示波器工作原理、基本功能、示波器与频谱仪的区别

　　示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，是电子工程师的眼睛，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器的首要条件：准确的显示波形，保证信号完整性测量。

　　示波器的功能：用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外，还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测。

　　示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。利用示波器能观察各种不同信号幅度随时间变化的波形曲线，还可以用它测试各种不同的电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅度等等。

　　首先示波器从设计原理上分为模拟示波器和数字示波器两种，最早出现的示波器为模拟示波器，而今由于带宽等问题，模拟示波器已经渐渐被淘汰。那模拟示波器的原理是怎么样的呢？下面这张图就可以很好的说明：

　　模拟示波器内部会产生周期性的锯齿波信号来控制银光平电子枪的水平偏转，被测的电压信号经过放大后控制荧光屏电子枪的垂直偏转。这样一来，光斑或者亮线就清楚的显示在荧光屏上了，就是波形嘛。

　　从设计理念上来分析，模拟示波器有许多不可比拟的好处，例如信号波形不会丢失、不存在死区时间等。而数字示波器虽然一开始会存在这些问题，但随着现在电子技术的大力发展，这种瑕疵已经变得越来越小。那数字示波器的设计原理又是怎么样的呢？

　　波形首先要通过探头，经由前端的放大器进行放大，之后由模数转换单元进行转换，进而存储到采集内存中，然后显示到显示器上。

　　在这一整个过程中，波形并不是实时呈现在屏幕上的，而是经过采集内存之后又呈现在波形上的。因此如果整个采样和转换时间较长的话，就会产生较大的死区时间，所以在死区时间内的波形就无法观察到了。这也就是为什么很多人至今仍然坚持认为数字示波器不如模拟示波器好的原因所在。

　　模拟示波器的优点毋庸赘述，实时性好、原理简单、价格便宜。但是本身的仪器原理也包含了终将会被时代抛弃的硬伤。大抵有以下几条：

　　一、带宽有限：这绝对是致命硬伤。模拟示波器的输入信号是放大后直接控制CRT显示屏的电子枪偏转。虽然放大器的带宽可以越来预高，但是CRT电子枪的偏转速度是有限的，对于高频信号，电子枪的速度跟不上信号变化。因此，当前模拟示波器带宽真的很难做上去。

　　二、无法存储和分析：很多老工程师非常清楚，用模拟示波器保存波形是要拿相机拍照的，如果要测幅度、周期、上升时间，只能手动去搞。要是想测相位差、功率这些，对于数字示波器这种只是勾选一下就能完成的事情，对于模拟示波器简直是体力活。

　　三、触发能力太弱：基本只能边沿触发吧。想脉宽触发？斜率触发？根本不可能！更不要开个图形来做模板触发这种脑洞大开的触发方式了。

　　四、性能不稳定：毕竟是大量的模拟器件，时间长了之后指标就不稳了，温漂也要比数字示波器严重的多。在20世纪80年代开始，数字示波器逐渐崭露头角。特别是随着高速ADC芯片和数字处理技术的发展，数字示波器在带宽、触发、分析、显示方面全面超越了模拟示波器。现在市面上在售的示波器基本全都是数字示波器了。

　　这里要强调的一点仍然是死区时间，这依赖的是数字示波器后面的处理和显示速度。虽然在现有的技术水平下仍然无法做到实时处理，但是处理的速度越快，丢失的波形就越少，有关这方面性能是指标叫做——波形刷新率。对于200MHz带宽示波器来说，几乎所有的品牌都会配1G的采样率，但是波形刷新率是更为重要的参数之一。波形刷新率越高，波形观测的死区时间就小了好多。

　　不管怎么说，数字示波器取代模拟示波器都是大势所趋。在电子技术飞速发展的阶段，相信模拟示波器的价格优势也会慢慢消失殆尽。

　　1、可以测量直流信号、交流信号的电压幅度

　　2、可以测量交流信号的周期，并以此换算出交流信号的频率。

　　3、可显示交流信号的波形。

　　4、可以用两个通道分别进行信号测量。

　　5、可以在屏幕上同时显示两个信号的波形，即双踪测量功能。此功能能够测量两个信号之间的相位差，和波形之间形状的差别。

　　示波器面板旋钮的功能

　　1、 扫描速度旋钮，可以改变示波器扫描线从左向右移动的速度。

　　2、 电压选择旋钮，可以改变输入电压使扫描线在示波器屏幕Y轴方向的偏转幅度。

　　3、 上下调整旋钮、左右调整旋钮，可以改变扫描线在屏幕中上下左右两个方向的位置。

　　4、 电压标准旋钮向顺时针方向达到最大值的状态为标准状态。其它位置为非标准状态。

　　5、 扫描速度标准旋钮向顺时针方向达到最大值的状态为标准状态。其他位置为非标准状态。

　　6、 为同步旋钮，它能使示波器的波形稳定下来。

　　7、 功能选择键为CH1通道选择、CH2通道选择、双踪功能选择。

　　8、 功能选择键为CH1信号同步、CH2信号同步。

　　9、 为测量功能选择开关，能使测量处与交流DC、直流AC、和接地GHD三种状态。当处于直流DC状态时，无论是直流还是交流信号都能够进行测量。当处于交流AC状态时，示波器测量接口的内部被串上的一个电容，此时信号中的直流成分被电容阻隔，而交流成分却可以通过电容而被测量。

　　当处于接地状态的时，示波器的测量接口在示波器内部与地短路，此时外部信号不能进入示波器。

　　10、为亮度调整旋钮，可以调整图像的亮度。

　　11、为聚焦调整旋钮，可以使图像变得精细。

　　从实时带宽、动态范围、灵敏度和功率测量准确度四个方面比较了示波器和频谱仪的分析性能指标的区别。

　　1 实时带宽

　　对于示波器来说，带宽通常是其测量频率范围。而频谱仪则有中频带宽、分辨带宽等带宽定义。这里，我们以能对信号进行实时分析的实时带宽作为讨论对象。

　　对于频谱仪来说，末级模拟中频的带宽通常可以作为其信号分析的实时带宽，大多数的频谱分析的实时带宽只有几兆赫兹，通常较宽的实时带宽通常为几十兆赫兹，当然目前带宽最宽的FSW频谱仪可以达到500兆赫兹。而示波器的实时带宽为其实时取样的有效模拟带宽，一般为数百兆赫兹，高的可达数千兆赫兹。

　　这里需要指出的是，大多数的示波器在垂直刻度设置不同时，其实时带宽可能并不一致，在垂直刻度设置到最灵敏时，其实时带宽通常会下降。

　　从实时带宽来说，示波器普遍优于频谱仪，这对于某些超宽带信号分析尤其有好处，特别是在调制分析上有着无可比拟的优势。

　　2 动态范围

　　动态范围指标因其定义不同而有所不同，很多情况下，动态范围被描述为仪器测量最大信号和最小信号的电平差值。当改变测量设置时，仪器测量大信号和小信号的能力是不一样的，例如频谱分析仪在衰减设置不一样的情况下，其测量大信号所带来的失真是不一样的。在这里，我们讨论仪器能够同时测量大小信号的能力，即在不改变任何测量设置的情况下，示波器和频谱仪在合适设置情况下的最佳动态范围。

　　对于频谱仪来说，在不考虑相位噪声等近端噪声和杂散情况下，平均噪声电平、二阶失真、三阶失真是制约动态范围的最主要因素，以主流频谱仪的技术指标计算，其理想动态范围约为90dB（受二阶失真限制）。

　　大多数的示波器由于受其AD有效取样位数和噪声底的限制，传统示波器的理想动态范围通常不超过50dB。（对于R&S RTO示波器，在100KHz RBW时，其动态范围可高达86dB）

　　从动态范围来看，频谱仪要优于示波器。但这里要指出的是，这对于常在信号的频谱分析来说确实如此，然而示波器的频谱是同一帧数据，频谱仪的频谱大多数情况下都不是同一帧数据，因而对于瞬变信号来说，频谱仪可能无法测量到。而示波器发现瞬变信号（信号满足动态范围的情况下）的概率要大得多。

　　3 灵敏度

　　这里讨论的灵敏度，是指示波器和频谱仪所能测试到最小信号的水平。这个指标与仪器设置紧密相关。

　　对于示波器而言，示波器在Y轴设置至最灵敏档时，通常为1mV/div时示波器所能测试到最小信号，抛开端口不匹配等因素来看，示波器的信号通道产生的噪声以及轨迹不稳定带来的噪声是制约示波器灵敏度的最重要因素。

　　4 功率测量准确度

　　对于频域分析来说，功率测量准确度是非常重要的技术指标。无论是示波器还是频谱仪，对功率测量准确度的影响量都是非常多的，下面分别列出其主要的影响量：

对于示波器来说，功率测量准确度的影响量有：端口不匹配引起的反射、垂直系统误差、频率响应、AD量化误差、校