示波器

示波器是一种捕获输入电压信号并将其转换为正确缩放的电压与时间波形的设备，该波形显示在缩放网格上。示波器有一个触发电路，用于定义何时捕获和显示输入信号，还有一个可变增益前端，允许（垂直电压）信号调整以接受各种输入信号幅度。水平（时基或扫描）调整定义了获取信号的时间段。

许多人都声称自己发明了模拟示波器，但泰克却可以理直气壮地声称自己发明了第一台触发扫描（模拟）示波器，这极大地提高了仪器的实用性和多功能性。

1985 年，Walter LeCroy 及其在 LeCroy Corporation（现为 Teledyne LeCroy）的设计团队发布了第一台数字存储示波器（DSO，现在简称为数字示波器）——型号 9400——它复制并改进了当时使用的模拟示波器的功能和性能。型号 9400 的带宽（125 MHz）相当于模拟示波器（当时）的带宽，可以使用 32,000 个采样点（在当时，这是一个非常长的采集记录长度）连续捕获长时间的信号。可以断言 LeCroy 的 WD2000 波形数字化仪（于 1971 年推出）是第一台数字存储示波器，但记录长度限制为 20 个采样点，并且架构无法轻松扩展到更长的记录长度。在此处阅读完整故事 hhttps://www.teledynelecroy.com/沃尔特·勒克罗伊.

1985 年，Walter LeCroy 及其在 LeCroy Corporation（现为 Teledyne LeCroy）的设计团队发布了第一台数字存储示波器（DSO，现在简称为数字示波器）——型号 9400——它复制并改进了当时使用的模拟示波器的功能和性能。型号 9400 的带宽（125 MHz）相当于模拟示波器（当时），可以使用 32,000 个采样点（在当时，这是一个惊人的长采集记录长度）连续捕获长时间信号。可以断言 LeCroy 的 WD2000 波形数字化仪（于 1971 年推出）是第一台数字存储示波器，但记录长度限制为 20 个采样点，并且架构无法轻松扩展到更长的记录长度。在此处阅读完整故事https://www.teledynelecroy.com/walter-lecroy.

示波器接受电压信号作为输入。必须使用探头或传感器将非电压信号（例如，电流信号、磁场信号）转换为电压信号，并以适当的单位正确缩放。示波器制造商通常提供用于测量电流的探头或传感器，而用于测量其他单位的传感器也随处可见。大多数专业级示波器都支持常见的重新缩放（例如，从伏特到安培）和许多其他单位，但如果这是您要求的重要功能，最好在购买前检查示波器是否支持重新缩放，尤其是当传感器具有非线性输入输出比时。

参考网络研讨会第 7 部分：如何使用示波器进行电流测量？和第 8 部分：如何使用分流电阻在示波器上测量电流？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

这款IEEE 1057 数字化波形记录器标准将数字示波器的模拟带宽指定为幅度响应为参考频率（对于示波器而言为 DC）响应的 -3 dB（相当于 70.7%）的频率。虽然在数字示波器中设置模拟带宽规格似乎令人困惑，但数字示波器在数字化和存储信号的部分之前有许多模拟放大器组件。

捕获和测量信号所需的带宽在很大程度上取决于要测量的信号、要进行的测量类型以及测量所需的精度。大多数工程师使用的粗略经验法则是使用带宽为其想要测量的最高频率信号的三倍的示波器，尽管这对于非常高频的信号来说并不切实际。

请参阅 FAQ（上文）中示波器带宽的定义。大多数示波器会缓慢接近 -3 dB 带宽额定频率，从带宽频率额定值的 50%（左右）开始，幅度会缓慢下降。这意味着，如果示波器幅度响应在额定带宽的 1% 时为 -70 dB，在额定带宽的 2% 时为 -85 dB，那么捕获的纯正弦波的幅度将约为输入正弦波频率接近示波器带宽额定值时的 90%（-1 dB）或 80%（-2 dB）和 70%（-3 dB）。但是，大多数工程师不会用示波器测量纯正弦波。请注意，由于各种原因，最高带宽示波器可能具有更平坦（幅度下降较少）或可调的幅度响应。

更可能的是，工程师正在测量一个类似于方波的信号。在这种情况下，众所周知，方波可以表示为傅里叶级数展开，由基频和奇次谐波之和组成，其中第 N 次谐波在该频率下贡献 1/N 的幅度。这意味着要准确地表示方波，您需要足够的带宽来捕获基频和足够的奇次谐波。多少个奇次谐波是“足够的”（以及需要多少带宽）取决于工程师对示波器上比实际信号慢的上升时间测量的容忍度，以及测量信号上存在的附加过冲和振铃量。如果只捕获第 3 次谐波，上升时间将明显变慢，与捕获第 99 次谐波相比，过冲和振铃将更加明显（在这种情况下，捕获的信号将与原始输入信号无法区分）。

这让我们回到“需要多少带宽？”这个问题最常给出的原始答案——大约是最高频率信号带宽的 3 倍。但“最高频率”是什么意思呢？在这种情况下，大多数工程师都在考虑示波器的上升时间测量能力（与带宽有关）。如果工程师想要测量上升时间为 1 ns 的信号，他们不会选择上升时间为 1 ns 的示波器（这种示波器的带宽通常为 350 MHz）——他们会选择带宽为 3 倍（或 1 GHz）的示波器。

参考网络研讨会第 2 部分：我的示波器需要多少带宽？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

分辨率是模数转换器 (ADC) 量化级别的数量，N 位 ADC 具有 2^N 量化级别。例如，8 位示波器有 2⁸ = 256 个量化级别，而 12-bit 示波器有2¹² = 4096 个量化级别。请注意，ADC 中的位数（量化级别）并不能保证示波器信号路径的其余部分（特别是模拟组件）具有与高分辨率 ADC 相当的噪声性能。因此，宣传的高分辨率示波器的性能可能与传统的 8 位分辨率示波器没有什么不同。参考比较高分辨率示波器设计方法详细了解许多示波器制造商在设计高分辨率示波器时做出的权衡。参考网络研讨会第 1 部分：什么是示波器分辨率？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

高分辨率示波器是指任何宣传为高分辨率的示波器，它使用改进的硬件、软件过滤（降低带宽和采样率）或两者结合，与传统的 8 位示波器相比，可提供更高的分辨率和信噪比。高分辨率的营销宣传并不能保证实际性能。ADC 特有的高分辨率宣传，或仅在降低带宽的情况下才能改善基线噪声或信噪比，都是危险信号，表明所谓的高分辨率在所有正常示波器操作条件下都无法实现。参考比较高分辨率示波器设计方法，了解更多详情。

没有区别——这只是表达同一件事的两种方式，但需要注意的是，Teledyne LeCroy 拥有 High Definition Oscilloscope 名称和缩写 HDO 的注册商标，它是第一家提供 12-bit 高分辨率示波器始终提供 12 位，且不会降低采样率或带宽。

混合信号示波器 (MSO) 通常是指具有模拟和数字（逻辑）输入通道的示波器。常见配置是 4 个模拟输入通道加上 16 个数字逻辑输入通道。数字逻辑输入通道可以将较稀缺（且较昂贵）的模拟输入通道保留用于需要其功能的信号，而数字逻辑输入通道可用于简单的切换或逻辑信号，或低速串行数据（例如 I2C、SPI、UART 等）信号。

混合域示波器 (MDO) 是一个营销术语，指的是提供某种射频 (RF) 输入或转换以捕获时域和频域信号的示波器。如果提供专用的 RF 输入，其功能可以与频谱分析仪类似。可以使用软件快速傅立叶变换 (FFT) 技术提供类似的功能，而无需专用（且昂贵的）RF 输入。

示波器的幅度精度由许多不同的组件组成，并将根据示波器的分辨率、输入路径、输入频率内容、是否使用探头等而变化。幅度精度范围可以从优于 1%（对于 12-bit 对于使用有线信号输入的高清示波器 (HDO®)，对于使用有源探头（通过 5 Ω 终端连接到示波器）的 8 位示波器，精度可达 50%（或更高）。虽然这些精度与数字电压表 (DVM) 相比似乎较低，但示波器提供的功能远多于 DVM。

型号参考第 1 部分：示波器分辨率、准确度和灵敏度之间有什么区别？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

灵敏度是示波器中可以观察到的最小信号变化。与灵敏度较低的示波器相比，灵敏度较高的示波器可用于观察较小的信号。示波器上的灵敏度调整是使用垂直增益设置（伏/分度）进行的。请注意，高灵敏度并不一定与高精度相关，并且表示高灵敏度的模拟垂直增益设置（例如 1 或 2 mV/分度）的实用性可能会受到示波器中的 ADC 分辨率或噪声的限制。参考第 1 部分：示波器分辨率、准确度和灵敏度之间有什么区别？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

从历史上看，工程师会认为上升时间与带宽有关，公式为 TR(s) = 0.35/带宽 (Hz)，其中 TR 为 10-90% 的上升时间（IEEE 定义）。在示波器带宽非常低（1 GHz 或更低）且幅度下降非常缓慢的时代，此公式（大部分）是正确的。对于较低带宽的示波器，此公式仍然适用。

当今带宽更高的示波器（或具有更复杂、噪声更低的信号路径的示波器）可能遵循 TR(s) = 0.35/带宽 (Hz) 公式（适用于产品线较低（带宽）端的型号），但遵循 TR(s) = 0.4/带宽 (Hz) 或可能接近 TR(s) = 0.45/带宽 (Hz)（在某些情况下更高）适用于最大带宽型号。较低带宽型号中分子较低的原因是，与最高带宽型号相比，它们可能使用具有更多高频余量的模拟信号路径，以实现更慢的幅度下降。在产品系列中带宽最高的示波器型号上，模拟信号路径可能已达到幅度响应的硬上限，并且幅度响应会迅速下降，超过该上限，由于超出示波器的带宽额定值，高频响应高度衰减，导致上升时间更慢（分子更高）。

参考网络研讨会第 3 部分：上升时间与示波器带宽有何关系？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

数字示波器通过模拟数字转换器 (ADC) 将信号数字化，ADC 会采样并保持电压值以创建离散采样点。采样点以给定频率（时间间隔）记录，采样率称为“样本/秒”。

参考网络研讨会第 4 部分：示波器采样率是多少以及我需要多少？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

根据奈奎斯特定理，所需的最小采样率是您希望测量的频率的两倍。在数字示波器中，这通常被解释为采样率，并且必须至少为示波器带宽额定值的两倍。但是，示波器通常不会在带宽额定值之外出现砖墙式幅度响应，并且它会传递一些超出带宽额定值的高频内容。因此，大多数示波器提供的最小采样率与带宽比为 2.5。这可以被视为从数字采样点重建正弦波的最小值。

为了从数字采样点准确重建更复杂的信号形状，工程师通常需要在上升沿上采样 5 个或最多 10 个采样点。如果工程师遵循选择示波器速度比他们想要测量的信号快三倍的常见经验法则（参考网络研讨会第 2 部分：我的示波器需要多少带宽？在 2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中了解其他详细信息，或类似标题的常见问题解答），那么上升沿上的 5 到 10 个采样点就很容易容纳了。

参考网络研讨会第 4 部分：示波器采样率是多少以及我需要多少？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

采集存储器用于存储数字示波器采样点，以便调用到显示器或进行进一步处理以进行测量、执行数学计算等。

示波器采集存储器存储数字化信号的示波器采样点，而为示波器功能供电的中央处理单元 (CPU) 拥有自己的随机存取存储器 (RAM) 来满足 CPU 的需求。

内存深度只是描述采集内存总长度的另一种方式，无论是以点（例如千点 (kpts)、兆点 (Mpts单位为单位，如：千兆点（Gpts）、兆样本（MS）等。

更多的样本（或点）提供了在需要降低采样率之前捕获非常长的连续时间间隔的能力。工程师需要多少个样本取决于工程师希望捕获的信号带宽、工程师希望捕获这些信号的时间分辨率以及工程师希望获取的连续时间量。

如果示波器的采样率为 10 GS/s，采集内存为 1 GS（或 Gpts），则它可以采集 100 毫秒的时间（1 GS / 10 GS/s = 0.1 秒，或 100 毫秒）。如果希望使用 200 GS 采集内存捕获 1 毫秒，则采样率必须降低到 5 GS/s，这可能是（也可能不是）可接受的。

示波器基线噪声是没有信号连接到示波器输入通道时测得的 AC RMS 值。当示波器输入端没有信号时，简单的基线噪声测试将提供噪声性能的一般指示。虽然此测试简单易行，但它并不是最真实的示波器性能测试，因为大多数示波器都是在连接输入信号的情况下使用的。尽管如此，噪声不会在添加输入信号时降低，因为增加的信号幅度只会在以后的测量中增加噪声。因此，基线噪声可以成为粗略评估整体性能的有用测试。

请注意，在 Teledyne LeCroy 示波器中，SDEV 测量值等于 AC RMS。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关示波器中各种类型噪声的更多详细信息。

信噪比是满量程范围除以基线噪声的比率计算得出的，以伏特为单位，按照以下公式表示：

信噪比（dB）= 20*log10（（V_全尺寸/(2*√2))/V_{交流有效值}))

带V_全尺寸为示波器上的满量程电压（等于垂直格数 * V/div 增益设置）和 V_{交流有效值}是给定 V/div 增益设置下基线信号的 AC RMS 值。

请注意，某些示波器（例如 Keysight、Teledyne LeCroy）的满量程有 8 个垂直分度，而其他示波器（例如 Tektronix）的满量程有 10 个垂直分度。

请注意，Teledyne LeCroy 的 AC RMS 测量名为 SDEV，而其他示波器通常具有可选择为 AC 或 DC 读数的 RMS 测量。请务必使用 AC RMS 值，否则 SNR 计算将错误地包含示波器通道中任何小 DC 偏移误差的影响。

信噪比(dB) = 20*log10( (V/div*8/(2*sqrt(2)))/noise_in_rms)

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关示波器中各种类型噪声的更多详细信息。

根据 IEEE Std. 1057 IEEE 数字化波形记录器标准，SINAD 是均方根 (rms) 信号与均方根 (基线) 噪声和失真之比。SINAD 是使用正弦波输入在特定频率和幅度下测量的，测量时的幅度会影响失真，应指定（通常为满量程幅度的 90%）。SINAD 是示波器在实际操作中性能的更完整测量。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关示波器中各种类型噪声的更多详细信息。

降低示波器测量信号噪声的最佳方法是使用低噪声、高分辨率示波器，该示波器可在全带宽下提供 12 位分辨率。但任何示波器都可以使用模拟硬件或数字软件滤波器来降低噪声，前提是降低带宽以换取降低噪声的权衡是可以接受的。

硬件滤波器通常在通道菜单中显示为 20 MHz 或 200 MHz（或类似）带宽限制。这些滤波器的衰减速度往往非常慢，因此其降噪能力可能低于数字软件滤波器。

数字软件滤波器可能是数学函数，可能是高分辨率模式，也可能是通道菜单中的软件滤波器选项（例如，Teledyne LeCroy 的增强分辨率 (ERes) 选项）。从数学上讲，采样率（和带宽）每减半，噪声就会降低 3 dB（~30%，或 0.5 个有效位）。有时，数字软件滤波器会在数学滤波操作后插入采样点，但硬件采样率仍然会降低。

应对高分辨率模式保持警惕，因为它承诺的性能比数学上可能的更好，或者是在 8 位分辨率示波器中实现高分辨率（和更低噪音）的唯一手段。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法了解有关降低示波器噪声的权衡取舍的更多详细信息。参考网络研讨会第 6 部分：如何降低示波器测量的信号噪声？2023 年示波器咖啡休息网络研讨会系列中的其他详细信息。

示波器 ENOB 是通过测量示波器 SINAD 得出的，如下所示：

示波器 ENOB= (SINAD-1.76)/6.02

如果前端放大器不是示波器系统中的主要噪声源，则系统 ENOB 将接近 ADC 的 ENOB。重要的是要了解 ADC ENOB 是系统性能的上限，但系统性能才是需要了解的关键性能。实际上，示波器（系统）ENOB 始终小于 ADC ENOB。

如果施加的输入信号不是 100% 满量程幅度，则 ENOB 可由下式得出：

示波器 ENOB= (SINAD-1.76+20 log((满量程幅度)/(输入幅度)))/6.02

从该公式可以推断出每有效位 6 dB SINAD 的“经验法则”。因此，半个有效位的改进相当于噪声降低 3 dB (30%)，而一个完整有效位的改进相当于噪声降低 6 dB (50%)。ENOB 的微小差异对垂直（电压幅度）噪声而言意义重大。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关各种类型噪声的更多详细信息，以及为什么在数字化仪或示波器中部署时 ADC 额定位数无法完全达到。

型号参考第 2 部分：什么是示波器 ADC 有效位和 ENOB？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

ADC ENOB 是示波器 ENOB 的上限，但示波器 ENOB 是需要了解的关键性能。实际上，示波器 ENOB 始终小于 ADC ENOB。如果示波器对其 ADC 的 ENOB 性能做出具体声明，则可能是整个示波器 ENOB 性能要低得多的危险信号。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关各种类型噪声的更多详细信息，以及为什么在数字化仪或示波器中部署时 ADC 额定位数无法完全达到。

型号参考第 2 部分：什么是示波器 ADC 有效位和 ENOB？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

奈奎斯特定理指出，只要以正弦波频率的两倍（或更多）进行数字采样，就可以重建正弦波而不会丢失信息。通常，这意味着数字示波器中的最小采样率为所有通道带宽的 2.5 倍。2.5:1 采样率与带宽 (SR/BW) 是使用的比率（而不是最小值 2），以考虑到示波器在额定带宽下不会有完美的砖墙滤波器。小于 2:1 的 SR/BW 比率将导致数字采样输入信号混叠的风险。

如果不符合奈奎斯特采样率要求，则认为信号采样不足，无法在不丢失信息的情况下重建信号。相反，信号重建仍会发生，但重建不正确，称为混叠。

型号参考第 3 部分：什么是示波器混叠？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

无杂散动态范围 (SFDR) 是示波器基本输入信号的均方根 (RMS) 幅度与示波器输出中第二大杂散信号的 RMS 幅度之比（通常以 dB 表示）。SFDR 通常在示波器中使用 FFT 或频谱分析仪之类的幅度与频率示波器显示来测量。杂散信号可能是由失真或其他噪声成分引起的，也可能是与核心模数转换器 (ADC) 采样频率一致的频率。

SFDR 是工程师在示波器上执行的最容易被误解的质量检查之一。任何 ADC 都会在采样频率下显示杂散，这些杂散通常幅度很低（与输入基波相比）且频带很窄，因此 SFDR 比率远高于（而不是更差）给定输入频率的基线噪声信噪比或信噪比加失真 (SINAD) 比。有时示波器可能会在特定频率下显示严重的失真分量，这很容易通过 SFDR 测试发现，但这种情况并不常见。

型号参考比较高分辨率示波器设计方法有关示波器中的 SFDR 的更多详细信息。

型号参考第 4 部分：什么是示波器无杂散动态范围 (SFDR)？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

采样示波器实际上被称为等效时间采样示波器，它每次触发提供一次采样，每次触发后添加一个短暂的时间延迟，以便从多个触发事件中重建重复波形。测量带宽仅受采样器频率响应的限制，采样器的频率响应可以非常高，但成本却非常低。限制在于采样示波器无法捕获连续波形。

采样示波器只能采集重复信号，而实时示波器可以在一次连续的采样记录中采集连续时间波形。

型号参考第六部分：实时示波器和采样示波器有什么区别？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

数字荧光示波器 (DPO) 是泰克公司的营销术语，用于描述他们的示波器，该示波器采用快速波形显示架构（最近以 DPX 技术销售）来模仿模拟示波器上使用的荧光束 CRT 显示器的显示外观。

其他一些示波器制造商也具有类似的功能。它们都以牺牲数据存储为代价来优化显示更新（刷新），因此如果在快速更新显示期间看到异常，则无法保存或检索以进行进一步检查。此外，它们仍然基于数字捕获技术，因此有大量的死区时间，在此期间它们不会捕获（或显示）波形（或异常）。具有快速更新功能的示波器通常仅适用于非常短的重复信号采集，更新率会在较长（且更有用）的时间段内降低，并且它们对于一次查看多个信号不是很有用。本质上，该功能是在模拟示波器过渡到数字示波器时构思出来的，对于大多数客户来说，该功能不再有太多实际用途。

型号参考第 9 部分：什么是数字荧光示波器？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

对于习惯使用模拟示波器的人来说，快速更新率显示可能会提供可用性和舒适性（尽管这些工程师中的大多数早已退休）。对于正在查看持续时间非常短且有许多明显异常的重复信号的工程师来说，它们可能也很有用。捕获较长的非重复时间间隔的工程师可能会发现快速更新率是一个有趣的功能，但在实际调试中用处不大。

眼图和眼图模式是一种显示工具，用于评估数字信号的信号质量，方法是将每个位的数字电平（以及每个位之前或之后的任何转换）叠加在一起，以快速直观地评估数字信号的质量。理想情况下，眼图/模式在中间非常开阔，顶部（数字 1 电平）、底部（数字 0 电平）和转换（数字电平转换的上升沿和下降沿）清晰。多电平信号（例如 PAM-3 或 PAM-4）也可以显示为眼图。

眼图和眼图模式是描述同一事物的两种方式。

型号参考第 11 部分：什么是示波器眼图？有关更多详细信息，请参阅 2024 年示波器咖啡休息网络研讨会系列。

使用数字示波器显示眼图有两种基本方法。

第一种方法是最基本的，但限制也最多。边沿触发用于在数字信号上升沿或下降沿的 50% 电平上触发，示波器的时基设置为比单个位周期稍长，示波器触发点设置为距示波器网格左边缘约四分之一。显示余辉用于捕获单个位周期的多个短采集，并将触发信号叠加以供目视观察。这种方法很直观，但不提供连续信号的眼图，不允许任何类型的后处理来确定任何眼图异常的原因，并且会受到示波器增加的触发抖动的影响。这是一种快速检查数字信号是否具有良好质量的好方法。

第二种方法更为可靠，应用更为广泛，尤其是对于高速串行数据信号。对数字信号进行长时间连续采集，然后以数学方式提取时钟，使用提取的时钟时间周期以数学方式将连续采集“分割”为位周期，然后叠加以形成眼图。由于数据是连续的，因此还可以执行额外的数学处理，以模拟时钟电路中锁相环 (PLL) 的使用、计算抖动、测量眼图开度的各个方面（幅度、宽度等），并调试任何存在的异常。

采样示波器（在之前的 FAQ 中描述）通过使用硬件时钟恢复电路来创建眼图，该电路与采样模块配合使用以创建眼图。这在今天通常被认为是一种过时的方法，除非可以使用非连续（非实时）数据采集完全分析和评估高速串行数据信号，否则不会广泛使用。在这种情况下，这种方法完全令人满意，并且对于提供的示波器带宽而言成本非常低。但是，当信号具有不同的比特率或 PLL 要求时，它确实需要不同的硬件。