示波器

示波器

示波器（英語：oscilloscope）是一種能夠顯示電壓訊號動態波形的電子測量儀器。它能夠將時變的電壓訊號，轉換為時間域上的曲線，原來不可見的電氣訊號，就此轉換為在二維平面上直觀可見光訊號，因此能夠分析電氣訊號的時域性質。更進階的示波器，甚至能夠對輸入的時間訊號，進行頻譜分析，反映輸入訊號的頻域特性。

示波器綜述

外觀

一個典型的示波器通常是盒狀熒幕，有多個輸入連接，示波器至少包括探頭、顯示器和控制面板三部分。電壓訊號通過探頭連接到示波器的輸入埠，經過處理之後的波形就顯示在顯示器上。顯示器一般為長方形，偶爾也有圓形，在表面標記有垂直的網格座標。傳統的示波器控制面板一般在示波器前部，分佈有多個旋鈕、按鈕或開關，用於調整參數，目前最新的示波器——平板示波器採用全觸控熒幕操作，外形如同iPad。

分類

示波器主要可以分為模擬示波器與數碼示波器兩類。

• 模擬示波器主要基於陰極射線管，打出的電子束通過水平偏壓和垂直偏壓系統，打在熒幕的熒光物質上顯示波形。
• 數碼示波器主要是通過ADC將模擬數碼離散化並存入記憶體，通過CPU或專用晶片進行處理後在熒幕上進行顯示。原有的數碼儲存示波器對波形的擷取率較慢，隨着技術及專用晶片的發展，現有數碼儲存示波器的波形擷取率已經可以達到每秒100萬次，高於模擬示波器的40萬次。 數碼示波器又可分為
  • 數碼儲存示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）：將訊號數碼化後再建波形，具有記憶、儲存被觀測訊號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速訊號，以及不同時間不同地點觀測到的訊號。
  • 數碼熒光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）：通過多層次輝度或彩色可顯示長時間內訊號。
  • 混訊示波器（MSO，Mixed Signal Oscilloscope）：把數碼示波器對訊號細節的分析能力和邏輯分析儀多通道定時測量能力組合在一起，可用於分析數模混訊互動影響。

數碼示波器基本指標

頻寬、取樣率和儲存深度是示波器的三大技術指標。示波器的頻寬定義為訊號衰減3dB時的訊號頻率。若一台示波器頻寬不夠會導致看到的訊號失真，測試不準確。頻寬指標主要體現在衰減器與放大器的指標。即時取樣率體現出示波器的ADC的效能。取樣率通常要大於等於頻寬的4倍。儲存深度影響觀測時間的長短，另外也會影響到示波器的取樣率。因為儲存深度=取樣率×觀測時間，若觀測時間較長（與水平觀測時間相關），則取樣率會下降。除此之外，波形擷取率和示波器響應速度，觸發條件的多少，底噪的情況，使用的方便性，及擴充性也體現了示波器的效能。

頻寬選擇實例： 已知條件：示波器主機1GHz，探頭組態1.5GHz，被測訊號200MHz（上升時間500ps）。

示波器參數	參數值
示波器上升時間	0.35/1GHz = 350ps
探頭上升時間	0.35/1.5GHz = 233ps
整個測量系統上升時間	${\sqrt {350^{2}+233^{2}}}$ = 420ps
整個測量系統實際頻寬	0.35/420 = 833MHz
實測訊號所得上升時間	${\sqrt {420^{2}+500^{2}}}$ = 653ps
實際測量誤差	（653 – 500） / 500 = 30.6%

發展趨勢

高效能與通用是示波器發展的兩個趨勢。體現高效能的例子是安捷倫科技的63GHz模擬帶寬、160GSa/s採樣的實時示波器，同時具有低雜訊和高輸入動態範圍的特性，美國力科公司宣佈了65GHz模擬頻寬、160GS/s即時取樣率、4~40通道的任意通道示波器系統，大幅的優化了示波器的通道選擇性。另一個趨勢是通用，將更多的功能整合到示波器中，常見的有將邏輯分析功能整合，形成混合型號示波器；將協定分析功能整合，最近安捷倫又將訊號源整合到示波器中。力科也在全系列示波器中加上邏輯模組，隨着技術的發展，也許示波器會整合越來越多的功能。

世界主要廠商

• 美國：泰克（Tektronix）、是德科技（Keysight，原安捷倫（Agilent）的電子儀器部門，再之前則是惠普（HP）的儀器部門）、福祿克（Fluke）、力科（LeCroy）、國家儀器（National Instruments）
• 荷蘭：飛利浦（Philips）（90年代其儀器部門與美國福祿克合併）
• 德國：羅德與施瓦茨（R&S，Rohde & Schwarz，原HAMEG）
• 英國：古爾德（GOULD，2014年結束營業）
• 日本：日立（Hitachi）、菊水電子（KIKUSUI Electronics）、岩崎通訊機（IWATSU ELECTRIC）、建伍（Kenwood/Trio）、利達（Leader）
• 中國大陸：普源（Rigol）、鼎陽（Siglent）
• 台灣：固緯（GWInstek）

工作原理

示波器主要由電源系統、同步系統、水平偏向系統、垂直偏向系統、延遲掃描系統、顯示系統和標準訊號源等部封包成。

模擬示波器

模擬示波器有多種工作模式。

X-Y模式

大多數現代的模擬示波器都有多個電壓輸入，可以用來繪製一個變化的電壓與另一個電壓的對比圖。這對於繪製二極體等元件的I-V曲線（電流與電壓的特性）以及李薩如圖形特別有用。這種曲線是一種典型的跟蹤多個輸入訊號之間相位差異的方法，在廣播工程中經常被用來繪製左右立體聲通道，以確保立體聲發生器正確校準。

數碼示波器

數碼科技的發達讓示波器從傳統的模擬式發展到了數碼式。數碼系統給示波器帶來了大量強大的特性。

優於傳統的示波器之處：

• 光明大熒幕彩色區分多重痕跡。
• 等效時間採樣和平均跨連續樣品或掃描導致更高的解像度降至第五。
• 峰值檢測。
• 預設觸發。
• 易潘變焦和多個儲存痕跡讓初學者工作無觸發。

大多數碼式示波器的缺點是波形更新的速度過慢。但最近幾年也有數碼示波器的波形擷取率超過模擬示波器

混合訊號示波器

混合訊號示波器（MSO）有兩種輸入，一小部分（通常是2個或4個）的模擬通道，更多（通常為16個）的部份是屬於數碼通道;即，含邏輯分析儀的數碼示波器，不過邏輯分析儀的功能非常弱，只做簡單時序分析和序列解碼用，無法和傳統邏輯分析儀的強大功能相比，適合只需簡單功能的應用。最新的混合訊號示波器加入其它儀器元素，除示波器和邏輯分析儀外，還有序列訊號解碼分析，任意波形發生器，數字電壓表功能。