示波器的各个系统和控制

示波器包含四个不同的基本系统：垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。理解每一个系统的含义，有助于您更有效地应用示波器，完成特定的测量任务。请记住，示波器的每一个系统对精确地重构信号都大有裨益。

        本小节简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。模拟和数字示波器的一些控制并不相同；也许您的示波器还有其他的控制，但并没有在这里提及。

        示波器的前面板分为三个主要的区域，标注为垂直区、水平区和触发区。由于模式和类型（模拟或数字）不同，您的示波器也许还有其他的区域。参看图22，在阅读本小节过程中，看看您能否在图中以及在自己的示波器中找到前面板的各区域位置。当使用示波器时，为接纳输入信号，需要对以下配置进行调整：

• 信号的衰减和放大值。通过控制伏特/格，可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。
• 时基。通过控制秒/ 格，可以显示屏中每一水平刻度代表的时间量。
• 示波器触发。利用触发电平，可以稳定重复信号，或者触发单一的事件。

垂直系统和控制

        波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件，具体内容在本节的后面部分有讲解。通用垂直控制包括：

• 端接设备
  1M 欧
  50 欧
• 耦合方式
  DC 直流
  AC 交流
  GND 地线
• 带宽限制
  20 MHz
  250 MHz
  全带宽
• 位置
• 偏移
• 转置－开/关
• 标度
  1-2-5
  可变
• 缩放

位置和每刻度电压

        垂直位置控制使您能按照需求准确地上下移动波形。调节每刻度电压值（通常记为volts/div，伏特/格），那么显示波形大小
会随之改变。较好的通用示波器可以精确显示信号电平范围大概是从4微伏到40 伏特。

        伏特/ 格是一个标度因数。假设分为八个主要的刻度格子，如果伏特/格设置为5伏特，则八个垂直格中的每一个都表示5伏特，那么从下到上整个屏幕可以显示40伏特。如果设置的是0.5 伏特/格，那么从下到上可以显示4伏特，依此类推。屏幕显示的最大电压是伏特/ 格乘上垂直刻度的数量。注意探头有1X 或10X，它也影响标度因数。如果示波器没有把伏特/ 格除以衰减系数，那么您自己应该留意。

        通常，伏特/格有可变的增益控制或精密增益控制，使显示的信号标度在数个合适的刻度内。利用这样的控制方式，方便对上升时间等的测量。

输入耦合

        耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式。既然这样，那么输入耦合就指测试电路与示波器的连接。耦合方式可以设置为DC、AC或者地线。DC耦合会显示所有输入信号。而AC 耦合去除信号中的直流成分，结果是显示的波形始终以零电压为中心。图23 图解了两者的不同之处。当整个信号（振荡的电流＋直接电流）大于伏特/ 格的设置时，AC 耦合非常适用。

地线

        地线的设置不需要输入信号与垂直系统相连。观察地线，就可以知道屏幕中零电压的位置。如果使用的是地线输入耦合和自动触发模式，那么屏幕中就有一条表示零电压值的水平线。测试信号电压相对地的电平值的便捷方法为，把耦合从DC 转换到地，再重新转换回DC。

带宽限制

        大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。交替和断续显示模式模拟示波器显示多个信道时采用交替（alternate）或断续（chop）模式。（许多数字示波器可以同时表示多个信道，而不需要使用间隔和交替模式。）

        交替模式轮流绘制每一通道：示波器首先完成通道1 的扫描，马上对通道2 进行扫描，接着又扫描通道1，如此循环。这一模式适用于中速到高速的信号，此时秒/ 格标度设置在0.5ms，甚至更快。断续模式是示波器前后变换着描绘信号中的一小段。变换的速度相当快，人眼难以注意到，波形看上去也是一个整体。典型地，捕获的扫描速度为1ms或者更低的慢速信号，可以采用这一模式。图24图解出两者的不同之处。有时为了得到最好的显示效果，需要在两种模式中作出选择。

水平系统和控制

        示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系，采样速率和记录长度等需要在此设定。水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括：

• 主时基
• 延迟时基
• XY 模式
  标度
  1-2-5
• 可变
• 波形踪迹区分
• 记录长度
• 分辨率
• 采样速率
•  触发位置
• 缩放

捕获控制

        对数字示波器，用户可以控制捕获系统如何处理信号。在阅读下面的说明时，请察看您自己的示波器的捕获选项。图25 给出的是一个捕获菜单的例子。

捕获模式

        捕获模式控制如何从采样点中产生出波形点。采样点是直接从模数转换器（ADC）中得到的数字值。采样间隔指的是相邻采样点的时间。波形点指的是存储在存储区内的数字值，它将重构显示波形。相邻波形点之间的时间差用波形间隔表示。
采样间隔和波形间隔可以一致，也可以不一样。由此产生出几种不同的实际捕获模式，其中一个波形点可以由数个捕获的采样点序列构成，另外有一种捕获模式，波形点是由若干捕获产生的采样点共同构成。随后将介绍最常用的捕获模式。

捕获模式的类型

        采样模式：这是最简单的捕获模式。每一个波形间隔，示波器存储一个采样点的值，并做为波形的一个点。峰值检测模式：示波器将波形间隔内采样出来的采样点，选取其中的最小值和最大值，并把这些样值当作两个相关的波形点。采用峰值检测模式的示波器以非常高的采样速率运行ADC，即便设置的时基非常慢也是如此（慢时基等效为长的波形间隔）。采样模式不能捕获发生在波形点之间的快速变化的信号（参看图26），而峰值检测模式可以捕获到。利用峰值检测，非常有效地能观察到偶尔发生的窄脉冲（如图27 所示）。

        高分辨率 (Hi Res) 模式：与峰值检测一样，当ADC采样快于时基的设置要求时，高分辨率模式是获取更多信息的一种方法。对于这种模式，在一个波形点时间间隔内，采多个样值，然后算出平均值，得到一个波形点。噪声会对结果产生负面影响，而低速信号的分辨率会提高。

        包络模式：包络模式与峰值检测模式类似。但是包络模式是由多次捕获得到的多个波形的最小和最大波形点，重新组合为新波形，表示波形随时间变化的最小/最大量。常常利用峰值检测模式来捕获记录，组合为包络波形。

        平均值模式：对于平均值模式，在每一个波形间隔，示波器存储一个采样点，这一点与采样模式一致。随后处理方式则不同，该模式算出连续捕获得到的波形点的平均值，然后产生最后的显示波形。平均值模式在减少噪声的同时并没有损失带宽，但它处理对象是重复的信号。

捕获系统的启动和终止

        数字示波器的最大优点之一是它们能够存储波形，随后再作观察。为此目的，前面板中通常都会有一个或多个按钮，用来启动和终止捕获系统，然后从容地分析波形。另外，您也许需要在一个捕获过程完成之后，或者在某设定的记录已经变为某种包络或均值波形之后，让示波器自动停止捕获。这个特性称为单次扫描或单次捕获，通常在使用其他捕获控制或者使用触发控制时，可以控制该特性。

采样

        采样是为方便存储、处理和/或显示，把部分输入信号转变为许多离散电信号的过程。信号在某一时刻采样，每一个采样点的幅度与输入信号在那一时刻的幅度值相同。

        采样与抓拍类似。每一个瞬间图象代表波形上某一时刻的特定点。这些瞬象按照时间顺序排列起来，就能够重构输入信号。对数字示波器而言，一组采样点在显示屏上重构波形，垂直轴代表测量幅度，而水平轴表示时间，请参看图28。

        图28 中，输入波形在屏幕上呈现一串点。如果点距离很远，那么很难分辨出波形，解决方法是采用插值法连接各点。插值法利用直线或矢量连接各点。许多插值算法都可以精确显示连续的输入信号。采样控制有些数字示波器可以选择采样的方式：实时采样或者等效时间采样。在示波器的捕获控制部分可以选择捕获信号的采样方式。请注意，对于慢速的捕获信号，选择结果是没有差别的；只有当ADC采样速度不够快速，不能在一遍之内把波形点填充到记录中时，作出选择才是有意义的。

采样方式

        尽管有许多不同的采样技术的实现，现在的数字示波器采用两种基本的采样方式：实时采样和等效时间采样。等效时间采样可以进一步分为两种子类：随机和顺序。每一种方式都根据测量对象的不同有各自独特的优势。

 

实时采样

        对于频率范围在示波器最大采样速率一半以下的信号，实时采样是理想的方式。此时，通过一次“扫描”波形，示波器就能获得足够多的点重构精确的图象，如图29 所示。为数字示波器采集快速、单脉冲和瞬态信号，实时采样是唯一的方式。

        为了精确数字化高频瞬态事件，必需要有足够的采样速率，数字示波器的实时采样才能很好的完成这样的任务。如图30 所示。这些事件只发生一次，必须在发生的同一时间帧内对其采样。如果采样速率不够快，高频成分可能会“混叠”为低频信号，引起显示混叠。另外，一旦波形经实时采样数字化，必需的高速存储器也带来更多的复杂性。为精确体现高频成分，涉及采样率和记录长度的概念，如果需要详细了解，请参看性能术语和应用部分的采样速率和记录长度一节。

        利用插值法的实时采样。数字示波器获取被显示波形的离散样值。但是，如果信号只是由各点表示，则很难观察，特别是信号的高频部分，获取的点很少，更增加了观察的难度。为增加信号的可视性，数字示波器一般都使用插值法显示模式。

        简单地说，插值法“连接各采样点”，即使信号在一个周期内仅采样几次，也能有精确的显示。对于利用插值法的实时采样，示波器在单程内只收集很少量的采样点，在间隙处利用插值法进行填充。插值法是利用一些点推算出整个波形样子的处理方法。

        线性插值法在相邻样点处直接连接上直线。这种方法局限于重建直边缘的信号，比如方波。参看图31。参照图31，sin x/x 插值法利用曲线来连接样点，通用性更强。Sin x/x插值法利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果。这种插值法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通形状。当采样速率是系统带宽的3 到5 倍时，sin x/x 插值法是建议的插值法。

等效时间采样

        在测量高频信号时，示波器可能不能在一次扫描中收集足够的样值。如图32 所示，当信号频率超过示波器采样频率的一半时，等效时间采样可以精确捕获这些信号。等效时间数字化器（采样器）利用的原理是，大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。为构建重复信号的图象，在每一个重复期内，等效时间只采样采集少量的信息。象一串灯一盏一盏依次点亮那样，波形逐渐累积而成。利用这样的方式，即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率，也能形成精确地采样。

        有两种等效时间采样的方法：随机和连续。每一种都有其优势。随机等效时间采样允许输入信号的显示先于触发点，而不需要使用延迟线。连续等效时间采样提供更大的时间分辨率和精度。两者都要求输入信号具有重复性。

        随机等效时间采样。随机等效时间数字转换器（采样器）采用内部的时钟，它与输入信号和信号触发器的时钟不同步，如图33 所示。样值连续不断地获得，而且独立于触发位置，显示时则由样值和触发器的时间差决定。尽管采样在时间上是连续的，但是相对于触发器则是随机的，由此产生了“随机”等效时间采样的说法。当在示波器屏幕上显示的时候，采样点沿着波形随机地出现。

        捕获和显示样值优先于触发点的性能是这种采样技术的关键优势，这样，不再需要外部的预触发信号或延迟线。取决于采样速率和延迟时间窗，随机采样可以在一次触发事件中捕获多个样值。然而，对于更快的扫描速度，捕获窗口很狭窄，数字转换器不能在每一次触发时采到样值。对于这些具有更快交换速度的地方，往往需要进行相当精确的定时测量，而连续等效时间采样可以利用额外的时间分解方法，显得非常有利。

        连续等效时间采样。连续等效时间采样在每一个触发捕获一个样值，而不依赖于时间/ 格（time/div）的设置和扫描速度，如图34 所示。每发现一个触发，经过一段虽然非常短却明确的延迟，就获得样值。当发生下一次触发时，延迟增加一段小的时间增量（delta t），数字转换器则又采下一个样值。该过程重复多次，“delta t”不断增加到前一个捕获量中，直到时间窗口填满。当需要显示到示波器屏幕中的时候，样点从左到右沿着波形顺序出现。

        从技术的角度，产生一个非常短非常精确的“delta t”，与准确测量与采样触发点相关的垂直和水平位置相比，前者要容易的多。精确的测量延迟使连续采样器很难控制时间间隔分辨能力。既然如此，如果采用连续采样，一旦发现触发电平，就对信号进行采样，如果没有模拟延迟线，触发点不可能得到显示，但是延迟线的存在会减少仪器的带宽。如果提供外部的预触发器，那么带宽就不会收到影响。

位置和秒/格

        水平位置控制使波形在屏幕上左右准确移动。秒/格设置（通常记为sec/div，秒/ 格）可以使您选择波形描绘到屏幕上的速率（也被称为时基设置和扫描速度）。该设置是一个标度因数。如果设置为1ms，则表示水平方向每刻度表示1ms，而整个屏幕宽度代表10ms，或者10 格。改变sec/div 设置，可以看到输入信号的时间间隔作增长和缩短的变化。

        垂直方向的标度是伏特/ 格，水平方向的标度是秒/ 格。水平方向改变定时关系。在各种离散设定中，可以调节水平的时间标度。

时基选择

        示波器有时间基准，通常指的是主时基。许多示波器还有一种延迟时基，即基于一种扫描的时间，该扫描是在基于主时基的扫描之后经过预先确定的时间启动的（或经过触发而启动）。使用延迟时基扫描，可以更清晰地观察实例，或者是观察到在主时基扫描中不能单独看到的情况。

        为了实现延迟时基，需要对时间延迟设置，还可能要使用延迟触发模式，以及其他没有在本读本中涉及的设置。参照示波器同时提供的手册，可以了解到如何使用这些特性的信息。

缩放

        示波器可能有一种专门的水平放大设置，通过它，可以在屏幕上放大波形的一部分。数字存储示波器（DSO）在存储数字数据部分有对缩放的操作。

XY 模式

        大多数模拟示波器有XY模式来显示输入信号，而普通的水平轴是时间基线。这种操作模式揭示了相移测量技术的这种全新领域，相移在测量技术一节中有详细讲解。

Z 轴

        数字荧光示波器（DPO）具有高的显示采样密度，以及天生具有采集亮度信息的能力。通过亮度轴（Z 轴），DPO能提供第三个方向，与模拟示波器那样的实时显示很相似。观察DPO的轨迹，可以看到亮度域，即信号经常发生的地方。从这样的显示中，很容易区别基本信号形状和那些偶尔发生的瞬态信号，因为基本信号显示出来的更亮。Z轴的一个应用是，把特殊的时间信号分别置入Z轴的输入端，可以在波形中形成高亮显示的表示时间间隔的“标记”点。

XYZ 模式

        有一些DPO 使用Z 输入，建立XY 显示的亮度级。既然如此，可以把DPO 采样到的瞬时数据值放到Z 的输入端，这样可以限定波形的特定部分。一旦限定采样后，这些样值又可以存储下来，结果是有亮度等级的XYZ 显示。XYZ 模式可以显示极点，这在测试无线通信设备特别适用（例如，星座图）。

触发系统和控制

        示波器的触发功能可以在信号的正确点处同步水平扫描，这对表现清晰的信号特性非常重要。触发控制可以稳定重复波形，采集单脉冲波形。触发器使重复波形能够在示波器屏幕上稳定显示，实现方法是不断地显示输入信号的相同部分。可以想象，如果每一次扫描的起始都从信号的不同位置开始，那么屏幕上的图象会很混乱，如图35 所示。

        模拟和数字示波器都有边缘触发的方式，边缘触发是最基本和常见的类型。模拟和数字示波器都提供触发门限，除此之外，许多数字示波器提供许多特定的触发设置，而这些设置是模拟设备所不具备的。这些触发器可以响应输入信号的不同条件，这样会使检测简化。例如，如果一个脉冲比实际应该达到的宽度要窄。若是只使用电压门限的触发器，不可能检测到这样的脉冲。高级触发控制使您可以单独关注感兴趣的地方，这样可以使示波器采样速率和记录长度得到优化。有一些示波器提供更高级的可选控制。您可以定义由脉冲幅度触发（比如矮脉冲），由时间限定（脉冲宽度、毛刺、信号压摆速率、建立/ 保持时间违规和超时），以及由逻辑状态或码型（逻辑触发方式）。为检查通信信号，有一些示波器专门设计出可供选择的触发控制方式。有些示波器也提供简化的用户界面，提供适用于各种测试的触发参数的快速配置，充分提高您的生产率。

压摆率触发。如果高频信号的响应速率比期望或需要的快，则发出易出故障的能量。响应速率触发优于传统的边缘触发，这是因为增加了时间元素，以及允许您选择触发边缘的快慢。 矮脉冲触发。利用短脉冲触发，可以采集和检查通过一个逻辑门限，但不能同时通过二个的脉冲。 毛刺触发。当数字脉冲比用户定义的时间限制短或长的时候，可以利用毛刺脉冲触发方式识别出来。即使毛刺脉冲很少，这种触发控制能使您检查出产生的原因，以及它们对其他信号的影响。 逻辑触发。如果输入通道的逻辑组合满足触发条件时，产生触发，则为逻辑触发，这特别适用于验证数字逻辑的操作。 脉冲宽度触发。利用脉冲宽度触发，您可以长时间监视信号，当脉冲的持续时间（脉冲宽度）第一次超过允许范围时，引起触发。 建立和保持触发。只有建立和保持触发才能捕获到建立和保持时间内的违例情况，使用其他模式必然会忽略掉此情况。当同步的数据信号未能满足建立和保持规格时，采用触发模式可轻松地采集到特定的信号质量和定时细节。 超时触发。利用超时触发，基于特定时滞设置触发，可以不必等到触发脉冲结束就可以产生触发事件。 通信触发。在一些示波器中可选。这样的触发适合捕获信号交替反（Alternate-Mark Inversion, AMI）、传号码元反转（Code-Mark Inversion, CMI）和不归零码（Non-Return to Zero, NRZ）的大范围变化情况。

触发位置

        只有数字示波器才有水平触发位置控制。触发位置控制也许就在您的示波器的水平控制部分。它实际上代表的是波形记录中触发的水平位置。变更水平触发位置，可以允许您采集触发事件以前的信号，称为预触发视图（pre-trigger viewing）。这样，可以确定触发点前面部分和后面部分所包含的可视信号的长度。

        数字示波器能够处理预触发视图的原因是，不管是否接收到触发，它们一直都在处理着输入信号。稳定的数据流流过示波器；触发器很少告诉示波器把当前数据存储到存储器中。相比之下，在接收到触发以后，模拟示波器只是显示信号，即记录到CRT 上。这样，模拟示波器不能提供预触发视图的功能。只不过在垂直系统中，由延迟线提供了小量的预触发。预触发视图是一个有价值的处理故障的工具。如果有故障间歇地发生，那么可以利用触发来解决这样的问题，记录故障发生前的事件，很有可能就能找到原因。

触发电平和斜率

        触发电平和斜率控制定义基本的触发点，决定波形如何显示，如图36所示。

        触发电路担当比较器的工作。您选择比较器一个输入口的斜率和电平。当进入比较器的另外一个输入口的触发信号与设定值相匹配的时候，示波器产生触发。

• 斜率控制决定触发点是位于信号的上升沿还是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是负斜率。
• 电平控制决定触发点在边缘的何处发生。

        大多数情况，示波器设置在由被显示信号的通道触发。一些示波器提供触发输出信号，可以成为其他仪器的触发信号。

        示波器可以使用交替的触发源，而不一定是被显示信号。您应该小心谨慎，例如，避免无意之中以通道1 作触发，而实际又是显示的通道2的波形。

触发模式

        触发模式决定示波器是否按照信号的条件描绘波形。通用触发模式包括正常和自动。

        对于正常模式，只有当输入信号满足设置的触发点时，才进行扫描；否则（对模拟示波器而言）屏幕呈黑色或者（对数字示波器而言）冻结在上一次捕获的波形图上。由于可能不会首先看到信号，如果电平控制的调整不正确时，正常模式可能会迷失方向。

        即使没有触发，自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号输入，示波器中的定时器触发扫描。这使得即使信号并不引起触发，显示也总不会消失。

        实践中，您可能会同时使用两种模式：采用普通模式，因为即便触发以很慢的速率发生，它也让您可以观察所感兴趣的内容；而采用自动模式，因为几乎不需要作调整。

        许多示波器也包含了其他的特殊模式，适用于单个扫描、视频信号的触发，或者自动配置触发电平。

触发耦合

        就象在垂直系统中选择AC或DC那样，可以为触发信号选择各种耦合方式。

        除AC和DC耦合之外，您的示波器也许还有高频抑制、低频抑制和噪声抑制的触发耦合方式。这些特殊的设置对消除触发噪声很有用处，噪声的消除可以避免错误的触发。

触发释抑

        有时，为了使示波器能在信号的正确部分触发并不容易。许多示波器采用专门特性，简化了任务。

        触发器释抑时间是发生正确触发后的一段时间，在这段时间内，示波器不能触发。当触发源是复杂波形的时候，该特性能发挥作用，其结果是，只有在适当的触发点示波器才能触发。图37 图解出如何使用触发释抑特性来创建出有用的显示。

显示系统和控制

        示波器的前面板包括的内容有显示屏、旋钮、按钮、开关，以及用来控制信号捕获和显示的指示器。本节的前面已经提及，前面板控制通常分为垂直、水平和触发几个区域。前面板还包括输入连接器。来看一看示波器显示屏。请注意屏幕中的栅格记号，这些记号形成格子线。垂直和水平线构成主刻度格。格子线通常布置为8×10的区块。示波器控制的标号（例如伏特/ 格和秒/ 格）通常参照的是主刻度。中央的水平线和垂直线上标注的标号称为小刻度，如图38 所示。许多示波器的屏幕显示的是每一个垂直刻度表示多少伏特的电压，以及每一个水平刻度表示多少秒的时间。

模拟示波器和数字示波器的显示系统很不相同。通用的控制如下：

• 亮亮度控制调整波形的亮度。当增加模拟示波器的扫描速度的时候，需要增加亮度级。
• 聚焦控制用来调整波形的锐度，轨迹旋转控制把波形定位到屏幕的水平轴上。受地球磁场的影响，示波器在不同地方有不同的准线。基于光栅和基于LCD的显示屏的数字示波器也许不需要这些控制，因为对于这些显示屏，整个显示情况是预先确定的，这与个人计算机的显示一致。与此相对，模拟示波器采用的是直接的光束或者矢量的显示。
• 许多DSO 和DPO 有调色板，可以选择轨迹颜色以及不同亮度级的颜色。
• 显示部分的其他控制包括调整栅格灯的亮度、任何屏幕信息的开关（比如菜单）。

其他示波器控制

        也许您的示波器有相加波形的操作，形成新的波形显示。模拟示波器组合信号，而数字示波器通过数学运算创建新的波形。波形相减是另外一种数学操作。模拟示波器实现减法运算采用的方法是把一个通道的信号反转，然后再采用加法操作。数字示波器一般也能完成减法操作。图39 图解的是通过组合两个不同信号而创建出第三个波形。数字示波器利用内部处理器，提供许多高级数学操作：相乘、相除、积分、快速傅立叶变换，等等。