示波器的基本系统和控制功能

本文简要介绍模拟示波器和数字示波器上的基本系统和控制功能。某些控制功能在模拟示波器和数字示波器之间是不同的，您的示波器可能拥有本文没有提到的其它控制功能。

基本示波器由四种不同的系统组成：垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。通过了解每个系统，您可以有效运用示波器，处理特定的测量挑战。

示波器的前面板分成三个主要区域，分别表位垂直、水平和触发。您的示波器可能有其他区域，具体视示波器型号和类型而定。

在使用示波器时，您需要调节三个基本设置，适应输入型号：

■垂直：信号的衰减或放大程度。使用伏特/格控制功能，把信号幅度调节到所需的量程。

■水平：时基。使用秒/格控制功能，设置屏幕中水平方向表示的每格时间数量。

■触发：触发示波器。使用触发电平稳定重复的信号，或触发单个事件。

垂直系统和控制功能

可以使用垂直控制功能，在垂直方向定位和定标波形，设置输入耦合，调节其他信号条件。

位置和伏特/格

垂直位置控制功能允许在屏幕上想要的具体位置上下移动波形。

伏特/格设置(通常写作volts/div)是一个在屏幕上改变波形尺寸的标度因数。如果volts/div设置5V，那么每8个竖格表示5V，整个屏幕从下到上能够显示40V，其中假设一个格线有8个大格。如果设置是0.5 volts/div，那么屏幕从下到上能够显示4V，以此类推。在屏幕上可以显示的最大电压是volts/div设置乘以竖格数量。注意使用的探头是（1×或10×）也会影响标度因数。如果 示波器没有这种运算功能，那么必须把volts/div标度除以探头的衰减因数。

通常情况下，volts/div标度拥有可变增益或精细增益控制功能，把显示的信号定标为特定数量的格。可以使用这个控制功能，协助进行上升时间测量。

输入耦合

耦合指把信号从一条电路连接到另一条电路使用的方法。在这种情况下，输入耦合是从测试电路到示波器的连接。耦合可以设置成DC、AC或接地。DC耦合显示输入信号的所有信息。AC耦合封锁信号的DC成分，因此可以看到以零伏为中心的波形。图21说明了这种差异。AC耦合设置适合用于整个信号（交流+直流）对volts/div设置太大的情况。

接地设置把输入信号从垂直系统断开，让您看到零伏位于屏幕上哪个地方。在接地输入耦合和自动触发模式下，您在屏幕上会看到一条横线，这条横线表示零伏。从DC切换到接地、然后再切换回去，增益可以方便地测量相对于接地的信号电压电平。

带宽限制

大多数示波器有一条电路，限制示波器的带宽。通过限制带宽，可以降低显示的波形上有时出现的噪声，得到更干净的信号画面。注意，在消除噪声的同时，带宽限制还会降低或消除高频信号成分。

带宽增强

某些示波器可能会提供DSP任意平衡滤波器，可以用来改善示波器通道响应。这个滤波器扩展了带宽，使示波器通道频响平坦化，改善相位线性度，在通道之间提供更好的匹配度。它还会降低上升时间，改善时域阶跃响应。

水平系统控制功能

示波器的水平系统与输入信号采集关系最为密切，这里要考虑的因素包括采集率和记录长度。水平控制功能用来在水平方向定位和定标波形。

采集控制功能

数字示波器拥有设置功能，允许控制采集系统怎样处理信号。在阅读本文时，看一下数字示波器上的采集选项。图 22 显示了采集菜单实例。

采集模式

采集模式控制着怎样从样点中生成波形点。样点是直接从模数转换器(ADC)中导出的数字值。采样间隔指这些样点之间的时间。波形点是存储器中存储的、显示构建波形的数字值。波形点之间的时间值差称为波形间隔。

采样间隔和波形间隔可以相同，也可以不同。因此存在着多种不同的采集模式，其中一个波形点由多个顺序采集的样点组成。

此外，可以从多次采集获得的复合样点中创建波形点，这提供了另一套采集模式。下面介绍了最常用的采集模式。

采集模式的类型

■采样模式：这是最简单的采集模式。通过在每个波形间隔期间保存一个样点，示波器生成一个波形点。

■峰值检测模式：示波器保存两个波形间隔期间获得的最小值样点和最大值样点，使用这些样点作为两个对应的波形点。即使在时基设置非常低(低速时基设置意味着长波形间隔)时，峰值检测模式的数字示波器仍很快的采样率运行ADC，能够捕获采样模式下波形点之间发生的快速信号变化，如图23所示。峰值检测模式特别适合观察时间上相距很远的窄脉冲，如图24所示。

■Hi-Res模式：与峰值检测一样，在ADC的采样率超过时基设置要求时，Hi-Res模式可以获得更多的信息。在这种情况下，在一个波形间隔内部获得的多个样点被平均，生成一个波形点。其结果，可以降低噪声，改善低速信号的分辨率。Hi-Res模式较平均模式的优势在于，即使在单次事件上，仍可以使用Hi-Res模式。

■包络模式：包络模式与峰值检测模式类似。但是，在包络模式下，来自多个采集的最小波形点和最大波形点结合在一起，构成一个波形，显示min/max随时间累积情况。峰值检测模式通常用来采集组合构成包络波形的记录。

■平均模式：在平均模式下，示波器像采样模式一样，在每个波形间隔期间保存一个样点。但是，它平均来自多个连续采集的波形点，生成最后显示的波形。平均模式可以降低噪声，而又不会损失带宽，但要求重复的信号。

■波形数据库模式：在波形数据库模式下，示波器累积一个波形数据库，波形数据库提供由幅度、时间和数量组成的三维阵列。

启动和停止采集系统

数字示波器最大的优势之一是能够存储波形，以后再查看波形。为此，前面板上通常有一个或多个按钮，可以启动和停止采集系统，从而可以在方便时分析波形。此外，您可能希望示波器在一个采集完成后或在一个记录集合已经转换成包络或平均波形后自动停止采集。这一功能通常称为单一扫描或单一序列，其控制功能通常会和其它采集控制功能或触发控制功能一起提供。

采样

采样是把输入的一个部分转换成许多离散的电气值，以进行存储、处理和/或显示的过程。每个样点的幅度等于信号采样时点上输入信号的幅度。

采样类似于拍照。每个快照都对应波形上的某个时点。然后，可以按相应的顺序排列这些快照，以重建输入信号。

在数字示波器中，在显示画面上重建由样点组成的阵列，其中竖轴是实测幅度，横轴是时间，如图25所示。

图25中的输入波形在屏幕上表现为一串点。如果这些点相距很大，很难理解为一个波形，可以使用称为内插的过程把这些点连接起来。内插使用直线或矢量把点连接起来。有大量的内插方法，可以用来准确地表示连续的输入信号。

采样控制功能

某些数字示波器可以选择采样方法：实时采样或等效时间采样。这些示波器提供的采集控制功能可以选择采集信号使用的采样方法。注意，这一选择与低速时基设置没有关系，只在ADC不能以足够快的速度采样，用一遍中的波形点填充记录时，才会有影响。视进行的测量类型，每种采样方法不同的优势。

现代示波器一般提供控制功能，用户可以选择三种水平时基工作模式。如果您只是探测信号，想与实时信号交互，您可以使用自动或交互默认模式，这种模式提供了实时程度最高的显示更新速率。如果您想实现精确测量和最高的实时采样率，为您提供最高的测量采样精度，那么您可以使用恒定采样率模式。这种模式将保持最高采样率，提供好的实时分辨率。最后一种模式称为手动模式，因为它保证直接独立控制采样率和记录长度。

实时采样方法

实时采样特别适合频率范围不到示波器最大采样率一半的信号。这里，示波器可以在波形一次“扫描”中采集超过足够量的点，构建准确的画面，如图26所示。实时采样是使用示波器捕获快速、单次、瞬态信号的唯一方式。

实时采样给数字示波器带来了最大的挑战，因为需要采样率，准确地数字化高频瞬态事件，如图27所示。这些事件只发生一次，必须在发生的同一时段采样。

如果采样率没有足够快，高频成分会“向下折叠到”较低频率中，在显示画面中引起假信号，如图28所示。此外，在数字化后，存储波形要求的高速存储器进一步提高了实时采样的复杂程度。支持实时采样和内插技术的数字示波器获得可以显示的离散的信号样点。但是，很难观察用点表示的信号，特别是可能只有几个点表示信号的高频部分。为协助观察信号，数字示波器一般提供内插显示模式。

简而言之，内插“把多个点连接起来”，因此能够准确显示每个周期只采样几次的信号。通过使用实时采样及内插技术，示波器在实时模式下把一遍中信号的多个样点连接起来，使用内插填充空白。内插是基于少量点估计波形形状的一种处理技术。

线性内插使用直线连接样点。这种方法限于重建直边信号，如图29所示，其更适宜于方波。sinx/x内插用途更加广泛，用曲线连接样点，如图29所示。Sinxx内插是一种数学运算过程，在这个过程中，其计算样点，填充实际样点之间的时间。这种内插形式更适宜于曲线的、不规则的信号形状，这些信号形状在实际世界中要远比纯粹的方波和脉冲常见得多。因此，在采样率是系统带宽3-5倍的应用中，首选方法是sinx/x内插。

等效时间采样方法

在测量高频信号时，示波器可能会在一次扫描中收集足够的样点。可以使用等效时间采样，准确地采集频率超过示波器频率一半的信号，如图30所示。

等效时间数字化器(采样器)基于这样的事实，大多数自然发生的事件和人为事件都是重复的。等效时间采样从每次重复中捕获少量信息，构建重复的信号画面。波形像一串灯一直慢慢汇聚，一个接一个地亮起。这允许示波器准确地捕获其频率成分远远高于示波器采样率的信号。

等效时间采样方法有两种：随机方法和顺序方法。每种方法都有自己的优点。随机等效时间采样允许显示触发点前面的输入信号，而不用使用延迟线路。顺序等效时间采样提供的时间分辨率和精度则要高得多。这两种方法都要求输入信号是重复的。

随机等效时间采样

随机等效时间数字化器(采样器)采用内部时钟，内部时钟相对于输入信号和信号触发异步运行，如图31所示。它连续采集样点，与触发位置无关，并基于采样和触发之间的时间差显示样点。尽管样点在时间.上是顺序采集的，但它们相对于触发是随机的，因此称为“随机”等效时间采样。在示波器屏幕上显示时，样点沿着波形随机出现。

能够采集和显示触发点前面的样点是这种采样技术的主要优势，而不需要外部预触发信号或延迟线。视采样率和显.示的时间窗口，随机采样可能还能够在每个触发的事件中采集一个以上的样点。但是，在更快的扫描速度下，采集窗口会变窄，直到数字化器不能在每次触发时采样。正是在这些更快的扫描速度上，通常可以进行非常精确的定时测量，也正是在这里，顺序等效时间采样器杰出的时间分辨率也最能奏效。随机等效时间采样的带宽限制对顺序时间采样较小。

顺序等效时间采样

顺序等效时间采样器每次触发采集一个样点，独立于时间/格设置或扫描速度，如图32所示。在检测到触发时，将在非常短、但精心定义的延迟后采集样点。在下一次触发发生时，会在这个延迟中增加一个小的时间增量(∆t)，数字化器采集另一个样点。这个过程重复多次，在每个前一采集中增加“∆t”，直到时间窗口被填满。在示波器屏幕上显示时，样点沿着波形从左到右顺序出现。

从技术上讲，生成非常短、非常精确的“∆t”要比随机采样器要求的准确地测量样点相对于触发点的垂直位置和水平位置更容易。这种精确测量的延迟为顺序采样器提供了无可比拟的时间分辨率。在顺序采样中，样点是检测到触发电平后获得的，因此如果没有模拟延迟线，将不能显示触发点，这进而可能会降低仪器的带宽。如果能提供外部预触发，那么带宽将不受影响。

位置和秒/格

水平位置控制功能左右移动波形，把波形移动到屏幕上想要的位置。

秒/格设置(通常写作sec/div)允许选择在屏幕上绘制波形的速率(也称为时基设置或扫描速度)。这个设置是标度因数。如果设置是1ms，那么每个横格代表1 ms，屏幕总宽度代表10 ms或10格。改变sec/div设置可以观察输入信号更长及更短的时间间隔。

与垂直volts/div标度一样，水平sec/div标度可以有可变定时，允许在离散的设置之间设置水平时间标度。

时基选择

示波器有一个时基，通常称为主时基。许多示波器还有称为延迟时基的时基，这个时基带有扫描，可以相对于主时基扫描预先确定的时间启动(或触发启动)扫描。使用延迟的时基扫描可以更清楚地观察事件，看到仅使用主时基扫描看不到的事件。

缩放/卷动

示波器可能有专用水平放大设置，允许在屏幕上显示放大后的波形区域。某些示波器在缩放功能基础上增加了卷动功能。这种功能使用旋钮，调节缩放因数或标度，在波形上卷动拖放框。

搜索

某些示波器提供搜索和标记功能，可以在长采集数据中迅速移动，查找用户自定义事件。

XY模式

大多数示波器有XY模式，可以在横轴上显示输入信号，而不是时基。这种操作模式开启了全新的相移测量技术领域。

Z轴

数字荧光示波器(DPO)拥有 高显示采样密度，天生就能捕获辉度信息。通过辉度轴(Z轴)，DPO能够提供类似于模拟示波器的三维实时画面。在DPO.上观察波形曲线时，您会看到加亮的区域，这是信号发生频次最多的区域。这个画面可以简便地把基本信号形状与一段时间只发生一次的瞬态信号分开，基本信号的亮度会更高。Z轴的应用之一是把专用定时信号输入到单独的Z输入中，在波形中以已知间隔生成高亮度显示的“标记”点。

XYZ模式及DPO和XYZ记录显示某些DPO可以使用Z输入，生成带有辉度等级的XY画面。在这种情况下，DPO在Z输入上采样瞬时数据值，使用该值判定特定的波形部分。一旦拥有限定的样点，这些样点可以累积，得到辉度等级XYZ画面。XYZ模式特别适合显示无线通信设备测试中常用的极坐标码型，如星座图。显示XYZ数据的另一种方法是XYZ记录显示。这种模式使用的数据来自采集存储器，而不是DPO数据库。

触发系统和控制功能

示波器的触发功能在正确的信号点同步水平扫描，这对清楚地检定信号至关重要。触发控制功能可以稳定重复的波形，捕获单次波形。通过重复显示输入信号的同一部分，触发使重复的波形能够稳定地显示在示波器显示屏上。如果每次扫描都从信号上不同位置开始，那么可以想象屏幕上有多乱，如图33所示。

模拟示波器和数字示波器提供的边沿触发是基本的、也是最常用的触发类型。除模拟示波器和数字示波器提供的门限触发外，许多数字示波器提供了模拟仪器没有提供的多种专用触发设置。这些触发对进入信号的特定条件作出响应，可以简便地检测比本应宽度窄的脉冲。单纯使用电压门限触发，是不可能检测到这种情况的。

高级触发控制功能可以隔离关心的特定事件，优化示波器的采样率和记录长度。某些示波器中的高级触发功能提供了选择度非常高的控制能力。您可以触发幅度定义的脉冲(如欠幅脉冲)、时间限定脉冲(脉宽、毛刺、转换速率、建立时间和保持时间、超时)以及逻辑状态或码型描绘的脉冲(逻辑触发)。

其它高级触发功能包括：

■码型锁定触发:码型锁定触发在NRZ串行码型触发中增加了一个新的维度，使示波器能够以杰出的时基精度同步采集长串行测试码型。码型锁定触发可以用来从长串行数据码型中消除随机抖动。可以考察特定位跳变的影响，可以在模板测试中使用平均功能。

■串行码型触发:串行码型触发可以用来调试串行结构。它触发NRZ串行数据流的串行码型，内置时钟恢复，把物理层和链路层的事件关联起来。仪器可以恢复时钟信号，识别跳变,允许为串行码型触发设置所需编码字,捕获数据。

■A触发和B触发：某些触发系统只在一个事件(A事件)上提供多种触发类型，延迟触发(B事件)选择限于边沿类型触发，在B事件没有发生时，通常没有复位触发顺序的途径。现代示波器可以在A触发和B触发上提供完整的一套高级触发类型，支持逻辑限定，控制什么时候查找这些事件，复位触发，在指定时间、状态或跳变之后再次开始触发顺序，从而可以捕获最复杂的信号中的事件。

■搜索和标记触发:硬件触发一次监视一种事件类型，但搜索可以同时扫描多个事件类型。例如，可以扫描多条通道上的建立时间或保持时间违规。搜索可以放置单独的标记，表明满足搜索标准的事件。

■触发校正:由于触发系统和数据采集系统分享不同的路径，因此触发位置和采集的数据之间本身有一定的时间延迟，进而导致偏移和触发抖动。通过触发校正系统，仪器会调节触发位置，补偿触发路径与数据采集路径之间存在的延迟差。这几乎可以消除触发点上的任何触发抖动。在这种模式下，触发点可以作为测量参考点使用。

■特定标准信号串行触发(I2C、CAN、LIN、等等)，某些示波器能够触发标准串行数据信号中的特定信号类型，如CAN、LIN、I2C、SPI、等等。当前许多示波器还提供了这些信号类型的解码功能。

■并行总线触发：一次可以定义和显示多条并行总线，简便地观察解码后的并行总线数据随时间变化。通过指定哪些通道是时钟、哪些通道是数据线，您可以在某些示波器上生成并行总线显示画面，自动解码总线内容。通过使用并行总线触发，可以简化捕获和分析，节约大量的时间。

某些示波器选配的触发控制功能也是为考察通信信号专门设计的。图34更详细地介绍了部分常用触发类型。某些示波器提供的直观的用户界面可以迅速设置触发参数，同时可以灵活地进行测试设置，最大限度地提高您的工作效率。

触发位置

水平触发位置控制功能只在数字示波器上提供。触发位置控制功能可能位于示波器水平控制区域。它实际上表示的是触发在波形记录中的位置。通过改变水平触发位置，可以捕获触发事件前的信号操作,这称为预触发观察功能。因此，它决定着触发点前面和后面可以观察的信号的长度。

数字示波器可以提供预触发观察功能，因为它们一直处理输入信号，而不管是否收到触发。稳定的数据流流经示波器；触发只是告诉示波器在存储器中保存当前数据。

相比之下，模拟示波器只在收到触发后才显示信号，也就是在CRT上写入数据。因此，模拟示波器没有提供预触发观察功能，垂直系统中的延迟线提供少量预触发的除外。

预触发观察功能提供了重要的调试辅助工具。如果问题间歇发生，您可以触发问题，记录导致问题的事件，可能会找到问题的原因。

触发电平和斜率

触发电平和斜率控制功能提供了基本触发点定义，确定怎样显示波形，如图35所示。

触发电路作为比较器操作。您可以在比较器的一个输入上选择斜率和电压电平。在另一个比较器输入上的触发信号与设置匹配时，示波器会生成触发。

斜率控制功能确定触发点是在信号的上升沿上，还是在信号的下降沿上。上升沿是正斜率，下降沿是负斜率。电平控制功能确定触发点发生在边沿上哪个位置。

触发源

示波器不一定要触发显示的信号。多个触发源可以触发扫描:

■任意输入通道

■应用到输入通道中的信号之外的外部来源

■电源信号

■示波器从一条或多条输入通道内部定义的信号

在大多数时间内，您可以把示波器设置成触发显示的通道。某些示波器提供了一个触发输出，为另一台仪器提供触发信号。

示波器可以使用交替触发源，不管其是否显示，因此应注意不要在显示通道2时无意触发通道1。

触发模式

触发模式决定着示波器是否根据信号条件绘制波形。常用的触发模式包括正常触发模式和自动触发模式。

在正常模式下，只有在输入到达设置的触发点时，示波器才会扫描；否则（在模拟示波器上），屏幕是空白的，或（在数字示波器上）冻结在最后采集的波形上。正常模式可能会迷失方向，因为如果电平控制功能调节不当，您起初可能看不到信号。

即使在没有触发时，自动模式仍会导致示波器扫描信号。如果不存在信号，示波器里的定时器会触发扫描。这保证在信号没有导致触发时显示画面不会消失。

在实践中，您可能要同时使用这两种模式：正常模式，因为它可以只观察关心的信号，即使触发发生速率较慢；自动模式，因为它要求的调节较少。

许多示波器还包括单一扫描专用模式、视频信号触发或自动设置触发电平功能。

触发耦合

正如可以为垂直系统选择AC耦合或DC耦合一样，您可以为触发信号选择耦合类型。

除AC和DC耦合外，示波器可能还有高频抑制、低频抑制及噪声抑制触发耦合功能。这些专用设置适合从触发信号中消除噪声，防止假触发。

触发释抑

使示波器触发信号的正确部分有时要求大量的技巧。许多示波器拥有专用功能，可以更轻松地完成这一任务。

触发释抑是有效触发后可以调节的一段时间周期，在此期间，示波器不能触发。这种功能适用于触发复杂的波形形状，以便示波器只触发合格的触发点。图36显示了怎样使用触发释抑帮助创建实用的显示画面。

数学运算和测量运算

示波器可能还有运算功能，允许把几个波形加在一起，创建新的波形画面。模拟示波器把信号组合在一起，数字示波器则以数学方式生成新的波形。另一种数学运算是几个波形相减。在模拟示波器中，在一个信号上使用倒置函数，然后使用加法运算，可以进行减法运算。数字示波器一般提供减法运算。图38说明了把两个不同信号组合在一起产生的第三个波形。

数字示波器利用内部处理器的处理能力，提供了许多高级数学运算功能:乘法、除法、积分、快速傅立叶变换、等等。这种高级信号处理功能还可以执行其它功能，如插入滤波器模块，其可以用来在被测器件上反嵌夹具的特点，或实现拥有所需频响的滤波器模块，如低通滤波器。处理模块非常灵活，并不是专用的，但其可以作为任意滤波器操作，如用来模拟预加重/去加重方式。

数字定时和状态采集

混合信号示波器提供的数字通道实现了与逻辑分析仪类似的采集功能。主要的数字采集技术有两种。第一种技术是定时采集，MSO以MSO采样率确定的、间隔均匀的时间对数字信号采样。在每个样点上，MSO存储信号的逻辑状态，生成信号的定时图。第二种数字采集技术是状态采集。状态采集规定了数字信号逻辑状态有效稳定的特定时间。这在同步时钟输入数字电路中很常见。时钟信号规定了信号状态有效的时间。例如，对上升沿时钟输入的D-Flip-Flop，输入信号稳定时间在时钟上升沿周围。对上升沿时钟输入的D-Flip-Flop，输出信号稳定时间在时钟下降沿周围。由于同步电路的时钟周期可能并不是固定的，因此状态采集之间的时间可能并像定时采集中那样均匀。

混合信号示波器的数字通道采集信号的方式与逻辑分析仪在定时采集模式下采集信号的方式类似。然后，MSO把定时采集数据解码成时钟输入总线画面，以及与逻辑分析仪状态采集画面类似的事件表，在调试过程中为您提供重要的信息