记录仪
IEEE488或其 它母线连接
1）取样
取样即连续波形的离散化。 把模拟波形送到加有反偏的取 样门的a点，在c点加入等间隔 取样脉冲，则对应时间 tn (n ＝1，2，3，…), t是常数 ，取样脉冲打开取样门的瞬间 ，在b点就得到相应的模拟量 an (n＝1，2，3，…)，这个 模拟量an 就是取样后得到的 离散化的模拟量。
缺点
1.高频信号失真比较大。 2.测量复杂信号能力差。 3.取样率不高而低于信号频率，可 能出现假象和混淆波形。 4.价格昂贵！！
面板介绍
标签区 软件菜单区
测 量
存 储
运行控制区
应 用
通 道 总 控 区
控 制 垂 直 区
水 平 控 制 区
触 发 控 制 区 探 头 校 准 信 号
电源开关
液晶显示区
很显然，数字示波器最大取样速率fmax与示波器最快扫描速度相对应。 若该数字示波器最快扫描速度为100μs/div，则其fmax为1GHz。
2.存储带宽
存储带宽与取样速率密切相关。根据奈奎斯特取样定理，如 果取样速率大于或等于信号最高频率分量的2倍，便可重现原 信号波形。 实际上，在数字存储示波器的设计中，为保证显示波形的分 辨率，往往要求增加更多的取样点，一般一个周期取4～10点。 带宽是决定示波器准确测量信号能力的基本参数之一。 带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个 固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽 两种。
[教材]示波器的基本工作原理
![[教材]示波器的基本工作原理](https://img.taocdn.com/s3/m/886fdfc0c0c708a1284ac850ad02de80d4d80671.png)
示波器的基本工作原理随着科学技术的发展，出现了各类电子示波器和示波测量仪器，如数字示波器、存贮示波器、取样示波器、扫频仪、晶体管图示仪等，但其基本组成都包括垂直通道、水平通道和波形显示三部分，如实图8-1所示。
8-1通用示波器的主要组成框图（一）垂直通道电子示波器中通常将被测信号加在垂直通道上，因此要求垂直通道不引起信号的失真。
为增加示波器的功能和使用灵活性，垂直通道通常包括输入衰减器、前置放大器、延迟线、输出放大器及转换开关等部分。
实图8-2为通用双踪示波器的垂直通道方框图。
1．输入电路示波器的输入电路具有较高的输入阻抗，能调节输入信号大小，具有AC和DC耦合方式。
输入电路通常包括探极和输入衰减器。
8-2垂直通道方框图探极安装在示波器机体外部，用电缆和机体相联，其作用是便于直接探测被测信号，提高示波器的输入阻抗，减少波形失真，展宽示波器的使用频带等。
最常用的探极为一无源RC 电路。
8-3 RC 补偿探极衰减电路，如实图8-3所示。
图中R2和C2（包括连接电缆的等效电路）为示波器的输入阻抗，R2通常为1M Ω ，R1为探头内的串联电阻通常为9M Ω，C1为探头的分布电容和微调补偿电容，以上电阻、电容组成一个具有高频补偿的RC 型分压器。
当 C R C R 2211=时，分压器的分压比为 ，而且与频率无关，当R1=9M Ω，R2=1M Ω ，分压比则为1：10，从探针看进去的输入电阻R=R1+R2=10M Ω，而输入电容C C ≈1，c c 21<< 。
因此探头输入电容大大减小，输入阻抗提高十倍，探头具有10倍的衰减。
在测试一个方波信号时调整探头补偿电容C1过大，使 C R C R 2211>，示波器显示波形将出现过补偿，当C1过小使C R C R 2211< ，将出现补偿，只有正确调整微调电容C1使C R C R 2211=时，示波器才能得到良好的方波。
如实图8-4所示。
示波器的使用
正弦波方波和脉冲波三角波和锯齿波
（3）频率微调FREQVAR:频率复盖范围10倍。
（4）分档开关(RANGE-HZ):10HZ-2MHZ(分六档选择)。
（5）衰减器(ATT)：开关按入时衰减低30db。
（6）幅度(AMPLITUDE)；幅度可调。
（7）直流偏移调节(DC OFF SET)：
波形
测量值
正弦波
三角波
方波
人体感应
扫描速度值t(ms/DIV)
周期水平距离x(DIV)
周期值T(s)
频率值f(Hz)
表3 利萨如图形法测量信号频率
标准信号fy(Hz)
500
1000
1500
利萨如图形(稳定值)
频比＝Nx/Ny
待测信号频率fx=fy*(Ny/Nx)
根据利萨如图形的形状计算待测信号频率：
位移旋钮：此旋钮用于 信号在垂直方向的位移。
位移旋钮：功能同 位移。
工作方式选择开关（ 、 、交替、断续）： －只有加到 通道的信号能显示；
－只有加到 通道的信号能显示；交替－加到 、 通道的信号能交替显示在荧光屏上，适用观察高频信号；断续－加到 、 通道的信号同时显示在荧光屏上，适用观察低频信号。
示波器的使用（预习）
一仪器的原理及结构
1．示波器
示波器是一种用途广泛的电子测量仪器。利用它可以测出电信号的一系列参数，如信号电压（或电流）的幅度、周期（或频率）、相位等，数字示波器还可以测量信号的频谱特性。实验室拥有的主要是模拟示波器，数字示波器虽有自动测试功能，给操作带来方便，但显示的波形是量化的不够细腻，观察波形没有模拟示波器清晰，特别是观察含有干扰信号的波形时有一定的困难。模拟示波器的组成包括示波管、水平/垂直部分、触发部分及电源等组成。
物理实验数字示波器
实验13 数字存储示波器实验目的1．了解示波器的基本工作原理和结构；2．学习示波器的基本使用方法；3．学习使用示波器测量正弦波信号的电压和周期；4．学习使用示波器观察李萨如图形。
实验仪器GDS2062数字存储示波器、F05A型数字信号发生器等实验原理1．数字存储示波器的基本原理数字存储示波器（简称数字示波器）与模拟示波器的结构完全不同，它是以微处理器系统（CPU）为核心，再配以数据采集系统、显示系统、时基电路、面板控制电路、存储器及外接控制器等组成。
其简单工作原理见图。
输入的模拟信号首先经垂直增益电路进行放大或衰减变成适于数据采集的模拟信号,随后的数据采集是将连续的模拟信号通过取样保持电路离散化,经A/D变换器变成二进制数码,再将其存入存储器中,采集是在时基电路的控制下进行的,采集的速率可通过“秒/格”旋钮来控制。
采集到的是一串数据流(二进制编码信息),在CPU的控制下依次写入随机存储器中,这些数据就是数字化的波形数据,CPU再不断地将这些数据以定速依次读出,通过显示电路将其还原成连续的模拟信号,使其在显示器上显示出来,屏幕在显示波形的同时,还通过微处理器对采集到的波形数据进行各种运算和分析,并将结果在显示器的适当位置上数字显示出来。
面板上的按钮和旋钮的功能设置都可直接在显示器上数字显示,数字示波器还有RS-232、GPIB等标准通信接口,可根据需要将波形数据送到计算机作更进一步的处理或送打印机打印记录。
2．GDS2062数字存储示波器基本操作图13-1 数字示波器的工作原理图A区：功能控制打开示波器后面的电源开关，按ON/键，示波器通电自检，按AUTOSET 键，示波器自动显示合适的波形。
（1）垂直控制区的操作 通道选择：按下CH1，黄色指示灯亮，示波器显示黄色线为CH1通道信号，按“AUTOSET ”键，示波器自动显示合适的波形。
同样按下CH2，蓝色指示灯亮，示波器显示蓝色线为CH2通道信号。
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数字示波器及其简单原理图
数字示波器可以分为数字存储示波器（DSOs）、数字荧光示波器（DPOs）、混合信号示波器（MSOs）和采样示波器。
数字式存储示波器与传统的模拟示波器相比，其利用数字电路和微处理器来增强对信号的处理能力、显示能力以及模拟示波器没有的存储能力。
数字示波器的基本工作原理如上图所示当信号通过垂直输入衰减和放大器后，到达模-数转换器（ADC）。
ADC 将模拟输入信号的电平转换成数字量，并将其放到存贮器中。
存储该值得速度由触发电路和石英晶振时基信号来决定。
数字处理器可以在固定的时间间隔内进行离散信号的幅值采样。
接下来，数字示波器的微处理器将存储的信号读出并同时对其进行数字信号处理，并将处理过的信号送到数-模转换器（DAC），然后DAC的输出信号去驱动垂直偏转放大器。
DAC也需要一个数字信号存储的时钟，并用此驱动水平偏转放大器。
与模拟示波器类似的，在垂直放大器和水平放大器两个信号的共同驱动下，完成待测波形的测量结果显示。
数字存储示波器显示的是上一次触发后采集的存储在示波器内存中的波形，这种示波器不能实时显示波形信息。
其他几种数字示波器的特点，请参考相关书籍。
Agilent DSO-X 2002A 型数字示波器面板介绍
该示波器有两个输入通道CH1和CH2，可同时观测两路输入波形。
选择通道1时，示波器仅显示通道1的信号。
选择通道2时，示波器仅显示通道2的信号。
选择双通道时，示波器同时显示通道1信号和通道2信号。
荧光屏（液晶屏幕）是显示部分。
屏上水平方向和垂直方向各有多条刻度线，指示出信号波形的电压和时间之间的关系。
操作面板上的各个按钮按下后，相应参数设置会显示在荧光屏上。
开机后，荧光屏显示如下：
测试信号时，首先要将示波器的地（示波器探笔的黑夹子）与被测电路的地连接在一起。
根据输入通道的选择，将示波器探头接触被测点（信号端）。
按下Auto Scale，示波器会自动将扫描到的信号显示在荧光屏上。
输入耦合方式：模拟示波器输入耦合方式有三种选择：交流(AC)、地(GND)、直流(DC)；部分数字示波器则没有ＧＮＤ耦合这种方式，其通过在屏幕上直接标注零电平线的位置的方法来实现ＧＮＤ耦合（用来确定零电平线）的功能。
当选择“地”时，扫描线显示出“示波器地”在荧光屏上的位置。
直流耦合用于测定信号直流绝对值和观
测极低频信号或者需同时观察含有直流成分的交流信号中的交、直流成分。
交流耦合用于观测交流和含有直流成分的交流信号中的交流分量。
在数字电路实验中，一般选择“直流”方式，以便观测信号的绝对电压值。
幅度灵敏度和时间灵敏度：在单位输入信号作用下，光点在屏幕上偏移的距离称为偏移灵敏度，这一定义对X轴和Y轴都适用。
灵敏度的倒数称为偏转因数。
垂直灵敏度的单位是为cm/V，cm／mV或者DIV／mV，DIV／V，垂直偏转因数的单位是V／cm，mV／cm或者V／DIV，mV／DIV。
实际上因习惯用法和测量电压读数的方便，有时也把偏转因数当灵敏度。
可以通过幅度灵敏度旋钮和时间灵敏度旋钮调整波形在屏幕上的显示情况。
下图中CH1和CH2均有输入波形，黄色1和绿色2分别代表2个波形的零电平点所在位置，在DC耦合方式下，高于零点的波形幅度即为正值，低于零点即为负值。
触发：在模拟示波器中，被测信号从Y 轴输入后，一部分送到示波管的Y 轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x 轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X 偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。
数字示波器的工作流程和模拟示波器类似。
当波形在屏幕上左右移动时，即不同步，此时要选择正确的触发源。
触发源(Source)选择：要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。
触发源选择确定触发信号由何处
供给。
通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。
内触发使用被测信号作为触发信号，是经常使用的一种触发方式。
由于触发信号本身是被测信号的一部分，在屏幕上可以显示出非常稳定的波形。
双踪示波器中通道1或者通道2都可以选作触发信号。
当单独观察某一通道的信号时，通常选择该通道信号作触发源。
若双踪同时观察时，若两路信号存在某种相关性，则选波形质量较好的那路作触发源。
若两路信号是非相关信号，为了时这两路信号同时在示波器上稳定，需使用交替触发模式。
电源触发使用交流电源频率信号作为触发信号。
这种方法在测量与交流电源频率有关的信号时是有效的。
特别在测量音频电路、闸流管的低电平交流噪音时更为有效。
外触发使用外加信号作为触发信号，外加信号从外触发输入端输入。
外触发信号与被测信号间应具有周期性的关系。
由于被测信号没有用作触发信号，所以何时开始扫描与被测信号无关。
正确选择触发信号对波形显示的稳定、清晰有很大关系。
例如在数字电路的测量中，对一个简单的周期信号而言，选择内触发可能好一些，而对于多个具有复杂周期的信号，且存在一个与它有周期关系的信号时，选用外触发可能更好。
触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。
电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。
一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。
顺时针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。
当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。
在模拟示波器中，当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(Hold Off)旋钮调节波形的释抑时间(扫描暂停时间)，能使扫描与波形稳定同步。
Agilent DSO-X 2002A示波器示波器的定量测定：
有三种方法可以实现定量测量
（1）类似模拟示波器的读刻度法
根据要测量的水平/垂直方向的量，读取水平/垂直方向波形所占的刻度，乘以对应的水平/垂直灵敏度，即可得到对应的周期/幅度读数。
若需读取高、低电平等以零电平线做参考的参数，则需要从零电平新开始读取格数。
（2）使用”Measure”功能自动测量
数字示波器通常都具有自动测量功能，按下measure菜单，在弹出的菜单中选择对应的测量参量后，添加参量后，即可自动显示该值。
（3）使用“Cursor”功能测量
按下“Cursor”键后，根据待测量选定X或者Y方向的一根或两根光标线，
移动“Cursor”旋钮，读取该光标处，或两根光标线之间的数值。
示波器的通用使用方法：
当使用示波器观测待测信号时，遵循如下步骤：
（1）、打开电源，预热（模拟）或者静待其启动完毕(数字)；
（2）、选择模拟输入通道，将该通道探头的信号拾取端（通常为钩子）和待测信号相连，探头的公共端和待测信号地端相连；
（3）、正确选择探头的衰减比率（如果有需要选择的话），对于固定衰减率的探头，无法在探头上改动，只需设置示波器各个通道的内置衰减率，与示波器探头的实际衰减率想匹配；
（4）、在示波器面板上选择对应的通道和该通道的耦合方式；
（5）、配合调整水平、垂直灵敏度和水平、垂直位移旋钮，使得示波器屏幕上显示待测波形（通常此时待测波形无法稳定显示）；
（6）、根据选择的通道设置触发源，并调整触发电平在波形显示区域内，使待测
波形稳定。
Agilent DSO-X 2002A 型数字示波器带有一个信号输出功能，即可当成信号发生器来使用：
1.Wave Gen键：蓝色有效，此时信号输出端提供相应信号
2.屏幕菜单键：波形、频率、高/低电平or幅度/偏移
3.复用旋钮
4.信号输出端口。