什么是示波器？示波器的作用是什么？

示波器是一種電子測試儀器，用于觀察和測量電信號隨時間變化的波形。它可以顯示信號的幅度、頻率、周期、上升時間、下降時間等多種特性。示波器廣泛應用于電子工程、電氣工程、通信、自動化控制等領(lǐng)域。

示波器的作用:

波形顯示：示波器可以實時顯示電信號的波形，幫助工程師和技術(shù)人員直觀地分析信號的變化情況。

信號測量：用戶可以使用示波器測量信號的幅度（峰值、均方根）、頻率、周期、脈寬、占空比等參數(shù)。

信號比較：通過多個通道輸入，示波器可以同時顯示多個信號的波形，便于對不同信號進行比較和分析。

故障診斷：在設(shè)備維護和故障排查中，示波器可以幫助識別信號畸變或異常，找出問題所在。

調(diào)試和驗證：在產(chǎn)品開發(fā)過程中，工程師利用示波器調(diào)試電路并驗證其性能是否符合設(shè)計要求。

示波器的分類：

根據(jù)示波器的發(fā)展歷史目前的示波器主要可以分為：

模擬示波器：采用模擬電路直接顯示輸入信號的波形，通常使用陰極射線管（CRT）作為顯示器。

數(shù)字示波器：使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，再進行處理和顯示。常見的類型包括數(shù)字存儲示波器（DSO）和混合信號示波器（MSO）。

模擬示波器：

模擬示波器的原理：

模擬示波器工作方式是直接測量信號電壓， 并通過從左到右穿過示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓。示波器屏幕通常是陰極射線管（CRT）。電子束投到熒幕的某處，屏幕后面總會有明亮的熒光物質(zhì)。當電子束水平掃過顯示器時，信號的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)， 跟蹤波形直接反映到屏幕上。 在屏幕同一位置電子束投射的頻度越大，顯示得也越亮。在被測信號的作用下，電子束就好像一支筆的筆尖，可以在屏幕上描繪出被測信號瞬時值的變化曲線。

圖 模擬示波器結(jié)構(gòu)框圖

模擬示波器的優(yōu)點：

?實時性好?：模擬示波器能夠瞬間顯示波形，幾乎沒有延時，這對于需要快速響應的測試場景非常有利。

?原理簡單?：模擬示波器的工作原理相對簡單，這使得其制作和維護成本較低。

?價格便宜?：由于原理簡單和制作成本較低，模擬示波器的價格通常較為親民，適合預算有限的用戶。

?反應速度快?：模擬示波器在測試某一信號時，能夠在瞬間顯示波形，顯示出極高的反應速度，這對于需要快速響應的測試場景尤為重要

模擬示波器的缺點：

1.帶寬有限：模擬示波器的輸入信號是放大后直接控制CRT顯示屏的電子槍偏轉(zhuǎn)。雖然放大器的帶寬可以越來預高，但是CRT電子槍的偏轉(zhuǎn)速度是有限的，對于高頻信號，電子槍的速度跟不上信號變化。因此，當前模擬示波器帶寬只有幾百MHz。

2. 無法存儲和分析：沒有內(nèi)置的內(nèi)存來記錄和保存信號波形，不能對歷史信號進行回顧和分析。

3. 功能較少：模擬示波器通常只能顯示基本的電壓-時間波形，缺乏如自動測量、數(shù)據(jù)存儲、頻譜分析和數(shù)學運算等數(shù)字示波器具備的高級功能。

4.觸發(fā)能力太弱：基本只能邊沿觸發(fā)吧。

數(shù)字示波器：

數(shù)字示波器的原理：

數(shù)字存儲示波器始于80年代初期。采用現(xiàn)代的A/D技術(shù)和計算機技術(shù)實現(xiàn)的示波器，是示波器工業(yè)的一次革命，是當今示波器的主流。

圖 數(shù)字示波器原理框圖

數(shù)字示波器的原理包括以下部分：

信號輸入：待測電信號通過探頭被送入示波器。通常，輸入信號會經(jīng)過衰減器或放大器調(diào)整至適當范圍，以便后續(xù)處理。

模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）：信號首先進入模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），將連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換為一系列離散的數(shù)字數(shù)據(jù)。ADC的分辨率和采樣率決定了信號表示的精度和帶寬。

信號采集：

采樣：數(shù)字示波器以固定頻率對信號進行采樣，以獲取信號在每個時間點上的幅值。

觸發(fā)：為了穩(wěn)定顯示周期性信號，示波器使用觸發(fā)電路來選擇開始采集的點。這確保每次采集的數(shù)據(jù)起始于相同的信號條件。

4. 數(shù)據(jù)存儲：采樣得到的數(shù)字數(shù)據(jù)會被暫時存儲在示波器的存儲器中。這允許用戶查看歷史波形，并在回顧模式下詳細分析信號特征。

5. 信號處理與分析：

數(shù)字示波器可以執(zhí)行各種信號處理任務，如濾波、FFT等。

能夠進行自動測量，包括頻率、周期、峰值、電壓等參數(shù)。

6. 顯示：經(jīng)過處理后的波形數(shù)據(jù)通過顯卡和顯示模塊呈現(xiàn)在屏幕上，用戶可以看到信號隨時間變化的可視化圖像。現(xiàn)代數(shù)字示波器一般使用LCD或LED屏幕。

7. 通信與存儲：許多現(xiàn)代數(shù)字示波器支持通過USB、LAN或其他接口與計算機連接，以傳輸數(shù)據(jù)或進行遠程控制。同時，它們通常也配備內(nèi)置存儲設(shè)備用于保存捕獲的波形和配置文件。

數(shù)字示波器的應用：

電路調(diào)試與驗證：

用于檢測電路中的故障，通過捕捉異常信號來識別問題。

驗證集成電路（IC）和組件的性能，確保其按規(guī)格運行。

可用于分析瞬態(tài)現(xiàn)象，如開關(guān)電源啟動過程。

通信系統(tǒng)：

分析高速串行總線如USB、以太網(wǎng)的信號完整性。

通過眼圖分析提供對抖動、上升/下降時間等參數(shù)的評價。

測量調(diào)制信號的關(guān)鍵特性，確保有效數(shù)據(jù)傳輸。

嵌入式系統(tǒng)開發(fā)：

調(diào)試微控制器的I/O接口，確保正確的數(shù)據(jù)傳輸。

解碼和驗證協(xié)議棧，如I2C、SPI、UART等。

測試FPGA開發(fā)板上的信號，以優(yōu)化設(shè)計。

電源設(shè)計與測試：

對開關(guān)模式電源（SMPS）的輸出紋波進行測量。

檢查電源效率，通過測量輸入輸出功率進行評估。

觀察電壓瞬態(tài)響應，確保電源在不同負載下的穩(wěn)定性。

汽車電子：

分析CAN、LIN和FlexRay等汽車總線信號。

監(jiān)控發(fā)動機控制單元（ECU）和傳感器之間的通信。

幫助研發(fā)和故障診斷，提升車輛性能和安全水平。

數(shù)字示波器和模擬示波器的區(qū)別：

信號處理方式：

模擬示波器：直接使用電子電路顯示輸入信號的波形，通過陰極射線管（CRT）物理描繪信號。

數(shù)字示波器：將輸入信號數(shù)字化，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進行采樣，然后處理和顯示采集到的數(shù)字數(shù)據(jù)。

顯示技術(shù)：

模擬示波器：使用CRT屏幕，每次只能顯示實時信號，無法存儲或回顧波形。

數(shù)字示波器：通常采用LCD或LED屏幕，可以存儲和回放信號數(shù)據(jù)，支持多種顯示模式。

測量功能：

模擬示波器：提供基本的時間和電壓測量，缺乏自動測量和高級分析能力。

數(shù)字示波器：具備自動測量功能，可以進行復雜的信號分析，如頻譜分析、數(shù)學運算和協(xié)議解碼。

觸發(fā)能力：

模擬示波器：觸發(fā)選項有限，基礎(chǔ)的邊沿觸發(fā)為主。

數(shù)字示波器：提供更靈活的觸發(fā)選項，包括脈寬觸發(fā)、視頻觸發(fā)、邏輯觸發(fā)等。

帶寬與采樣率：

模擬示波器：高頻響應性能好，但受限于CRT技術(shù)，難以準確地捕獲非常高頻的信號細節(jié)。

數(shù)字示波器：帶寬和采樣率較高，能夠?qū)焖僮兓男盘栠M行精準采樣和分析。

存儲和記錄：

模擬示波器：不具備存儲波形的能力，只能觀察瞬時的信號變化。

數(shù)字示波器：可以保存和導出波形數(shù)據(jù)，方便后續(xù)分析和文檔記錄。

體積和便攜性：

模擬示波器：通常體積較大且笨重，不適合便攜使用。

數(shù)字示波器：設(shè)計更為緊湊輕便，攜帶和使用更為方便。

價格和成本：

模擬示波器：一般較為經(jīng)濟，特別是在簡單應用中。

數(shù)字示波器：功能豐富但通常價格較高，尤其是在高性能型號中。

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