数字示波器原理（数字示波器原理实验报告）

示波器原理及使用

原理

示波器

动态显示随时间变化的电压信号思路是将电压加在电极板上，极板间形成相应的变化电场，使进入这变化电场的电子运动情况相应地随时间变化，最后把电子运动的轨迹用

荧光屏

显示出来。示波器主要由

示波管

（见图1））和复杂的

电子线路

构成。示波器的基本结构见图2。

图1

示波管示意图

图2

示波器的基本结构

简图

1.偏转电场控制

电子束

在视屏上的轨迹

偏转电压U与偏转位移Y（或X）成正比关系。如图3所示：

。

图3偏转电压U与偏转位移Y

如果只在竖直偏转板（Y轴）上加一正弦电压，则电子只在竖直方向随

电压变化

而往复运动，见图4。要能够显示波形，必须在水平偏转板（X轴）上加一扫描电压，见图5。

图4

信号随时间变化的规律

（加在Y偏转板）

图5

锯齿波

电压（加在X偏转板）

示波器显示波形实质：见图6，沿Y轴方向的

简谐运动

与沿X轴方向的

匀速运动

合成的一种合运动。显示稳定波形的条件：扫描电压周期应为被测信号周期的整数倍，即Tx=nTy

（

n=1，2，3…）（见图7）

2.同步扫描（其目的是保证扫描周期是信号周期的整数倍）

若没有“扫描”（横向的扫描电压），被测信号随时间规律变化规律就显示不出来；如果没有“整步”，就得不到稳定的波形图像。

为了达到“整步”目的，示波器采用三种方式：“内整步”：将待测信号一部分加到扫描

图6

示波器显示波形原理图（Tx=Ty）

图7

Tx=2Ty时合成的图形

发生器，当待测

信号频率

fy有微小变化，它将迫使

扫描频率

fx追踪其变化，保证波形的完整稳定；“外整步”：从外部电路中取出信号加到扫描发生器，迫使扫描频率fx变化，保证波形的完整稳定；“电源整步”：整步信号从

电源变压器

获得。一般在观察信号时，都采用“内整步”（或称为“内触发”）。

注：若为同步显示的波形出现走动状态，此时应调节：扫描步长，整步方式（一定打在“内”），“电平”位置。

3.

利萨如图形

利萨如图形形成实质：沿Y轴方向的简谐运动与沿X轴方向的

简谐振动

合成的一种合运动。

利用利萨如图形测定未知信号的频率

公式：

式中的

、

分别为利萨如图形于X、Y轴的切点数。

4.测正弦波的峰－峰值Vp-p、周期T

用示波器观察正弦波波形，若该信号输入通道的

标度因子

为V0，单位为伏/厘米（V/cm）,被测正弦波的正、负峰之间的距离在荧光屏上所占的高度为H厘米，则

若正弦波此时的时间扫描轴的单位是t/cm，一个周期的正弦波形在荧光屏上

横轴

所占长度为Lcm，则

示波器原理与使用

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器，它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像。 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。在被测信号的作用下，电子束在屏面上描绘出被测信号的瞬时值的变化曲线。

基本作用

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

基本原理

波形显示

由示波管的原理可知，一个直流电压加到一对偏转板上时，将使光点在荧光屏上产生一个固定位移，该位移的大小与所加直流电压成正比。如果分别将两个直流电压同时加到垂直和水平两对偏转板上，则荧光屏上的光点位置就由两个方向的位移所共同决定。

如果将一个正弦交流电压加到一对偏转板上时，光点在荧光屏上将随电压的变化而移动。当垂直偏转板上加一个正弦交流电压时，在时间t=0的瞬间，电压为Vo（零值），荧光屏上的光点位置在坐标原点0上，在时间t=1的瞬间，电压为V1（正值），荧光屏上光点在坐标原点0点上方的1上，位移的大小正比于电压V1；在时间t=2的瞬间，电压为V2（最大正值），荧光屏上的光点在坐标原点0点上方的2点上，位移的距离正比于电压V2；以此类推，在时间t=3，t=4，…，t=8的各个瞬间，荧光屏上光点位置分别为3、4、…、8点。在交流电压的第二个周期、第三个周期……都将重复第一个周期的情况。如果此时加在垂直偏转板上的正弦交流电压之频率很低，仅为lHz～2Hz，那么，在荧光屏上便会看见一个上下移动着的光点。这光点距离坐标原点的瞬时偏转值将与加在垂直偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在垂直偏转板上的交流电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，在荧光屏上看到的就不是一个上下移动的点，而是一根垂直的亮线了。该亮线的长短在示波器的垂直放大增益一定的情况下决定于正弦交流电压峰一峰值的大小。如果在水平偏转板上加一个正弦交流电压，则会产生相类似的情况，只是光点在水平轴上移动罢了。

如果将一随时间线性变化的电压（如锯齿波电压）加到一对偏转板上，则光点在荧光屏上又会怎样移动呢？当水平偏转板上有锯齿波电压时，在时间t=0瞬间，电压为Vo（最大负值），荧光屏上光点在坐标原点左侧的起始位置（零点上），位移的距离正比于电压Vo；在时间t=1的瞬间，电压为V1（负值），荧光屏上光点在坐标原点左方的1点上，位移的距离正比于电压V1；以此类推，在时间t=2，t=3，...,t=8的各个瞬间，荧光屏上光点的对应位置是2、3、…、8各点。在t=8这个瞬间，锯齿波电压由最大正值V8跃变到最大负值Vo，则荧光屏上光点从8点极其迅速地向左移到起始位置零点。如果锯齿波电压是周期性的，则在锯齿波电压的第二个周期、第三个周期、……都将重复第一个周期的情形。如果此时加在水平偏转板上的锯齿波电压频率很低，仅为1Hz ～2Hz，在荧光屏上便会看见光点自左边起始位置零点向右边8点处匀速地移动，随后光点又从右边8点处极其迅速地移动到左边起始位置零点。上述这个过程称为扫描。在水平轴加有周期性锯齿波电压时，扫描将周而复始地进行下去。光点距离起始位置零点的瞬时值，将与加在偏转板上的电压瞬时值成正比。如果加在偏转板上的锯齿波电压频率在10Hz～20Hz以上，则由于荧光屏的余辉现象和人眼的视觉暂留现象，就看到一根水平亮线，该水平亮线的长度，在示波器水平放大增益一定的情况下决定于锯齿波电压值，锯齿波电压值是与时间变化成正比的，而荧光屏上光点的位移又是与电压值成正比的，因此荧光屏上的水平亮线可以代表时间轴。在此亮线上的任何相等的线段都代表相等的一段时间。

如果将被测信号电压加到垂直偏转板上，锯齿波扫描电压加到水平偏转板上，而且被测信号电压的频率等于锯齿波扫描电压的频率，则荧光屏上将显示出一个周期的被测信号电压随时间变化的波形曲线（如图5-6所示）。由图5-6所示可见，在时间t=0的瞬间，信号电压为Vo（零值），锯齿波电压为V0′（负值），荧光屏上光点在坐标原点左面，位移的距离正比于电压V0′；在时间t=1的瞬间，交流电压为V1（正值），锯齿波电压为V1′（负值），荧光屏上光点在坐标的第Ⅱ象限中。同理，在时间t=2，t=3，…，t=8的瞬间，荧光屏上光点分别位于2，3，…，8点。在t=8瞬间，锯齿波电压由最大正值V8′跳变到最大负V0′，因而荧光屏上的光点也从8点极其迅速地向左移到起始位置0点。以后，在被测周期信号的第二个周期、第三个周期……都重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也都重叠在第一次描出的轨迹上。所以，荧光屏上显示出来的被测信号电压是随时间变化的稳定波形曲线。

由上述可见，为使荧光屏上的图形稳定，被测信号电压的频率应与锯齿波电压的频率保持整数比的关

SHS1000

系，即同步关系。为了实现这一点，就要求锯齿波电压的频率连续可调，以便适应观察各种不同频率的周期信号。其次，由于被测信号频率和锯齿波振荡信号频率的相对不稳定性，即使把锯齿波电压的频率临时调到与被测信号频率成整倍数关系，也不能使图形一直保持稳定。因此，示波器中都设有同步装置。也就是在锯齿波电路的某部分加上一个同步信号来促使扫描的同步，对于只能产生连续扫描（即产生周而复始连续不断的锯齿波）一种状态的简易示波器（如国产SB-10型示波器等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被观察信号频率相关的同步信号，当所加同步信号的频率接近锯齿波频率的自主振荡频率（或接近其整数倍）时，就可以把锯齿波频率“拖入同步”或“锁住”。对于具有等待扫描（即平时不产生锯齿波，当被测信号来到时才产生一个锯齿波进行一次扫描）功能的示波器（如国产ST-16型示波器、SBT-5型同步示波器、SR-8型双踪示波器等等）而言，需要在其扫描电路上输入一个与被测信号相关的触发信号，使扫描过程与被测信号密切配合。这样，只要按照需要来选择适当的同步信号或触发信号，便可使任何欲研究的过程与锯齿波扫描频率保持同步。

双线示波

在电子实践技术过程中，常常需要同时观察两种（或两种以上）信号随时间变化的过程。并对这些不同信号进行电量的测试和比较。为了达到这个目的，人们在应用普通示波器原理的基础上，采用了以下两种同时显示多个波形的方法：一种是双线（或多线）示波法；另一种是双踪（或多踪）示波法。应用这两种方法制造出来的示波器分别称为双线（或多线）示波器和双踪（或多踪）示波器。

双线（或多线）示波器是采用双枪（或多枪）示波管来实现的。下面以双枪示波管为例加以简单说明。双枪示波管有两个互相独立的电子枪产生两束电子。另有两组互相独立的偏转系统，它们各自控制一束电子作上下、左右的运动。荧光屏是共用的，因而屏上可以同时显示出两种不同的电信号波形，双线示波也可以采用单枪双线示波管来实现。这种示波管只有一个电子枪，在工作时是依靠特殊的电极把电子分成两束。然后，由管内的两组互相独立的偏转系统，分别控制两束电子上下、左右运动。荧光屏是共用的，能同时显示出两种不同的电信号波形。由于双线示波管的制造工艺要求高，成本也高，所以应用并不十分普遍。

双踪示波

双踪（或多踪）示波是在单线示波器的基础上，增设一个专用电子开关，用它来实现两种（或多种）波形的分别显示。由于实现双踪（或多踪）示波比实现双线（或多线）示波来得简单，不需要使用结构复杂、价格昂贵的“双腔”或“多腔”示波管，所以双踪（或多踪）示波获得了普遍的应用。

示波器的原理是什么

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。

示波器分为数字示波器和模拟示波器。模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。

而数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。

示波器工作原理是：利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。

大学物理实验报告示波器的原理和使用

1、原理：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。

2、使用：示波器可以测量各种波形的电压幅度，既可以测量直流电压和正弦电压，又可以测量脉冲或非正弦电压的幅度。更有用的是它可以测量一个脉冲电压波形各部分的电压幅值，如上冲量或顶部下降量等。这是其他任何电压测量仪器都不能比拟的。

1、原理：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）。在被测打在涂有荧光材料的屏幕上，可以产生小光斑（这是传统模拟示波器的工作原理）。

在被测信号的作用下，电子束就像笔尖，可以在屏幕上绘制被测信号瞬时值的曲线。示波器可以观察各种信号振幅随时间变化的波形曲线，也可以测试各种电量，如电压、电流、频率、相位差、调幅等。

2、使用：示波器可以测量各种波形的电压幅度，既可以测量直流电压和正弦电压，更有用的是它可以测量脉冲电压波形的各个部分的电压幅值，如脉冲或顶部压降。这是任何其他电压测量仪器都无法比拟的。

扩展资料：

示波器的优势：

1、体积小、重量轻，便于携带，液晶显示器。

2、可以长期贮存波形，并可以对存储的波形进行放大等多种操作和分析。

3、特别适合测量单次和低频信号，测量低频信号时没有模拟示波器的闪烁现象。

4、更多的触发方式，除了模拟示波器不具备的预触发，还有逻辑触发、脉冲宽度触发等。

参考资料来源：百度百科-示波器

参考资料来源：百度百科-数字示波器

数字示波器原理

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

有关采样速率

采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。

1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象

如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：

?调整扫速；

?采用自动设置（Autoset）；

?试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。

?如果示波器有Insta Vu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。

2.采样速率与t/div的关系

每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：

fs=N/(t/div) N为每格采样点

当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：

表1扫速与采样速率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25

综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中，上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数据：

表2扫速与上升时间

t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216

由上面这组数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。

摘自《国外电子测量技术》2001.1

示波器的工作原理

示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。俗话说，电是看不见摸不着的。但是示波器可以帮我们“看见”电信号，便于人们研究各种电现象的变化过程。所以示波器的核心功能，就和他的名字一样，是显示电信号波形的仪器，以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。

而波形，也有多种定义，比如时域或者频域的波形，对于示波器而言，大多数时候测量的是电压随时间的变化，也就是时域的波形。因此，示波器可以分析被测点电压变化情况，从而被广泛的应用于各个电子行业及领域中。

一般我们业内对示波器的分类只按模拟示波器和数字示波器来分，有些厂家可能为了突出其示波器的某项功能给其命名为其他名字，比如数字荧光示波器等。但其本质原理依然逃不出这2大示波器类别。

模拟示波器是属于早期的示波器，主要基于阴极射线管（也叫显像管，曾广泛应用于早期的电视机、显示器）打出的电子束通过水平偏转和垂直偏转系统，打在屏幕的荧光物质上显示波形。

然而到了现在，模拟示波器所剩下的优点，似乎就只有价格了。它没有存储数据和分析波形能力，触发功能也有限，捕获单次和偶发信号的能力也不行，而且由于其内部采用了大量模拟器件，随着时间温度变化这些器件也会发生变化，因此性能也不稳定。现代电子测量中几乎已经淘汰了模拟示波器，因此我们今天主要讲的也是数字示波器。

早期的数字示波器，由于显示技术制约，使用的依然是模拟示波器上的CRT（Cathode Ray Tube，阴极射线管）显示屏。数字示波器区别于模拟示波器的最大不同，主要在于输入的信号不再直接打到显示屏上，而是通过ADC（Analog to Digital Converter，模数转换器）对信号采样和数字化处理后存入高速缓存里，再通过信号处理电路将数据读出来。

由于早期的数字示波器用CRT显示，因此还需要通过DAC数模转换器把数字量转换成模拟量显示到CRT显示屏上。现代化的数字示波器，也已经大多不再使用CRT显示屏，而是采用液晶显示屏，不但体积减少很多，有些还提供了更加操作便捷的触控功能，而且也不再需要把数字化的采样点转换成模拟信号了。由于这两者在功能结构上没有本质区别，所以业界一般也没有CRT示波器和LCD示波器的叫法。

数字示波器很多时候都被叫做数字存储示波器，因为数字示波器中重要的一环，就是把ADC采集的数据存储起来。现代数字示波器采集数据的主要过程我们通过这块麦科信STO1104C智能示波器的主板进行直观了解：

①信号通过探头衰减成合适比例送入示波器前端。示波器能测多大电压一般取决于探头，探头通过衰减可以把上万伏的电压信号变成几十伏。

②信号通过耦合电路到达前端衰减器和放大器，示波器软件上表现为调节垂直档位，使得波形尽量占满整个屏幕，从而提高垂直精度，使测量更准确。前端部分很大程度上决定了示波器的第一指标：带宽。

③ARM处理器控制FPGA调节ADC模数转换器采样率，示波器软件上表现为调节时基，由于存储深度为固定值，采样率 = 存储深度 ÷ 波形记录时长，通常时基设置的改变是通过改变采样率来实现的。因此厂家标注的采样率往往是在特定时基设置之下才有效的，在大时基下受存储深度的影响，采样率不得不降低。ADC模数转换器和RAM高速存储器影响着示波器的另外两大指标：采样率和存储深度。

④接下去，由FPGA驱动ADC同步采样，ADC将采集到的数据进行二进制数据化并写入高速缓存。存储器缓存即存储深度，一般存储器的大小是示波器标识存储深度大小的四倍，因为FPGA无法控制示波器的触发，因此采集的信号必定先是标识存储深度的2倍，然后再来根据触发筛选其中的一段波形，所以示波器可以看到触发位置之前的波形。又由于示波器在筛选之前采集的波形的时候，采集不能停，否则就会导致波形捕获率太低，因此同时还需要继续采集同样长度的采样点，如此反复，这样一来就是四倍了。

⑤收到触发指令后，存储器再把数据交给ARM处理器处理

⑥ARM处理器将数据处理后通过显示接口将数据输出至显示屏展示给使用者。通过计算，示波器还能模仿出类似模拟示波器的多级辉度显示，以及数字示波器特有的色温显示效果，余晖显示效果。

⑦示波器处理完数据后，可以把当前的波形图像或者是数据保存到存储器中，要注意这里的存储完全不同于存储深度的高速存缓，大多数示波器采用外部存储器如U盘，SD卡，电脑等，现在一些现代化的示波器会内置大存储可以直接保存在示波器里。

这个过程中，②③④都是并行处理的。

由于数字示波器处理速度的制约，所以它并不能保证被测信号的波形能连续不断地实时显示在屏幕上，显示的两个波形之间会有波形数据丢失，也即所说的死区时间，这也是数字示波器相比较于模拟示波器的最大缺点了。不过，随着示波器运算能力的增强，波形捕获率的不断上升，这一缺点也在被慢慢弥补。