數字示波器的優點和使用注意事項

李 杉，趙 輝

東北電力大學理學院，吉林吉林 132012

0 引言

示波器在工業、教育、科研中應用十分廣泛，可以直接觀察電信號波形，也可以測量電信號的電壓和頻率，因此，對于能轉化為電信號的物理量都可用示波器來觀測。隨著現代科技的發展，信號的帶寬和復雜度越來越高，對于示波器的性能要求也越來越高，于是數字示波器逐漸取代了模擬示波器[1]。筆者通過這幾年在實驗中對示波器的使用比較，發現數字示波器有模擬示波器不可比擬的便利，但在使用過程中也需注意一些事項，從而正確使用數字示波器。

1 模擬示波器和數字示波器的原理

圖1 模擬示波器的核心部件——示波管的結構示意圖

圖1為模擬示波器的核心部件示波管的結構圖[2]。模擬示波器利用電子槍發射的高速運動而狹窄電子束，轟擊在涂有熒光粉的屏幕上，就會產生細小光點。被測信號作用于偏轉極產生偏轉電場，電子束在偏轉電場的作用下在熒屏上描繪出跟隨被測信號變化而變化的曲線。總的來說，模擬示波器的測量原理就是把看不見的電信號轉換為看得見的圖象，從而便于人們研究各種物理量。

圖2描述的是數字示波器的工作原理。模擬信號從輸入端輸入，經模擬放大器放大后再由模擬/數字轉換器（ADC）轉變為數字信號并進行采樣，而后將采樣信息輸入到采集存儲器。當觸發器向采集存儲器發出觸發信號時，采集存儲器將存儲的采樣信息一方面傳輸到顯示處理器，經其處理后在屏幕上顯示被測信號的圖像，另一方面傳輸給測量與分析系統。該系統運用各類軟件對傳輸進來的信息進行測量、放大、數學運算等處理，還可將處理之后的信號傳輸給顯示處理器而顯示到屏幕，或者存儲到硬盤、進行打印機打印等[3]。

數字示波器的重要性能指標之一是采樣率。所謂采樣也就是把輸入示波器的連續的模擬信號進行離散和數字化，該過程是由A/D轉換器實現的。采樣率就是A/D轉換器的轉換速率，單位是sample/second，即每秒鐘的采樣數目。

可見，數字示波器和模擬示波器的關鍵區別為：模擬示波器是直接捕獲被測模擬信號并顯示在屏幕上；而數字示波器則是將被測模擬信號通過模擬-數字轉換器轉變為數字信號，并進行一定運算處理后，再轉換回模擬信號從而顯示在屏幕上。

圖2 數字示波器工作原理框圖

2 數字示波器和模擬示波器操作舉例

圖3 模擬示波器測量正弦電壓有效值的屏幕顯示圖

2.1 測量正弦電壓有效值

圖4 采樣率100.0Ksa/s捕捉的fx : fy = 2:3李薩如圖

一般來說，模擬示波器測量正弦電壓信號有效值的步驟為：

調節模擬示波器相關的旋鈕，得到一穩定的正弦電壓波形；b. 讀出波峰和波谷之間在Y軸方向上對應的格數n，以及對應的Y軸電壓靈敏度m V/div；c. 由可以計算出該正弦電壓信號的有效值V。

而數字示波器直接按AUTO鍵就可以顯示出穩定的電壓波形，按MEASURE鍵在顯示菜單中選擇電壓測量，在其子菜單中選擇均方根值，然后即可直接讀出該信號的有效值V = 8.10（v）, 如圖3所示。

2.2 觀察李薩如圖形

在模擬示波器中，由于參與合成李薩如圖形的正弦信號的相位差一直在變化，因而李薩如圖形不能形成靜止圖像，尤其如fx : fy = 2:3會給畫李薩如圖帶來很大困難；而數字示波器就凸顯其優勢，可以通過電子技術讓圖像穩定下來。圖4所示為采樣率為100.0Ksa/s時捕捉到的fx : fy = 2:3李薩如圖。[3]

由以上比較可見，數字存儲示波器在使用上更簡潔、方便，還有模擬示波器不具備的特殊優點。

3 數字示波器使用中的注意事項

數字示波器比模擬示波器具備很多優點，如體積小、重量輕，可以儲存波形進行操作分析，還可以對波形進行打印、存檔等，但由于數字示波器采用對被測信號取樣的方法，取樣不同會造成不同的結果。因此，在數字示波器使用過程中要注意一些事項。

3.1 注意區分帶寬

示波器最重要的性能指標之一是帶寬。對數字示波器來說，帶寬有兩種：模擬帶寬和實時帶寬。模擬帶寬和模擬示波器的帶寬類似，是一個固定值，由前端放大器的帶寬決定，只適用于重復信號，故又稱重復帶寬；實時帶寬是指實時采樣過程中所能達到的最大帶寬，與模擬帶寬和采樣率有關，既適用于重復信號、也可用于單次信號的測量，又稱單次帶寬，一般要小于模擬帶寬。示波器廠家標稱的帶寬通常是指模擬帶寬。故進行單次信號測量時，要注意考慮到實時帶寬是否合適，否則會引起意料不到的誤差。

3.2 注意采樣速率的選擇

3.2.1 采樣速率過小易出現混迭

混迭是指信號的屏顯頻率低于實際頻率，或是觸發指示燈雖亮但屏顯波形仍不穩定。按照奈奎斯特定理描述，采樣速率應該高于信號高頻成分至少2倍才能不發生混迭現象。如對于一個頻率為200MHz的信號，需要至少400Msa/s的采樣速率才不致發生混迭。而對于一個頻率未知的信號，可以把掃速t/ div從低到高慢慢改變，觀察信號的屏顯頻率是否發生劇烈變化，或者晃動的波形是否在達到某個較快掃速時突然穩定下來，如果是，則說明之前已經發生了波形混迭。

3.2.2 采樣速率與t/div的關系

最大采樣速率對一臺特定的數字示波器來說是一個固定值。通常，掃速t/div與采樣速率fs的關系為：fs = N/(t/div)，其中N為每格的采樣點數目。如果采樣點數目N固定，則采樣速率fs和掃速t/div為反比關系，即掃速越快則采樣速率越小。因此為了防止混迭現象的發生，數字示波器的掃速檔位應該置于較大位置；而要捕獲轉瞬即逝的信號時，檔位則應置于較小位置。

圖5 上升沿與采樣點的關系示意圖

3.3 注意上升時間

對模擬示波器來說，上升時間是極為重要的性能指標之一。但對數字示波器來說，上升時間無關重要。由工作原理可看出，數字示波器AUTO測量給出的上升時間應該與采樣點位置密切有關。圖5中的a圖表示兩個采樣點恰好包含了上升沿，此時上升時間為兩相鄰采樣點時間間隔的0.8倍；b圖的上升沿同樣被兩個采樣點包含，但中部還有一個采樣點，因此同樣的波形上升時間則變為兩相鄰采樣點時間間隔的1.6倍。[4]可見，數字示波器不可以根據測量出的時間來倒推出信號的上升時間，而模擬示波器則可以。

4 結論

示波器應用十分廣泛, 使用也相對復雜，只有掌握示波器的原理、結構和特點, 才能進行準確地測量。數字示波器以其顯而易見的優點正在逐步取代模擬示波器，但由于其工作原理原因，我們在使用過程中也必須遵守上述的重要注意事項。

[1]孫志強.示波器—了解電子設計世界的窗口[J].國外電子測量技術，2009，29(5)：1-4.

[2]朱英明.數字示波器原理與測試分析[J].電子測試, 2007(2)：38-40.

[3]周恒智.數字示波器在大學物理實驗中的應用[J].數字技術與應用, 2011(5)：110-111.

[4]夏莉萍.數字示波器使用必須注意的問題[J].國外電子測量技術，2001(1)：27-28.