数字示波器的优点和使用注意事项

李 杉，赵 辉

东北电力大学理学院，吉林吉林 132012

0 引言

示波器在工业、教育、科研中应用十分广泛，可以直接观察电信号波形，也可以测量电信号的电压和频率，因此，对于能转化为电信号的物理量都可用示波器来观测。随着现代科技的发展，信号的带宽和复杂度越来越高，对于示波器的性能要求也越来越高，于是数字示波器逐渐取代了模拟示波器[1]。笔者通过这几年在实验中对示波器的使用比较，发现数字示波器有模拟示波器不可比拟的便利，但在使用过程中也需注意一些事项，从而正确使用数字示波器。

1 模拟示波器和数字示波器的原理

图1 模拟示波器的核心部件——示波管的结构示意图

图1为模拟示波器的核心部件示波管的结构图[2]。模拟示波器利用电子枪发射的高速运动而狭窄电子束，轰击在涂有荧光粉的屏幕上，就会产生细小光点。被测信号作用于偏转极产生偏转电场，电子束在偏转电场的作用下在荧屏上描绘出跟随被测信号变化而变化的曲线。总的来说，模拟示波器的测量原理就是把看不见的电信号转换为看得见的图象，从而便于人们研究各种物理量。

图2描述的是数字示波器的工作原理。模拟信号从输入端输入，经模拟放大器放大后再由模拟/数字转换器（ADC）转变为数字信号并进行采样，而后将采样信息输入到采集存储器。当触发器向采集存储器发出触发信号时，采集存储器将存储的采样信息一方面传输到显示处理器，经其处理后在屏幕上显示被测信号的图像，另一方面传输给测量与分析系统。该系统运用各类软件对传输进来的信息进行测量、放大、数学运算等处理，还可将处理之后的信号传输给显示处理器而显示到屏幕，或者存储到硬盘、进行打印机打印等[3]。

数字示波器的重要性能指标之一是采样率。所谓采样也就是把输入示波器的连续的模拟信号进行离散和数字化，该过程是由A/D转换器实现的。采样率就是A/D转换器的转换速率，单位是sample/second，即每秒钟的采样数目。

可见，数字示波器和模拟示波器的关键区别为：模拟示波器是直接捕获被测模拟信号并显示在屏幕上；而数字示波器则是将被测模拟信号通过模拟-数字转换器转变为数字信号，并进行一定运算处理后，再转换回模拟信号从而显示在屏幕上。

图2 数字示波器工作原理框图

2 数字示波器和模拟示波器操作举例

图3 模拟示波器测量正弦电压有效值的屏幕显示图

2.1 测量正弦电压有效值

图4 采样率100.0Ksa/s捕捉的fx : fy = 2:3李萨如图

一般来说，模拟示波器测量正弦电压信号有效值的步骤为：

调节模拟示波器相关的旋钮，得到一稳定的正弦电压波形；b. 读出波峰和波谷之间在Y轴方向上对应的格数n，以及对应的Y轴电压灵敏度m V/div；c. 由可以计算出该正弦电压信号的有效值V。

而数字示波器直接按AUTO键就可以显示出稳定的电压波形，按MEASURE键在显示菜单中选择电压测量，在其子菜单中选择均方根值，然后即可直接读出该信号的有效值V = 8.10（v）, 如图3所示。

2.2 观察李萨如图形

在模拟示波器中，由于参与合成李萨如图形的正弦信号的相位差一直在变化，因而李萨如图形不能形成静止图像，尤其如fx : fy = 2:3会给画李萨如图带来很大困难；而数字示波器就凸显其优势，可以通过电子技术让图像稳定下来。图4所示为采样率为100.0Ksa/s时捕捉到的fx : fy = 2:3李萨如图。[3]

由以上比较可见，数字存储示波器在使用上更简洁、方便，还有模拟示波器不具备的特殊优点。

3 数字示波器使用中的注意事项

数字示波器比模拟示波器具备很多优点，如体积小、重量轻，可以储存波形进行操作分析，还可以对波形进行打印、存档等，但由于数字示波器采用对被测信号取样的方法，取样不同会造成不同的结果。因此，在数字示波器使用过程中要注意一些事项。

3.1 注意区分带宽

示波器最重要的性能指标之一是带宽。对数字示波器来说，带宽有两种：模拟带宽和实时带宽。模拟带宽和模拟示波器的带宽类似，是一个固定值，由前端放大器的带宽决定，只适用于重复信号，故又称重复带宽；实时带宽是指实时采样过程中所能达到的最大带宽，与模拟带宽和采样率有关，既适用于重复信号、也可用于单次信号的测量，又称单次带宽，一般要小于模拟带宽。示波器厂家标称的带宽通常是指模拟带宽。故进行单次信号测量时，要注意考虑到实时带宽是否合适，否则会引起意料不到的误差。

3.2 注意采样速率的选择

3.2.1 采样速率过小易出现混迭

混迭是指信号的屏显频率低于实际频率，或是触发指示灯虽亮但屏显波形仍不稳定。按照奈奎斯特定理描述，采样速率应该高于信号高频成分至少2倍才能不发生混迭现象。如对于一个频率为200MHz的信号，需要至少400Msa/s的采样速率才不致发生混迭。而对于一个频率未知的信号，可以把扫速t/ div从低到高慢慢改变，观察信号的屏显频率是否发生剧烈变化，或者晃动的波形是否在达到某个较快扫速时突然稳定下来，如果是，则说明之前已经发生了波形混迭。

3.2.2 采样速率与t/div的关系

最大采样速率对一台特定的数字示波器来说是一个固定值。通常，扫速t/div与采样速率fs的关系为：fs = N/(t/div)，其中N为每格的采样点数目。如果采样点数目N固定，则采样速率fs和扫速t/div为反比关系，即扫速越快则采样速率越小。因此为了防止混迭现象的发生，数字示波器的扫速档位应该置于较大位置；而要捕获转瞬即逝的信号时，档位则应置于较小位置。

图5 上升沿与采样点的关系示意图

3.3 注意上升时间

对模拟示波器来说，上升时间是极为重要的性能指标之一。但对数字示波器来说，上升时间无关重要。由工作原理可看出，数字示波器AUTO测量给出的上升时间应该与采样点位置密切有关。图5中的a图表示两个采样点恰好包含了上升沿，此时上升时间为两相邻采样点时间间隔的0.8倍；b图的上升沿同样被两个采样点包含，但中部还有一个采样点，因此同样的波形上升时间则变为两相邻采样点时间间隔的1.6倍。[4]可见，数字示波器不可以根据测量出的时间来倒推出信号的上升时间，而模拟示波器则可以。

4 结论

示波器应用十分广泛, 使用也相对复杂，只有掌握示波器的原理、结构和特点, 才能进行准确地测量。数字示波器以其显而易见的优点正在逐步取代模拟示波器，但由于其工作原理原因，我们在使用过程中也必须遵守上述的重要注意事项。

[1]孙志强.示波器—了解电子设计世界的窗口[J].国外电子测量技术，2009，29(5)：1-4.

[2]朱英明.数字示波器原理与测试分析[J].电子测试, 2007(2)：38-40.

[3]周恒智.数字示波器在大学物理实验中的应用[J].数字技术与应用, 2011(5)：110-111.

[4]夏莉萍.数字示波器使用必须注意的问题[J].国外电子测量技术，2001(1)：27-28.