1．1 示波器的分类

  示波器分为模拟示波器和数字示波器。数字示波器又分为实时示波器和采样示波器，其中最常使用的是实时示波器。本书如没有特别说明，文中提到的示波器即表示实时示波器。记得《大学物理》实验课里都有示波器的实验，当时摆弄起来糊里糊涂的，就很惊奇地看到有波形在屏幕上闪啊闪，但经常是难以稳定下来。那时候的高校学生实验用的都还是模拟示波器，而现在高校大都用数字示波器作为实验教学使用了。

模拟示波器的历史可以追溯到100多年前，一个名叫卡尔·费丁南德·布劳恩的大学教授发明了世界上第一个阴极射线管模拟示波器，他的发明不但催生了电视机工业，也成就了电子测量基础仪器中最重要的仪器：示波器。从市场销售额来看,示波器是排名第一的电子测量仪器。但是直到1984年，数字示波器才真正诞生并实现商业化。目前示波器市场上排名前三家公司差不多都是这一年开始搞数字示波器的。而真正首创数字实时示波器的公司是Nicolet，时间早到1972年，只是那时候没有商业化。  读者可能感到意外的是，采样示波器比实时示波器更早诞生，在六十年代就已经有带宽6GHz的采样示波器了，六年前采样示波器的带宽就达到了100GHz，而那时的实时示波器带宽才18GHz。

这些不同类型示波器在原理上有什么区别呢?

 1.1.1  模拟示波器和数字示波器

 模拟示波器和数字示波器的区别就在于“模拟”和“数字”的区别，这种区别的本质就象传统的模拟电视机和现代的数字电视机的区别，传统的大哥大手机和现代手机的区别，传统的照相机和现代的数码相机的区别。模拟信号给大家的感觉是真实的信号，而数字信号是经过了数字离散化的过程，可能令人直觉上怀疑有“失真”，但是最终呈现的产品的效果是数字信号处理后的图像更清晰，语音更清晰。模拟和数字各有优缺点，模拟示波器和数字示波器也各有优缺点，该选择哪种示波器，取决于大家的应用，但是模拟示波器的一些优点随着数字示波器的技术进步和大规模普及而逐渐消失，模拟示波器正走向销声匿迹。

模拟示波器的工作原理

可以发出电子束的“电子枪”连续发出集束性很强的电子轰击内壁涂有荧光粉的屏幕上就会发出光亮，但是这光亮如何才能变化起来？ 变化之后形成的轨迹是如何反应被测信号的电压呢?  变化的轨迹又是如何控制的？  让我们回顾一个沙漏实验。 假设用手拉着一端连着沙漏的绳子，绳子另外一端垂直向下来回摆动，在沙漏的下方放一张白纸均匀地朝一个方向移动，那么沙漏流下的细沙会在白纸上形成一个正弦波痕迹。这个思想用在心电图，波形记录仪上，也可以用在模拟示波器上，但在模拟示波器上不需要消耗纸张,因为荧光屏可以重复使用。

电子束在发射到荧光屏的过程中遇到电场的作用会因为电场力的作用而改变运行方向，从而会在荧光屏上形成变化的光点,就是我们在模拟示波器上看到的波形。电场由X偏转板和Y偏转板两个方向施加，分别对应我们看到的波形的垂直方向上电压的变化和水平方向时间的变化。这过程的原理示意如图1.2所示。

  图1.2  模拟示波器的基本原理示意图

电子束的偏转量与加在偏转板上的电压成正比，将被测正弦电压加到垂直（Y轴）偏转板上，通过测量偏转量的大小就可以测出被测电压值。但由于水平（X轴）偏转板上没有加偏转电压，电子束只会沿Y轴方向上下垂直移动，光点重合成一条竖线，无法观察到波形的变化过程。为了观察被测电压的变化过程，就要同时在水平（X轴）偏转板上加一个与时间成线性关系的周期性的锯齿波,电子束在锯齿波电压作用下沿X轴方向匀速移动即“扫描”。在垂直（Y轴）和水平（X轴）两个偏转板的共同作用下，电子束在荧光屏上显示出波形的变化过程，如图1.3所示。   水平偏转板上所加的锯齿波电压称为扫描电压。当被测信号的周期与扫描电压的周期相等时，荧光屏上只显示一个正弦波。当扫描电压的周期是被测电压周期的整数倍时，荧光屏上将显示多个正弦波。示波器上的"扫描时间”旋钮就是用来调节锯齿波周期的。 

图1.3  电子束在荧光屏上形成波形的过程

模拟示波器的优缺点

模拟示波器的优点是：提供了眼见为实的波形，在规定的带宽范围内可非常放心地进行测试;垂直分辨率高，连续而且无限级;数据更新很快，屏幕上的波形从一屏扫描到下一屏之间的间隔时间（死区时间）很小; 操作简单 ;价格便宜。缺点是: 带宽低，最高带宽也只有几百MHz;没有丰富的触发功能，只有简单的边沿触发;没有分析功能，只能看看波形。

数字示波器的工作原理

数字示波器的原理显得比模拟示波器更好理解，简单地说就是模拟信号经过放大器和采样保持电路后变换为一个一个的离散的“电平”，这些电平再经过模数转换器（ADC）转换为一个一个离散的点,每个点由8位或12位、14位的“0”和“1”组成，这些点经过显示处理器处理后送屏幕上显示，同时送到PC平台或嵌入式运算平台如FPGA中进行分析运算，运算的结果再送回到屏幕上显示。在数字世界中永远只有“0”和“1”，数字示波器技术的关键点是模拟信号的离数字化过程。多数实时示波器的ADC是8位，现在也有12位ADC 的实时示波器了。采样示波器的ADC是14位。  在1.2节中我们将详细说明数字示波器的工作原理。

数字示波器的优缺点

模拟示波器的缺点正是数字示波器的优点，而其优点也正是数字示波器的缺点。数字示波器的带宽高，可达到65GHz甚至将可达到更高带宽;触发功能丰富，可以便于对异常信号进行定位;有强大的波形分析处理功能。 缺点是存在量化误差,目前高带宽示波器的ADC位数只有8位，采样示波器的ADC位数达到14位，但应用范围很窄; 数字示波器波形刷新率的缺点现在已随着技术进步而弥补，现代数字示波器的波形更新速率和模拟示波器已达到了相同水平，在特别获取模式下的波形更新速率比模拟示波器更快，可以达到每秒125万次; 现在观察型的低端示波器价格也已非常便宜。