示波器基础知识
示波器探头基础知识
示波器探头基础知识示波器探头原理---示波器探头工作原理示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。
探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。
这种探头通常对输入信号进行衰减。
我们将首先集中讨论通用无源探头，说明共主要技术指标以及探头对被测电路和被测信号的影响，接着简单介绍几种专用探头及其附近。
屏蔽示波器探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一普通导线来代替探头，那么它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或60Hz的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，这类噪声甚至还能注入到被测电路中去所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。
一．探头构造图：4. 一个探头，就算它只是简单的一条电线，它也可能是一个很复杂的电路。
a）对于DC 信号( 0 Hz 频率)，探头作为一对导线与一系列电阻，就向一个终端电阻一样。
b) AC 信号的特性变化是因为：电线具有分布电感(L)，电线具有分布电容(C)。
分布电感反作用于AC信号，在信号频率增加时，阻止AC信号通过。
分布电容反作用于AC信号，在信号频率增加时，减小 AC信号电流通过的阻抗。
这些反作用元件(L 和 C )的交互作用，与电阻元件(R)一起，成为随信号频率不同而变化的探头阻抗。
示波器选型（探头技术指标参数的意义）自从示波器问世以来，它一直是最重要，最常见的电子测试仪器之一，由于电子技术的发展，示波器的功能在不断上升完善，其它性能和价格也是五花八门主，其探头也是从单一到复杂。
一。
频宽和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。
示波器基础知识
• 统一带宽的标准
– 模拟带宽＝重复信号带宽＝单次信号带宽 – 每一通道都有同样的表现
22
数字示波器的波形捕获率
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波形捕获速率是示波器重要的指标
• 示波器是观察电信号的窗口
–不但要观察重复信号并要捕获单次信号， –而且需要捕获重复信号中的毛刺和偶然事件。 –不但显示简单信号而且能显示复杂信号 –实时显示波形变化，并可生成丰富的数据，准确地反映 波形的活动情况。
– 被测上升时间＝ /信号上升时间²＋仪表上升时间²
例：信号上升3.5nS,仪表上升3.5nS,测得上升时间为： 上升时间与测量精度 示波器与信号上升时间之比 1:01 2:01 3:01 4:01 5:01 7:01 10:01 测量精度 41% 22% 12% 5% 2% 1% 0.50%
10
15
数字等效采样技术
需要对信号进行多次触发
从重复性信号的不同的周期经过多次单采样， 从重复性信号的不同的周期经过多次单采样，取得足够的采样点 来重建这个重复信号的波形。等效采样必须满足两个前提条件： 来重建这个重复信号的波形。等效采样必须满足两个前提条件： 1、信号必须是重复的 2、必须能稳定触发
每秒8个采样点 每秒 个采样点
采样率＝ 采样率＝8S/s 1 最快扫 （显示屏上每格 显示点数目） 描速度 显示点数目） 等效转换率 ＝1 / (5nS/25) =5GS/s
其他定义（等效） 其他定义（等效）
是指最快的水平扫描速度 转换率是指最快的水平扫描速度下 转换率是指最快的水平扫描速度下，把 对重复信号多次触发收集的采样点 收集的采样点显 从对重复信号多次触发收集的采样点显 示在屏幕上时 上时， 示在屏幕上时，点与点之间的最小时间 距离。 距离。
示波器基础(一)——示波器基础知识之一
示波器基础（一）——示波器基础知识之一1．1 说明和功能我们可以把示波器简单地看成是具有图形显示的电压表。
普通的电压表是在其度盘上移动的指针或者数字显示来给出信号电压的测量读数。
而示波器则与共不同。
示波器具有屏幕，它能在屏幕上以图形的方式显示信号电压随时间的变化，即波形。
示波器和电压表之间的主要区别是：1.电压表可以给出祥测信号的数值，这通常是有效值即RMS值。
但是电压表不能给出有关信号形状的信息。
有的电压表也能测量信号的峰值电压和频率。
然而，示波器则能以图形的方式显示信号随时间变化的历史情况。
2.电压表通常只能对一个信号进行测量，而示波器则能同时显示两个或多个信号。
显示系统示波器的显示器件是阴极射线管，缩写为CRT，见图1。
阴极射线管的基础是一个能产生电子的系统，称为电子枪。
电子枪向屏幕发射电子。
电子枪发射的电子经聚焦形成电子束，并打在屏幕中心的一点上。
屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就发出光来。
图1 阴极射线管图电子在从电子枪到屏幕的途中要经过偏转系统。
在偏转系统上施加电压就可以使光点在屏幕上移动。
偏转系统由水平（X）偏转板和垂直（Y）偏转板组成。
这种偏转方式称为静电偏转。
在屏幕的内表面用刻划或腐蚀的方法作出许多水平和垂直的直线形成网络，称为标尺。
标尺通常在垂直方向有8个，水平方向有10个，每个格为1cm。
有的标尺线又进一步分成小格，并且还有标明0％和100％的特别线。
这些特别的线和标明10％和90％的标尺配合使用以进行上升时间的测量。
我们后面会讨论这个问题。
如上所述，受到电子轰击后，CRT上的荧光物质就会发光。
当电子束移开后，荧光物质在一个短的时间内还会继续发光。
这个时间称为余辉时间。
余辉时间的长短随荧光物质的不同而变化。
最常用的荧光物质是P31，其余辉时间小于一毫秒(ms).而荧光物质P7的余辉时间则较长，约为300ms，这对于观察较慢的信号非常有用。
P31材料发射绿光，而P7材料发光的颜色为黄绿色。
示波器的使用原理
示波器的使用原理
示波器是一种专门用于测量和显示电信号波形的仪器。
它通过将电信号转换为可见的图形，使得人们能够直观地观察和分析电信号的各种特征和参数。
示波器的基本组成部分包括：输入端口、垂直放大器、水平放大器、时间基准、触发电路和显示屏幕。
首先，电信号从输入端口进入示波器。
输入端口通常是一个电缆插孔，用于连接待测电路或设备的信号输出。
接下来，信号经过垂直放大器进行放大。
垂直放大器的作用是将输入信号幅度调整到适合示波器的显示范围内。
放大器通常采用可变增益的形式，使得用户可以根据需要调整信号的显示大小。
然后，信号经过水平放大器进行水平方向上的放大。
水平放大器用于调整信号在水平方向上的显示速率，以便让用户能够清晰地观察到信号的波形特征。
时间基准是示波器中的一个重要组成部分，用于提供水平方向上的时间参考。
通过调整时间基准，用户可以改变示波器屏幕上信号波形的显示速率。
触发电路的作用是确定显示屏上显示的信号波形的起始位置。
触发电路通过对输入信号进行比较和判断，当满足用户设定的触发条件时，触发电路会发出触发信号，告诉示波器从何处开
始显示。
最后，通过电子束在显示屏上绘制图形，将输入信号的波形显示出来。
通常示波器的显示屏是一个阴极射线管，通过控制电子束的位置和强度，可以在屏幕上绘制出各种波形形状。
总之，示波器通过将电信号转换为可见的图形，帮助用户直观地观察和分析信号波形。
它的工作原理是通过放大、调整显示速率、触发和绘制图形等步骤来实现。
示波器及探头使用
示波器及探头使用公司目前使用的示波器以数字示波器为主，分为两类，一类是福禄克（FLUKE）数字示波器，另一类是泰克（Tektronix ）,另外还有一台建伍（KENWO0D）模拟示波器。
示波器在生产和研发中都是非常重要的一种仪器，而且也是非常昂贵的一种仪器，所以正确使用示波器不仅能提高工作效率，也能减小对示波器的不合理损耗。
一、示波器基础知识♦什么叫示波器？示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。
在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。
有时称亮度为Z轴。
这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分” 信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值（DC）和交流值（AC）信号的噪声值和噪声是否随时间变化。
♦波形测量频率和周期不断重复的信号具有频率特性。
频率的单位是赫兹（Hz）,表示一秒时间内信号重复的次数。
成为周期每秒。
重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。
周期和频率互为倒数关系，即1/ 周期等于频率，同理1/ 频率等于周期。
电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。
有时把地线或零电压作为参考点。
如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值- 峰值。
幅度幅度是指电路两点间电压量。
幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。
其他有些示波器还提供了测量相位、占空比、延时、上升时间等的功能。
♦示波器的分类模拟示波器本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。
示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT。
电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。
当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。
在屏幕同一位置电子束投射频度越大，显示得也越亮。
示波器使用基础知识
示波器使用基础知识示波器（Oscilloscope）是一种用于观测和测量电信号波形的仪器，是电子实验室和工程师常用的工具之一、它能够显示电压随时间变化的波形图，并可以用于分析信号的频率、幅度、相位等特性。
本文将介绍示波器的基础知识，包括工作原理、种类、操作方法等内容。
一、示波器的工作原理示波器的工作原理基于信号的采样和显示。
当被测信号通过示波器的输入通道时，示波器会对信号进行采样，并将采样结果通过电子束扫描的方式显示在屏幕上，形成波形图。
示波器的核心部件是电子束管，它是一种真空管，内部包含有阴极、聚焦剂、水平和垂直偏转板等。
当示波器接收到信号后，会对电子束施加水平和垂直的偏转电压，使电子束在屏幕上形成波形图。
二、示波器的种类示波器根据使用范围、性能特点等因素可以分为不同的种类。
常见的示波器包括：1.模拟示波器：采用电子束管显示波形图，具有较高的输入动态范围和带宽，适用于高频、高速的信号测量。
2.数字示波器：采用数字方式对信号进行采样和处理，并通过液晶显示屏显示波形图。
数字示波器可以对波形进行数学运算、存储、触发等操作，适用于对信号进行更复杂的分析和处理。
3.存储示波器：能够将波形数据存储在内部存储器中，并可以通过接口输出到计算机进行进一步分析和处理。
4.扫描示波器：通过扫描方式显示多个信号的波形图，适用于多通道信号的观测和比较。
三、示波器的操作方法1.连接电源和信号源：示波器通常需要连接外部电源，并通过输入通道接收被测信号。
在连接信号源时，需要注意信号源的适配性和匹配阻抗。
2.调节水平和垂直控制：示波器的水平和垂直控制可以调节波形图的位置和大小。
水平控制可以调整波形图的水平偏移和触发位置，垂直控制可以调整波形图的幅度和灵敏度。
3.设置触发模式：示波器可以设置触发模式以稳定地显示波形图。
触发模式可以根据信号的上升沿、下降沿、脉冲宽度等进行设置。
4.进行波形显示和分析：根据需要可以选择采样率和时间基准进行波形显示。
RIGOL数字示波器【参考资料】
触发系统
持续时间触发
触发原理：在满足码型条件后的指定时间内触发 适合信号：数字信号
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触发系统
触发释抑：触发释抑指在前一次触发之后的一段时间
之内，示波器停止触发响应。
实际应用举例：复杂的脉冲串、调幅信号
释抑时间
触发系统
触发设置
可调触发灵敏度：有效滤除有可能叠加在触发信号上的 噪声，防止误触发 实际应用举例：
△t
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采样率
实时采样率：实时采样率是指示波器一次采集 (一次触发)采样间隔时间的倒数。 示波器所需实时采样率＝被测信号最高频率分 量×5
①① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ① ①① ① ① ① ① ① ① ①①① ① ① ① ① ①①① ① ①① ① ① ①① ① ① ① ①
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触发系统
斜率触发
适合信号：三角波、锯齿波等
边沿触发
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斜率触发
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触发系统
视频触发
触发原理：对标准视频信号进行任意行或场触发。 适合信号：视频信号
场触发
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采样率
波形漏失是指由于采样率低而造成的没有反映全部实 际信号的一种现象。
脉冲消失
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示波器原理与使用
示波器原理与使用
示波器是一种用来观测、测量电信号的仪器。
它能够将电信号转换为对应的图形波形，并将其显示在示波器的屏幕上。
示波器的基本原理是利用电子束在示波管内偏转，从而在屏幕上显示电信号的波形。
其中，电子束的运动是由垂直和水平偏转系统控制的。
垂直偏转系统负责控制电子束在屏幕上的垂直位置，从而显示电信号的振幅。
水平偏转系统则控制电子束的水平位置，表示时间。
示波器的使用通常包括以下几个步骤：
1. 连接电源和信号源：将示波器与电源和待测电路连接。
确保电源电压和信号源频率符合示波器的规格要求。
2. 调整示波器参数：根据需要，设置示波器的垂直灵敏度、水平扫描速度等参数，以确保波形可见且适合观测。
3. 观察波形：打开示波器的电源，将待测信号输入示波器。
在屏幕上可以看到电信号的波形。
根据需要，可以调整显示的时间和垂直位置。
4. 测量信号参数：示波器还可以提供一些测量功能，如测量波形的频率、幅值、周期等。
可以根据需要使用相应的测量功能。
5. 记录和分析数据：如果需要记录和分析波形数据，可以将示波器与计算机或存储设备连接，并使用相应的软件进行数据处
理。
总之，示波器是一种重要的测试工具，能够帮助工程师观测和测量电信号，用于故障排查、信号分析等工作。
正确使用示波器，可以提高工作效率，确保电路和设备的正常运行。
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整个测量系统上升时间 整个测量系统实际带宽 实测信号所得上升时间 实际测量误差
= 0.35/420 = 4202+5002
= (653 – 500 ) / 500
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采样率和存储深度
模拟
数字
采样率 存储深度
A/D Memory 模拟信号
模拟信号
电子束
存储深度 是 在单次采集中获得的采样点数量 采样率是每秒测量的采样点数量 (S/s, kS/s,
28
28
存储深度
示波器通过采样把模拟信号变换为数字信号，每一个采样点用八位的二进 制数表示，即一个字节。 示波器显示窗口一次性可显示的最大波形采样点数即为示波器的存储深度； 也可理解为一个波形记录的最大采样点数。 在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是 一个反比关系。存储速度等效于采样率，存储时间等效于采样时间，采样 时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定，所以 存储深度 ＝ 采样率 × 采样时间（距离 = 速度 x 时间） 提高示波器的存储深度可以间接提高示波器的采样率：当要测量较长时间 的波形时，由于存储深度是固定的，所以只能降低采样率来达到，但这样 势必造成波形质量的下降；如果增大存储深度，则可以以更高的采样率来 测量，以获取不失真的波形。
11
数字示波器内部是怎么一种结构?
信号
~
垂直 系统
显示 系统
触发 系统
水平系统
12
12
典型的示波器结构
3
显示
显示 显示处理器
2 测量与分析
数学处理器 & 协处理器
4
存档
可存储到 软盘, IC存储卡 以及 硬盘
1
输入信号
采集
A D C 触发器 采集 存储器
操作系统
放大器
应用软件
连接到 计算机打印机 的数据总线
带宽 = 正弦波 -3 dB 点
-3dB=0.707V
带宽
0
18
频率 Hz
18
什么是上升时间?
理想的方波和脉冲波的电压是有突然变化的波形，陡变有 一定时间这取决于系统带宽及其他电路参数。 波形从一种电压变至另一种电压的时间称为上升时间
上升时间通常在过渡的10％至90％处
90％ 10％
上升时间测量
19
A/D
探头系统
模拟前端
15
15
阻抗变换与耦合
要把被测信号引入示波器进行不失真的测量，则要求测量 电路接入被测电路后，尽可能少的影响被测信号；同时把被测信 号变换成适合示波器输入电路的信号，这就需要通过一个阻抗变 换网络来完成。 对于差分信号的测量，需要把差分信号不失真的变换为单端 信号来进行测试。 耦合是指连接方式，即前一级电路到后一级电路之间的连接 方式。 被测 信号 放 衰 减 DC50欧 交 流 直 接 地
采样率 时间/ 采样点 采样率 /带宽 平均上 升时间 方差
1
200 MS/s 500 MS/s
5 ns 2 ns 1 ns 0.5 ns 0.2 ns 0.1 ns
0.2 0.5 1.0 2.0 5.0 10.0
4.7 ns 2.3 ns 1.6 ns 1.27 ns 1.16 ns 1.15 ns
350 MHz 1.15 GHz 3.5 GHz 8.75 GHz
trise (displayed)
(trise (scope) )2 + (trise (probe) )2 + (trise (source) )2
22
22
波形上升时间与测量精度的关系
信号上升时间仪表上升时间之比 1:1 2:1 3:1 4:1 5:1 7:1 10:1 上升时间测量精度％ 41% 22% 12% 5% 2% 1% 0.5%
计算出的 信号带宽
电平逻辑
典型信号 上升时间
0.35* trise
70 MHz 230 MHz 700 MHz 1.75 GHz
测量系统带宽 针对 3% 滚降错误
测量系统带宽 针对1.5% 滚降错误
TTL CMOS ECL GaAs
5 ns 1.5 ns 500 ps 200 ps
231 MHz 767 MHz 2.33 GHz 5.8 GHz
将电压想象成水管的压强
压强等于 “单位面积上的压力” 压强也可以等价于 “势能/单位容量” 电压 = 势能/单位电量
10
10
示波器也能测量信号的频率
频率简单定义成时间重复出现的概率
频率代表着重复出现的事件 频率 = 每秒时间周期数 = 赫兹 (Hz)
信号 幅度
时间
1 GHz = 每秒10亿次事件
11
一扇窗户. . .
. . . 进入微观电子世界
5
5
所有示波器都能绘制信号幅度随时间变化的图形
与图表类似, 示波器能帮助你看பைடு நூலகம்在一段时间内究竟发
生了什么.
100 90 80 70 60 50
数量
40 30 20 10 0
A pr il Ja nu ar y Fe br ua ry A ug us t be r be r em Ju ne ar ch Ju ly ct ob er M Se pt em D ec em be r ay
示波器基础知识
1
1
目录
什么是示波器 示波器的类型和区别 示波器的各个组成部分 示波器的主要指标及其选择指南 数字示波器技术的发展
2
2
人们为什么需要示波器
3
3
世界范围内的示波器市场规模大概在 ~ 10亿美金 每年
设计和调试 制造测试和质量控制 服务和维修 教育和培训
4
4
示波器经常被认为是…
31
31
触
发
触发：按照需求设置一定的电压幅值、时间、波形变化率等方面的条件，当波 形流中的某一个波形满足这一条件时，示波器即实时捕获该波形和其相邻部分， 并显示在屏幕上。
触发条件的唯一性是精确捕获的首要条件 为了观察特定波形之前发生的更多事件，把触发点往显示窗口右方推移 一段时间，即是延迟触发； 为了了解特定波形之后发生的更多事件，把触发点往显示窗口左方推移 一段时间，即是超前触发。
32
32
示波器触发的作用
触发电路的作用就是保证每次时基在 屏幕上扫描的时候，都从输入信号上 与定义的触发点相同的点开始，这样 每一次扫描的波形就同步的，从而显 示稳定的波形，见图b/c；没有触发电 路在屏幕上看到的将会是具有随机起 点的很多波形杂乱重叠的图象，见图 a。 触发是使用示波器最麻烦的一点，示 波器提供了许多触发方式，可根据测 量问题加以应用。 作为数字示波器来说，触发实际上参 与了确定波形的存储起点。
1.3 ns 0.6ns 0.1 ns 0.03 ns 0.02 ns 0.02 ns
0.1
1 GS/s 2 GS/s
0.01 0.1 1 Sam ple Rate / Bandw idth 10
5 GS/s 10 GS/s
超过带宽5倍以上的采样率可保证好的测量精度 测试脉冲波,需在上升沿采样大于5个点 高采样率减少了测试波形的失真。
19
如何决定示波器系统带宽
tr (10% to 90%) tr(DISPLAYED) = tr = 0.35* BW BW (-3 dB) 1 BW (DISPLAYED) = 或者 tr(示波器)2 + tr(探头)2 + tr(源信号)2 BW = 0.35* tr
(
1
BW (示波器)
)+ (
16
16
差 大
分
流
带宽是选择示波器的第一参数
示波器的结构决定了带宽的重要性： 放大器的模拟带宽决定了示波器的带宽； 放大器是信号进入示波器的大门，它的带宽决定了示波 器的带宽，示波器能请进什么样的信号由这个大门来决 定。 数字示波器的带宽也是模拟带宽。
17
17
什么是示波器带宽?
带宽定义：示波器输入标准正弦波信号，不断提高信号频率，输 入信号幅度会被不断衰减；频率越高，衰减幅度越大；当频率提 高到某个值，输入信号刚好被衰减3dB 时所对应的频率点，即为 示波器的带宽。 电压 V 1V
RAM
13
13
示波器的基本技术指标
模拟带宽 实时采样率 存储深度 触发能力 波形捕获和显示
14
14
信号输入系统
被测信号通过探头前端到达探头主体，进入阻抗转 换电路，以衰减成合适比例的输入信号，送入示波器前 端，通过耦合电路，到达前置放大器。
被 测 信 号
阻抗 转换
耦合 电路
运 放
2
1 BW (探头)
)+ (
2
1 BW (源)
)
20
2
* 此常量针对一极模型. 对于更高带宽的仪器来说, 此常量可以高到0.45.
由以上公式可以看出，示波器及探头的带宽越宽，则对测量带宽影响越 小，也就是说测量带宽越接近信号带宽
20
系统带宽 vs. 正弦波幅度精度
21
21
典型逻辑电平的测量精度要求
29
29
波形存储原理
示波器的存储由两个方面来完成： 触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起点； 示波器的存储深度决定了数据存储的终点。 记录时间＝记录长度 / 采样率
起点 延时时间 触发点
记忆长度 终点
30
30
采样、存储深度及带宽选择实例
已知条件：希望获取2ms的波形，被测信号为500MHz的差分信号，选择合适的示 波器带宽、存储深度和采样率。 1 示波器带宽选择为被测信号5-10倍，具体值取6倍，即3GHz；探头带宽最好大于 示波器带宽，选择3.5GHz；示波器测量系统带宽为2.28GHz：