核心部件與基本原理?

示波器的核心部件是陰極射線管(CRT)，它由電子槍、垂直偏轉板、水平偏轉板和熒光屏組成。電子槍發(fā)射電子束，熒光屏則顯示電子束撞擊后產(chǎn)生的光點。輸入信號通過內(nèi)部電路轉換為控制電子束偏轉的電壓，從而在熒光屏上形成波形。

示波器通常由信號輸入、信號處理和顯示三個部分組成，其中信號輸入是將待測的模擬信號或數(shù)字信號輸入到示波器中進行處理的部分，信號處理是將輸入的模擬信號或數(shù)字信號進行濾波、放大、A/D轉換等處理，最終將處理后的信號送到顯示部分進行顯示。

信號輸入

示波器的信號輸入是通過探頭實現(xiàn)的。探頭是將被測電路的信號轉換成適合于示波器輸入的信號的一個傳感器。探頭通常有兩種類型：被動和主動。被動探頭通常具有高輸入電阻和低電容，不需要外部電源，適用于低頻信號的測量。主動探頭具有高輸入電阻和低電容，也能夠提供定量的增益，并且能夠用于高頻信號的測量。

信號處理

示波器的信號處理是指將輸入的模擬信號或數(shù)字信號進行濾波、放大、A/D轉換等處理。濾波是指將不需要測量的信號成分濾除，去除噪聲和干擾。放大是指將輸入信號放大到顯示器能夠處理的范圍內(nèi)。A/D轉換是指將輸入信號從模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，這樣才能被數(shù)字處理器進行處理。

顯示

示波器通過顯示器將輸入的信號顯示出來，主要有兩種顯示方式：矢量顯示和陰極射線顯示。矢量顯示器是由許多小的矢量探頭組成的，能夠顯示波形、信號頻率、信號幅度、相位等信息。陰極射線顯示器是通過在熒光屏上利用控制電子束掃描來顯示信號，顯示準確性高，分辨率高。

電子束的控制與偏轉

?垂直偏轉?：輸入信號經(jīng)過垂直放大器放大后，施加到垂直偏轉板上，控制電子束在垂直方向上的移動。例如，正弦信號會使電子束上下移動，形成垂直亮線。

?水平偏轉?：水平偏轉板施加鋸齒波電壓，使電子束從左到右勻速移動，形成時間軸。當垂直和水平偏轉同時作用時，電子束在熒光屏上描繪出輸入信號的波形。

同步與掃描

為了穩(wěn)定顯示波形，示波器需要同步輸入信號與水平掃描信號。同步信號放大器確保鋸齒波掃描與輸入信號同步，避免波形在水平方向上隨機移動。消隱電路則在回掃期間關閉電子束，防止干擾顯示。

應用與擴展

示波器不僅用于測量電壓，還可通過轉換電路測量電流、頻率、相位差等。例如，利用歐姆定律將電流轉換為電壓，或通過傳感器將形變、壓力等物理量轉換為電信號進行測量。

現(xiàn)代示波器的發(fā)展

傳統(tǒng)模擬示波器基于CRT技術，而現(xiàn)代數(shù)字示波器采用數(shù)字化處理技術，具有更高的精度和功能擴展性。例如，數(shù)字示波器可以存儲波形數(shù)據(jù)、進行頻譜分析等，廣泛應用于電子工程、通信、醫(yī)療等領域。

?示波器通過電子束的偏轉和熒光屏的顯示，將電信號轉換為可視波形，是電子測量和分析的重要工具。其工作原理涉及電子束控制、信號同步和掃描技術，具有廣泛的應用價值。

示波器主要工作原理

模擬示波器：

模擬示波器主要由示波管、垂直放大電路、水平放大電路和掃描發(fā)生器等部分組成。其基本原理是利用電子束在示波管中的偏轉來顯示信號波形。當被測信號輸入到垂直放大電路時，信號被放大并作用于示波管的垂直偏轉板上，使電子束在垂直方向上根據(jù)信號幅度的大小產(chǎn)生相應的位移。同時，掃描發(fā)生器產(chǎn)生一個鋸齒波信號，該信號經(jīng)過水平放大電路放大后作用于示波管的水平偏轉板，使電子束在水平方向上以一定的速度從左向右掃描。這樣，電子束在垂直和水平兩個方向的偏轉綜合作用下，就在示波管的熒光屏上描繪出被測信號的波形。

數(shù)字示波器：

數(shù)字示波器首先通過探頭接收被測信號，然后經(jīng)過一個前置放大器對信號進行放大和調(diào)理。信號隨后進入模數(shù)轉換器(ADC)，ADC 以一定的采樣率將模擬信號轉換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號被存儲在存儲器中，通過數(shù)字信號處理技術(如數(shù)據(jù)抽取、內(nèi)插等)對存儲的數(shù)字信號進行處理，最后將處理后的數(shù)字信號轉換為圖像信號，在顯示屏上顯示出被測信號的波形。

涉及 RC 濾波的部分

探頭部分：示波器探頭有時會用到類似 RC 濾波的原理。例如，探頭的輸入電容和示波器的輸入阻抗(可以看作是電阻成分)會構成一個低通濾波電路。當信號頻率升高時，由于這個低通濾波電路的作用，高頻信號會被衰減。這種特性在一定程度上會影響示波器對高頻信號的測量，但這不是示波器主要的工作原理，而是一種可能會對測量產(chǎn)生影響的附帶現(xiàn)象。在一些高精度測量中，需要考慮探頭的這種濾波特性，并且可以通過對探頭的校準和補償來減小其對測量的不利影響。

輸入電路部分：示波器的輸入電路也可能包含一些電容和電阻元件，這些元件組合起來可能會起到一定的濾波作用。例如，在信號進入示波器的垂直放大電路之前，為了去除信號中的高頻噪聲或者防止高頻干擾，可能會設置一些簡單的 RC 濾波電路。但這只是對輸入信號進行初步的預處理，其目的是為了優(yōu)化輸入信號的質量，以便后續(xù)的信號處理和波形顯示，而不是示波器顯示波形的核心原理。

1.帶寬

定義：指示波器能夠準確測量的最高頻率信號，當輸入正弦波信號幅度衰減到實際信號幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰減)時，對應的頻率即為示波器帶寬.

重要性：帶寬決定了示波器對信號的基本測量能力，若帶寬不足，示波器將無法測量高頻信號，信號幅度會出現(xiàn)失真，邊緣將會消失，細節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失.

選擇建議：通常遵循 “五倍法則”，即示波器的帶寬應該至少是被測信號最高頻率的五倍，以確保信號的波形失真最小.

1.1 示波器最大帶寬限制的影響

示波器的帶寬限制是指示波器能夠準確測量的信號頻率范圍存在上限，主要體現(xiàn)在以下方面：

硬件限制

模擬前端電路：示波器的模擬前端電路包括放大器、衰減器等，這些電路的頻率響應特性決定了示波器對不同頻率信號的放大和衰減程度。隨著信號頻率的升高，模擬前端電路的增益會逐漸下降，導致信號幅度衰減，從而限制了示波器能夠準確測量的最高頻率.

采樣保持電路：采樣保持電路用于在采樣時刻對輸入信號進行采樣并保持其電平，以便后續(xù)的模數(shù)轉換。采樣保持電路的帶寬有限，當輸入信號頻率過高時，無法準確地跟蹤信號的變化，導致采樣值與實際信號值之間存在偏差，影響測量精度。

探頭因素

探頭帶寬不足：示波器探頭是連接示波器和被測設備的接口，探頭本身也具有一定的帶寬限制。如果探頭的帶寬低于示波器的帶寬，那么信號在通過探頭時就會發(fā)生衰減，從而降低了示波器能夠測量到的有效帶寬。即使示波器本身具有較高的帶寬，但由于探頭的限制，也無法充分發(fā)揮其性能.

探頭的輸入電容：探頭的輸入電容會與被測電路形成一個低通濾波器，限制了高頻信號的通過。輸入電容越大，對高頻信號的衰減就越嚴重，從而降低了示波器的有效帶寬 .

采樣率影響

采樣定理限制：根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了能夠準確地重建信號，采樣率必須至少是信號最高頻率的兩倍。然而，在實際的示波器中，由于采樣保持電路和模數(shù)轉換器等的非理想特性，僅僅滿足奈奎斯特采樣率是不夠的，通常需要更高的采樣率才能保證測量精度。如果采樣率不足，就會導致信號的高頻成分丟失或失真，從而限制了示波器能夠測量的信號帶寬.

采樣點數(shù)限制：示波器的存儲深度是有限的，即一次采集中能夠存儲的樣本數(shù)量是有限的。當采樣率較高時，在有限的存儲深度下，能夠測量的時間窗口就會相應縮短，這可能導致無法完整地捕獲較長時間的信號波形。為了在有限的存儲深度下獲得更長的測量時間，就需要降低采樣率，但這又會影響對高頻信號的測量精度，從而形成了帶寬限制.

信號完整性問題

傳輸線效應：當信號在傳輸線上傳輸時，會受到傳輸線的電感、電容和電阻等參數(shù)的影響，導致信號的失真和衰減。如果傳輸線的長度較長或信號頻率較高，傳輸線效應就會更加明顯，從而影響示波器對信號的測量精度。為了減小傳輸線效應的影響，需要使用短而匹配的傳輸線，并盡量減小傳輸線的電感和電容.

電磁干擾：在實際的測量環(huán)境中，存在各種電磁干擾源，如其他電子設備、電源線等，這些電磁干擾可能會耦合到被測信號中，導致信號的失真和噪聲增加。如果電磁干擾的頻率較高，就會超出示波器的帶寬范圍，從而影響測量結果的準確性。為了減小電磁干擾的影響，需要采取適當?shù)钠帘魏蜑V波措施，如使用屏蔽線、濾波器等.

實際測量中的影響

頻率響應失真：對于超出示波器帶寬的信號頻率，示波器的頻率響應會出現(xiàn)失真，無法準確地測量信號的幅度和相位。信號的高頻成分會被衰減，導致波形的上升沿和下降沿變緩，細節(jié)丟失，從而影響對信號特征的分析和判斷.

幅度測量誤差：由于帶寬限制，示波器對超出其帶寬的信號幅度測量可能會出現(xiàn)誤差。信號幅度會被低估，測量結果不準確，從而影響對信號強度的評估.

相位測量不準確：超出示波器帶寬的信號相位可能會失真，導致測量得到的相位值與實際值之間存在偏差。這對于需要精確測量信號相位關系的應用，如通信系統(tǒng)中的信號同步等，會產(chǎn)生較大的影響

2.采樣率

定義：表示每秒鐘示波器采集的樣本數(shù)，單位為赫茲(Hz).

重要性：高采樣率有助于更準確地重建信號波形，采樣點越多，所測到的波形就越接近真實波形，重要信息和事件丟失的概率就越小.

選擇建議：一般來說，采樣率應該是信號最高頻率的 5 到 10 倍，根據(jù)香農(nóng)定理，為了避免波形混疊，采樣率應不小于信號最高頻率的 2 倍，但實際應用中，通常需要更高的采樣率.

示波器主要工作原理

模擬示波器：

模擬示波器主要由示波管、垂直放大電路、水平放大電路和掃描發(fā)生器等部分組成。其基本原理是利用電子束在示波管中的偏轉來顯示信號波形。當被測信號輸入到垂直放大電路時，信號被放大并作用于示波管的垂直偏轉板上，使電子束在垂直方向上根據(jù)信號幅度的大小產(chǎn)生相應的位移。同時，掃描發(fā)生器產(chǎn)生一個鋸齒波信號，該信號經(jīng)過水平放大電路放大后作用于示波管的水平偏轉板，使電子束在水平方向上以一定的速度從左向右掃描。這樣，電子束在垂直和水平兩個方向的偏轉綜合作用下，就在示波管的熒光屏上描繪出被測信號的波形。

數(shù)字示波器：

數(shù)字示波器首先通過探頭接收被測信號，然后經(jīng)過一個前置放大器對信號進行放大和調(diào)理。信號隨后進入模數(shù)轉換器(ADC)，ADC 以一定的采樣率將模擬信號轉換為數(shù)字信號。這些數(shù)字信號被存儲在存儲器中，通過數(shù)字信號處理技術(如數(shù)據(jù)抽取、內(nèi)插等)對存儲的數(shù)字信號進行處理，最后將處理后的數(shù)字信號轉換為圖像信號，在顯示屏上顯示出被測信號的波形。

涉及 RC 濾波的部分

探頭部分：示波器探頭有時會用到類似 RC 濾波的原理。例如，探頭的輸入電容和示波器的輸入阻抗(可以看作是電阻成分)會構成一個低通濾波電路。當信號頻率升高時，由于這個低通濾波電路的作用，高頻信號會被衰減。這種特性在一定程度上會影響示波器對高頻信號的測量，但這不是示波器主要的工作原理，而是一種可能會對測量產(chǎn)生影響的附帶現(xiàn)象。在一些高精度測量中，需要考慮探頭的這種濾波特性，并且可以通過對探頭的校準和補償來減小其對測量的不利影響。

輸入電路部分：示波器的輸入電路也可能包含一些電容和電阻元件，這些元件組合起來可能會起到一定的濾波作用。例如，在信號進入示波器的垂直放大電路之前，為了去除信號中的高頻噪聲或者防止高頻干擾，可能會設置一些簡單的 RC 濾波電路。但這只是對輸入信號進行初步的預處理，其目的是為了優(yōu)化輸入信號的質量，以便后續(xù)的信號處理和波形顯示，而不是示波器顯示波形的核心原理。

1.帶寬

定義：指示波器能夠準確測量的最高頻率信號，當輸入正弦波信號幅度衰減到實際信號幅度的 70.7%(即 - 3dB 衰減)時，對應的頻率即為示波器帶寬.

重要性：帶寬決定了示波器對信號的基本測量能力，若帶寬不足，示波器將無法測量高頻信號，信號幅度會出現(xiàn)失真，邊緣將會消失，細節(jié)數(shù)據(jù)將被丟失.

選擇建議：通常遵循 “五倍法則”，即示波器的帶寬應該至少是被測信號最高頻率的五倍，以確保信號的波形失真最小.

1.1 示波器最大帶寬限制的影響

示波器的帶寬限制是指示波器能夠準確測量的信號頻率范圍存在上限，主要體現(xiàn)在以下方面：

硬件限制

模擬前端電路：示波器的模擬前端電路包括放大器、衰減器等，這些電路的頻率響應特性決定了示波器對不同頻率信號的放大和衰減程度。隨著信號頻率的升高，模擬前端電路的增益會逐漸下降，導致信號幅度衰減，從而限制了示波器能夠準確測量的最高頻率.

采樣保持電路：采樣保持電路用于在采樣時刻對輸入信號進行采樣并保持其電平，以便后續(xù)的模數(shù)轉換。采樣保持電路的帶寬有限，當輸入信號頻率過高時，無法準確地跟蹤信號的變化，導致采樣值與實際信號值之間存在偏差，影響測量精度。

探頭因素

探頭帶寬不足：示波器探頭是連接示波器和被測設備的接口，探頭本身也具有一定的帶寬限制。如果探頭的帶寬低于示波器的帶寬，那么信號在通過探頭時就會發(fā)生衰減，從而降低了示波器能夠測量到的有效帶寬。即使示波器本身具有較高的帶寬，但由于探頭的限制，也無法充分發(fā)揮其性能.

探頭的輸入電容：探頭的輸入電容會與被測電路形成一個低通濾波器，限制了高頻信號的通過。輸入電容越大，對高頻信號的衰減就越嚴重，從而降低了示波器的有效帶寬 .

采樣率影響

采樣定理限制：根據(jù)奈奎斯特采樣定理，為了能夠準確地重建信號，采樣率必須至少是信號最高頻率的兩倍。然而，在實際的示波器中，由于采樣保持電路和模數(shù)轉換器等的非理想特性，僅僅滿足奈奎斯特采樣率是不夠的，通常需要更高的采樣率才能保證測量精度。如果采樣率不足，就會導致信號的高頻成分丟失或失真，從而限制了示波器能夠測量的信號帶寬.

采樣點數(shù)限制：示波器的存儲深度是有限的，即一次采集中能夠存儲的樣本數(shù)量是有限的。當采樣率較高時，在有限的存儲深度下，能夠測量的時間窗口就會相應縮短，這可能導致無法完整地捕獲較長時間的信號波形。為了在有限的存儲深度下獲得更長的測量時間，就需要降低采樣率，但這又會影響對高頻信號的測量精度，從而形成了帶寬限制.

信號完整性問題

傳輸線效應：當信號在傳輸線上傳輸時，會受到傳輸線的電感、電容和電阻等參數(shù)的影響，導致信號的失真和衰減。如果傳輸線的長度較長或信號頻率較高，傳輸線效應就會更加明顯，從而影響示波器對信號的測量精度。為了減小傳輸線效應的影響，需要使用短而匹配的傳輸線，并盡量減小傳輸線的電感和電容.

電磁干擾：在實際的測量環(huán)境中，存在各種電磁干擾源，如其他電子設備、電源線等，這些電磁干擾可能會耦合到被測信號中，導致信號的失真和噪聲增加。如果電磁干擾的頻率較高，就會超出示波器的帶寬范圍，從而影響測量結果的準確性。為了減小電磁干擾的影響，需要采取適當?shù)钠帘魏蜑V波措施，如使用屏蔽線、濾波器等.

實際測量中的影響

頻率響應失真：對于超出示波器帶寬的信號頻率，示波器的頻率響應會出現(xiàn)失真，無法準確地測量信號的幅度和相位。信號的高頻成分會被衰減，導致波形的上升沿和下降沿變緩，細節(jié)丟失，從而影響對信號特征的分析和判斷.

幅度測量誤差：由于帶寬限制，示波器對超出其帶寬的信號幅度測量可能會出現(xiàn)誤差。信號幅度會被低估，測量結果不準確，從而影響對信號強度的評估.

相位測量不準確：超出示波器帶寬的信號相位可能會失真，導致測量得到的相位值與實際值之間存在偏差。這對于需要精確測量信號相位關系的應用，如通信系統(tǒng)中的信號同步等，會產(chǎn)生較大的影響

2.采樣率

定義：表示每秒鐘示波器采集的樣本數(shù)，單位為赫茲(Hz).

重要性：高采樣率有助于更準確地重建信號波形，采樣點越多，所測到的波形就越接近真實波形，重要信息和事件丟失的概率就越小.

選擇建議：一般來說，采樣率應該是信號最高頻率的 5 到 10 倍，根據(jù)香農(nóng)定理，為了避免波形混疊，采樣率應不小于信號最高頻率的 2 倍，但實際應用中，通常需要更高的采樣率.