自然界運(yùn)行著各種形式的波形，比如海浪、地震、聲波、爆破、空氣中傳播的聲音，或者身體運(yùn)轉(zhuǎn)的自然節(jié)律。物理世界里，能量、振動(dòng)粒子和不可見的力無處不在。即使是光（波粒二象物質(zhì)）也有自己的基頻，并因?yàn)榛l的不同呈現(xiàn)出不同的顏色。通過傳感器，這些力等非電的物理量可以轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，通過示波器就能夠進(jìn)行觀察和研究。

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示波器（Oscilloscope）是顯示信號(hào)波形隨時(shí)間變化特性的儀器。示波器能把肉眼看不見的電信號(hào)變換成看得見的圖象（波形），便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過程。

示波器的功能就是：捕獲、觀察、測(cè)量、分析波形。大多數(shù)波都屬于如下類型：正弦波、方波和矩形波、三角波和鋸齒波、階躍波和脈沖波、噪聲波、復(fù)雜波。還有很多波是上述波形的組合。

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正弦波是基本波形，它具有和諧的數(shù)學(xué)特性，與正弦函數(shù)曲線的形狀一樣。時(shí)域中任何非正弦信號(hào)都是有基波和不同頻率的各次諧波組成的。

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例如：方波是由基波以及 3，5，7，9……次諧波分量疊加而成。

波的時(shí)間參數(shù)

頻率、周期、上升時(shí)間、下降時(shí)間、正脈寬、負(fù)脈寬、正占空比、負(fù)占空比等等。

波的電壓參數(shù)

最大值、最小值、峰峰值、頂端值、底端值、幅度值、平均值、均方根值、過沖、預(yù)沖等等。

帶寬 Bandwidth：指所占據(jù)或能夠提供的頻帶寬度

信道 / 系統(tǒng)：帶寬是指能夠有效通過該信道的信號(hào)的最大頻帶寬度，一般以 Hz 為單位描述；

模擬信號(hào)：帶寬又稱為頻寬，指信號(hào)所包含的頻率分量， 一般以 Hz 為單位描述。例如模擬語音電話的信號(hào)帶寬為 3400Hz，一個(gè) PAL-D 電視頻道的帶寬為 8MHz；

數(shù)字信號(hào)：帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)鏈路能夠通過的數(shù)據(jù)量。由于數(shù)字信號(hào)的傳輸是通過模擬信號(hào)的調(diào)制完成的，為了與模擬帶寬進(jìn)行區(qū)分，數(shù)字信道的帶寬一般直接用波特率或符號(hào)率來描述

采樣率

采樣是將模擬信號(hào)通過 AD 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)的過程。

采樣率：示波器每秒采樣多少個(gè)點(diǎn)

采樣點(diǎn)等時(shí)間間隔分布，相鄰兩點(diǎn)間隔時(shí)間倒數(shù)就是采樣率。

采樣率以 “點(diǎn) / 秒”（Sa/s）來表示。

采樣實(shí)際上是用點(diǎn)來描繪進(jìn)入示波器的模擬信號(hào)。

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采樣率不足會(huì)怎么樣？

波形失真

波形混淆

波形漏失

存儲(chǔ)深度

指在波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)波形樣本的數(shù)量，單位 pts（points）。存儲(chǔ)深度是示波器對(duì)數(shù)字化波形的最大存儲(chǔ)能力。

250MS/s??? ×???? 10ms? ??? ? =2.5Mpts

2.5GS/s? ? ? ×? ? ?10ms? ? ? ? =25Mpts

采樣率 ? ?????×? ? ? 采樣時(shí)間 ? = 存儲(chǔ)深度

深存儲(chǔ)的優(yōu)點(diǎn)

深存儲(chǔ)可保證在同等時(shí)間下，以更高采樣率采集波形

深存儲(chǔ)可保證在同等采樣率下，采集更長(zhǎng)時(shí)間的波形

深存儲(chǔ)=高采樣

可以捕獲待測(cè)信號(hào)的全貌，保證捕獲信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)度包含完整頻率成分

需要長(zhǎng)存儲(chǔ)的波形類型：

低頻信號(hào)中有高頻噪音

高速信號(hào)中有低頻調(diào)制

信號(hào)的變化過程非常緩慢

需要長(zhǎng)存儲(chǔ)的測(cè)試：

雷達(dá)

無線通信

發(fā)現(xiàn)隨機(jī)或罕見的錯(cuò)誤

數(shù)據(jù)采集

高頻與低頻混合系統(tǒng)

視頻信號(hào)

電源測(cè)試（軟啟動(dòng)測(cè)試、電源紋波、電源噪聲測(cè)試）

存儲(chǔ)深度是波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)波形樣本的數(shù)量，單位 pts（points）

波形存儲(chǔ)時(shí)間（s）＝存儲(chǔ)深度（pts）/ 采樣率（Sa/s）

深存儲(chǔ)可保證在同等時(shí)間下，以更高采樣率采集波形

深存儲(chǔ)可保證在同等采樣率下，采集更長(zhǎng)時(shí)間的波形

深存儲(chǔ)可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響：處理速度、反應(yīng)速度

波形捕獲率

又叫波形刷新率，是指示波器每秒鐘捕獲波形的次數(shù)。單位：wfms/s（波形數(shù) / 秒 ）。

以下借以 Rigol 的 DS4052 這款示波器來說明。

此示波器有 2 路模擬信號(hào)輸入通道，最高實(shí)時(shí)采樣率為 4GSa/s，最大標(biāo)配 140Mpts 的存儲(chǔ)深度，是一款應(yīng)用于研發(fā)和科研實(shí)驗(yàn)的多功能高性能數(shù)字示波器。前面板具有水平方向 14 格的波形顯示區(qū)域，可顯示波形信息、儀器運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)采樣率、存儲(chǔ)深度、水平時(shí)基、水平位移、觸發(fā)位置，觸發(fā)電平、通道開關(guān)信息，垂直檔位、操作菜單和提示信息等。

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模擬輸入通道

前面板的右側(cè)為垂直控制區(qū)域。CH1、CH2 為模擬通道輸入按鍵，當(dāng)示波器探頭連接到哪個(gè)通道，就對(duì)應(yīng)探下通道按鍵，即便激活當(dāng)前通道。下圖中我在 CH1 連接了一根無源探頭，需要按下 CH1 按鍵，隨后即可進(jìn)行探頭校正。

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探頭校準(zhǔn)

將探頭連接到校準(zhǔn)位置

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按【AUTO】鍵，觀察示波器顯示屏上的波形，正常情況下應(yīng)顯示下圖所示的方波；否則，需要執(zhí)行“探頭補(bǔ)償”。?

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用非金屬質(zhì)地的改錐調(diào)整探頭上的低頻補(bǔ)償調(diào)節(jié)孔，直至顯示的波形如上圖“補(bǔ)償正確”所示。?

示波器的探頭除了無源探頭外還有有源探頭，連接時(shí)將探頭前端與有源探頭放大器連接，連接時(shí)請(qǐng)注意正負(fù)極性。將有源探頭放大器的另一端連接到示波器通道輸入或外部觸發(fā)輸入連接器， 并推到緊閉的位置。?

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有源探頭的校準(zhǔn)跟無源探頭不一樣。有源探頭校準(zhǔn)需要用到儀器后面板的【Trig Out/Calibration】外部輸入源功能，連接器輸出的快沿信號(hào)作為探頭校準(zhǔn)信號(hào)。執(zhí)行探頭校準(zhǔn)操作前，先按【Utility】-->【Aux 輸出】選擇【快沿】以配置儀器后面板【Trig Out/Calibration】連接器輸出快沿信號(hào)。

設(shè)置延遲校正?

使用示波器進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，探頭電纜的傳輸延遲可能帶來較大的誤差（零點(diǎn)偏移）。零點(diǎn)偏移定義為波形與觸發(fā)電平線的交點(diǎn)相對(duì)于實(shí)際觸發(fā)位置的偏移量，如下圖所示。?

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按【CH1】延遲校正，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕? 以特定的步進(jìn)值調(diào)整延遲時(shí)間（默認(rèn)為 0.00 s）?？烧{(diào)范圍為 -100 ns 至 100 ns。按下多功能旋鈕可快速將延遲時(shí)間復(fù)位 至 0.00 s。延遲校正時(shí)間的設(shè)置與儀器型號(hào)以及當(dāng)前的水平時(shí)基有關(guān)，水平時(shí)基越大，設(shè)置的步進(jìn)值越大。

通道垂直位移旋鈕【POSITION】

旋轉(zhuǎn)該旋鈕修改相應(yīng)通道的垂直位移。修改過程中，相應(yīng)通道的波形上下移動(dòng)， 同時(shí)在屏幕左下方彈出實(shí)時(shí)的垂直位移信息。按下該旋鈕可快速?gòu)?fù)位垂直位移（歸零）。

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垂直刻度按鍵【SCALE】

通道垂直檔位旋鈕用來修改相應(yīng)通道的垂直檔位。修改過程中，相應(yīng)通道的波形被垂直拉伸或壓縮（實(shí)際幅度保持不變），同時(shí)屏幕下方的垂直檔位信息（如下圖所示）實(shí)時(shí)變化。按下該旋鈕可快速切換垂直檔位調(diào)節(jié)方式為“粗調(diào)”或“微調(diào)” 。?

【MATH】按鍵

按下該鍵打開數(shù)學(xué)運(yùn)算功能菜單?？蓤?zhí)行加、減、乘、除、FFT、數(shù)字 濾波、邏輯運(yùn)算和高級(jí)運(yùn)算。?

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【REF 按鍵】

按下該鍵打開參考波形功能，可將實(shí)測(cè)波形與參考波形進(jìn)行比較，具體操作方式為：首先量測(cè)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形，然后點(diǎn)擊【保存】按鍵，這時(shí)候屏幕上就把當(dāng)前的波形印上去了。?下圖中藍(lán)色波形就是我保存上去的。這個(gè)功能跟 VNA 里面的 memory 是一樣的。

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【MENU】按鍵

按下該鍵打開水平控制菜單。可打開或關(guān)閉延遲掃描、切換水平時(shí)基模式和水平時(shí)基調(diào)節(jié)方式，以及修改水平參考設(shè)置。?

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【SCALE】按鍵

水平時(shí)基旋鈕。旋轉(zhuǎn)該旋鈕修改水平時(shí)基。修改過程中，顯示的波形被水平擴(kuò)展或壓縮，同時(shí)屏幕左上方的水平時(shí)基信息（如下圖所示）實(shí)時(shí)變化。按下該旋鈕可快速打開或關(guān)閉延遲掃描。

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延遲掃描打開時(shí)，旋轉(zhuǎn)該旋鈕可修改延遲掃描時(shí)基。修改過程中，延遲掃描波形 被水平擴(kuò)展或壓縮，同時(shí)屏幕中間的延遲掃描時(shí)基信息（如下圖所示）實(shí)時(shí)變化。

【POSITION】水平位移旋鈕

旋轉(zhuǎn)該旋鈕修改水平位移（即觸發(fā)位移） 。修改過程中觸發(fā)位置和顯示的波形均左右移動(dòng)，同時(shí)屏幕右上方的水平位移信息（如下圖所示）實(shí)時(shí)變化。按下該旋鈕可快速?gòu)?fù)位水平位移（歸零）。?

延遲掃描打開時(shí)，旋轉(zhuǎn)該旋鈕可修改延遲掃描水平位移。修改過程中，延遲掃描觸發(fā)點(diǎn)和波形左右移動(dòng)，同時(shí)屏幕右上方的延遲掃描水平位移信息實(shí)時(shí)變化，如下圖所示。

功能按鍵

【Measure】按下該鍵進(jìn)入測(cè)量設(shè)置菜單?？稍O(shè)置信源、全部測(cè)量、統(tǒng)計(jì)功能、測(cè)量設(shè)置等。?

【Acquire】按下該鍵進(jìn)入采樣設(shè)置菜單?？稍O(shè)置示波器的獲取方式（普通、平均、峰值檢測(cè)和高分辨率）、存儲(chǔ)深度和抗混疊功能。?

【Storage】按下該鍵進(jìn)入文件存儲(chǔ)和調(diào)用界面。同時(shí)支持內(nèi)、外部存儲(chǔ)和磁盤管理。?

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【Cursor】按下該鍵進(jìn)入光標(biāo)測(cè)量菜單。示波器提供手動(dòng)、追蹤、自動(dòng)測(cè)量和 X-Y 四種光標(biāo)模式。注意：僅當(dāng)水平時(shí)基模式為 X-Y 時(shí)，X-Y 光標(biāo)模式可選。?

【Display】按下該鍵進(jìn)入顯示設(shè)置菜單?？稍O(shè)置波形顯示類型、余輝時(shí)間、波形 亮度、屏幕網(wǎng)格、網(wǎng)格亮度和菜單保持時(shí)間。

【Utility】按下該鍵進(jìn)入系統(tǒng)輔助功能設(shè)置菜單?？稍O(shè)置系統(tǒng)相關(guān)功能和參數(shù)，例如接口、聲音和語言等。此外，還支持一些高級(jí)功能，例如通過 / 失敗測(cè)試和打印設(shè)置等。?

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【Record】按下該鍵進(jìn)入波形錄制菜單?？蛇x擇所需的錄制模式并設(shè)置相關(guān)的參數(shù)。?

錄制：按下該鍵開始波形錄制，同時(shí)該鍵紅色背燈開始閃爍。此外，錄制常開模式打開時(shí)，該鍵紅色背燈也持續(xù)閃爍，直至用戶按下【RUN/STOP】鍵停止波形錄制。?

停止：按下該鍵停止正在進(jìn)行的波形錄制或回放，同時(shí)該鍵橙色背燈點(diǎn)亮。此外，波形錄制或回放完成時(shí)，該鍵橙色背燈也點(diǎn)亮。?

回放 / 暫停：在波形錄制停止?fàn)顟B(tài)下或在波形回放停止或暫停狀態(tài)下，按下該鍵開始回放波形，同時(shí)該鍵黃色背燈開始閃爍；再次按下該鍵暫?；胤?，同時(shí)該鍵黃色背燈點(diǎn)亮。?

指定通道耦合

設(shè)置通道的耦合方式可以濾除不需要的信號(hào)。例如，被測(cè)信號(hào)是一個(gè)含有直流偏置的方波信號(hào)。

• 當(dāng)耦合方式為“直流”時(shí)，被測(cè)信號(hào)含有的直流分量和交流分量均可以通過。
• 當(dāng)耦合方式為“交流”時(shí)，被測(cè)信號(hào)含有的直流分量被阻隔。?
• 當(dāng)耦合方式為“接地”時(shí)，被測(cè)信號(hào)含有的直流分量和交流分量均被阻隔。?

FFT?

FFT（快速傅立葉變換）運(yùn)算可將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域分量（頻譜）。使用 FFT 運(yùn)算可以方便的進(jìn)行以下工作：?

• 測(cè)量系統(tǒng)中的諧波分量和失真?
• 測(cè)量直流電源中的噪聲特性?
• 分析振動(dòng)?

按【MATH】操作，旋轉(zhuǎn)多功能旋鈕，選擇【FFT】并按下該旋鈕，切換至“FFT”運(yùn)算。??

下圖是一個(gè)頻率為 1kHz 的 ARB 調(diào)制波的頻域和時(shí)域的波形。

實(shí)際測(cè)試

首先按下屏幕左側(cè)的【MENU】打開頻率測(cè)量項(xiàng)

接著再按一次【MENU】，將菜單切換到水平刻度顯示菜單，調(diào)出峰峰值。

然后我用一臺(tái) Rigol 的 DG4102 任意波形發(fā)生器，通過 BNC 接口將標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)引入示波器。

將任意波形發(fā)生器的信號(hào)源設(shè)置為

頻率：1kHz

幅度：1Vpp

偏移：0Vdc

的一個(gè)正弦波信號(hào)。

將示波器的輸入阻抗設(shè)置為 50 歐姆，探頭比為 1X。

然后將信號(hào)源設(shè)置為偏移量 0.5Vdc

然后按【CH1】按鍵將耦合方式由直流改為交流，因交流耦合模式只允許通過信號(hào)的交流成分，直流分量被阻隔，所以疊加的 0.5Vdc 直流偏移量被隔離。

示波器上顯示的正弦信號(hào)與未加偏移量之前是相同的。

本文參考 Rigol 官方資料，也感謝 Rigol 提供的技術(shù)支持。

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