泰克 Tektronix：示波器基础及基本功能介绍（讲师培训教材指导手册）.pdf_大学文库

深入了解示波器初级自然界运行着各种形式的正弦波,比如海浪、地震、声波、爆破、空气光源中传播的声音,或者身体运转的自然节律。物理世界里,能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光(波粒二象物质)也有自己的基频,并因为基频的不同呈现出不同的颜色通过传感器,这些力可以转变为电信号,以便通过示波器能够进行观察 s°° 和研究。有了示波器,科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人光电元件能够“观察”随时间变化的事件示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时·图,示波器收集科学数据的例子万变,工程师们需要最好的工具,快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来,面对当今各种测量挑战,示波器自然是满足要求的关键工具阅读完本读本,您可以掌握如下内容: 示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器,适用于描述示波器如何工作各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源,使之转变区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异为电信号,包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换描述电波的类型器,它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1,理解示波器的基本控制所进行简单的测量从物理学家到电视维修人员,各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器在实际工作中使用示波器时,借助随同示波器一同提供的手册,能帮助的用途是没有止境的您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各种应用备忘录,其本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。中的注意事项可以帮助您优化示波器,以满足特定测量的需求本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。针对示波器的原理和控如果您需要其他的帮助,或者您对本读本有任何的建议和问题,请与泰制,本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题,对课堂学习很克的代理商联系,或者访间www.tektronix.com 有帮助。并不要求有数学和电子学的基础知识第4页,共85页

深入了解示波器初级引言自然界运行着各种形式的正弦波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的基频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器，科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人能够“观察”随时间变化的事件。示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1 所示。从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器的用途是没有止境的。本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。针对示波器的原理和控制，本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题，对课堂学习很有帮助。并不要求有数学和电子学的基础知识。阅读完本读本，您可以掌握如下内容：描述示波器如何工作区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异同描述电波的类型理解示波器的基本控制进行简单的测量在实际工作中使用示波器时，借助随同示波器一同提供的手册，能帮助您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各种应用备忘录，其中的注意事项可以帮助您优化示波器，以满足特定测量的需求。如果您需要其他的帮助，或者您对本读本有任何的建议和问题，请与泰克的代理商联系，或者访问 www.tektronix.com。图1.示波器收集科学数据的例子光源光电元件第 4 页，共 85 页

深入了解示波器初级信号完整性如果不预防地进行一些测量,高速带来的问题可能会影响其他常规的数信号完整性的意义字设计。如果电路时断时续发生故障,或者如果电路在电压和温度的极限条件下发生差错,可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。最终,影的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力,称为信号完响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性(EM 摄像机捕获信号图象,以便我们随后能够进行观察和解释。在这 compliance),等等。点上,示波器很是类似。信号完整性有两个关键点。您摄下图片的时间,它是否与实际发生的情况一致? 为什么要考虑信号完整性问题? ≯图片是清晰的还是模糊的? 让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。比起过去, ≯每一秒您能摄下多少张精确的图片? 为什么这些问题变得更为普遍? 综合起来不同的系统和不同性能的示波器,有不同的实现最高信号完答案是速度。在“过去缓慢的年月,维护可接受的数字信号完整性就整性的能力。探头也对测量系统的信号完整性有影响。意味着对细节的关注,比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负信号完整性影响许多电子设计规律。但在数年以前,数字设计者并不以载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。现在,上述为重。他们着重于逻辑的设计,便能使逻辑电路顺利工作。在进行高速规则仍旧适用,但是设计时,噪声和不确定信号偶有发生,RF(射频)设计者需要对此进总线的周期时间比20年以前快过了千倍!原来需要数毫秒才能完成的行考虑。而数字系统进行着缓慢的转换,信号如所预料的一样稳定。事务处理现在仅需要数纳秒。为实现速度的提高,边缘的速度也经过加处理器的时钟速率上升了数个数量级。3D图象处理、视频和服务器速:边缘升降速度比20年前快了100倍以上。 O等计算机应用需要巨大的带宽。如今的许多电信设备也是基于数字进步是相当令人瞩目的。但是,某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速的,同样也需要大量的带宽资源。数字处理的高淸晰度电视同样如此度提高的步调。数十年以来芯片内部总线的传输时间基本上没有什么目前,微处理器设备处理的数据速率高达2、36S5,甚至565(吉变化。物理尺寸自然越来越小,但是电路板上总还得安插实际的C元采样值每秒)。同时,一些内存设备采用40MHz的时钟以及20015。件、连接器、无源部件,当然还需安排总线本身。实际的布局增加了间上升时间的数据信号距,而这些距离意味着时间的消耗,这与速度形成了矛盾重要的是,随着速度的提高,原用于车辆、录像机、机械控制器的普通需要注意的是,数字信号的边缘速度(上升时间)对频率的影响远大于 C设备应用得越来越少。与那些80-MHz的处理器类似,工作于20·重复速率的影响。正因为如此,一些设计人员有意识“减缓”相关的上 HZ时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。设计者不得不考升时间,使C器件正常工作虑交叉情况下对性能的影响。其结果,几乎所有的设计中都包含高速设第5页,共85页

深入了解示波器初级信号完整性信号完整性的意义任何好的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力，称为信号完整性。摄像机捕获信号图象，以便我们随后能够进行观察和解释。在这一点上，示波器很是类似。信号完整性有两个关键点。您摄下图片的时间，它是否与实际发生的情况一致？图片是清晰的还是模糊的？每一秒您能摄下多少张精确的图片？综合起来，不同的系统和不同性能的示波器，有不同的实现最高信号完整性的能力。探头也对测量系统的信号完整性有影响。信号完整性影响许多电子设计规律。但在数年以前，数字设计者并不以为重。他们着重于逻辑的设计，便能使逻辑电路顺利工作。在进行高速设计时，噪声和不确定信号偶有发生，RF（射频）设计者需要对此进行考虑。而数字系统进行着缓慢的转换，信号如所预料的一样稳定。处理器的时钟速率上升了数个数量级。3D 图象处理、视频和服务器 I/ O 等计算机应用需要巨大的带宽。如今的许多电信设备也是基于数字的，同样也需要大量的带宽资源。数字处理的高清晰度电视同样如此。目前，微处理器设备处理的数据速率高达2、3 GS/s，甚至5 GS/s（吉采样值每秒）。同时，一些内存设备采用 400-MHz 的时钟以及 200-ps 上升时间的数据信号。重要的是，随着速度的提高，原用于车辆、录像机、机械控制器的普通 IC 设备应用得越来越少。与那些 800-MHz 的处理器类似，工作于 20- MHz 时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。设计者不得不考虑交叉情况下对性能的影响。其结果，几乎所有的设计中都包含高速设计。如果不预防地进行一些测量，高速带来的问题可能会影响其他常规的数字设计。如果电路时断时续发生故障，或者如果电路在电压和温度的极限条件下发生差错，可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。最终，影响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性（ E M I compliance），等等。为什么要考虑信号完整性问题？让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。比起过去，为什么这些问题变得更为普遍？答案是速度。在“过去缓慢的年月”，维护可接受的数字信号完整性就意味着对细节的关注，比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。现在，上述规则仍旧适用，但是…… 总线的周期时间比20年以前快过了千倍！原来需要数毫秒才能完成的事务处理现在仅需要数纳秒。为实现速度的提高，边缘的速度也经过加速：边缘升降速度比 20 年前快了 100 倍以上。进步是相当令人瞩目的。但是，某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速度提高的步调。数十年以来，芯片内部总线的传输时间基本上没有什么变化。物理尺寸自然越来越小，但是电路板上总还得安插实际的IC 元件、连接器、无源部件，当然还需安排总线本身。实际的布局增加了间距，而这些距离意味着时间的消耗，这与速度形成了矛盾。需要注意的是，数字信号的边缘速度（上升时间）对频率的影响远大于重复速率的影响。正因为如此，一些设计人员有意识“减缓”相关的上升时间，使 IC 器件正常工作。第 5 页，共 85 页

深入了解示波器初级过去为预测电路中的信号状态,常常单独考虑各个基本的电路模块。但是当边缘速度比信号通道延迟还要快四到六倍时,简单的划分模块就不 (电压) 不考虑周期速率,当驱动低于四到六纳秒边缘速率的信号时,六英寸长的电路板已经变成波导线。其结果,产生新的信号通道。这些无形中形 X(时间) 成的连接并不属于设计的初衷,但是不可预料地影响着正常信号 Z(亮度另外,高速的边缘速度通常需要有更高的电流保障。更高的电流常引起地线的反射。特别是在许多信号同时转换的瞬间,宽总线容易出现此情 Z(亮度) 况。而且,大电流引起电磁辐射量的增加,导致信号串扰图2.显示波形的、F和分量考虑数字信号的模拟特性示波器所有这一切的共同特征是什么?他们都是典型的模拟现象。为解决信号什么是示波器,它是如何工作的?本节将解答这些基本问题。完整性问题,数字设计人员必须步入模拟领域。而为踏出这一步,需要示波器本质上是一种图形显示设备,它描绘电信号的图形曲线。在大多有工具来帮助他们指示数字和模拟信号之间的相互关系。数应用中,呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程:垂直cY)轴模拟信号完整性问题常常导致数字的差错利用示波器跟踪数字故障的表示电压,水平(X)轴表示时间。有时称亮度为Z轴。(参看图2) 原因是很有必要的。示波器能够显示波形的细节、边缘和噪声;示波器这一简单的图形能够说明信号的许多特性,例如能探测和显示瞬态情况:也能帮助您精确测量时间的关系,比如建立和-信号的时间和电压值保持时间。 D振荡信号的频率理解示波器系统的每一部分,理解各部分如何运作,这样会有助于您有信号所代表电路的“变化部分” 效地应用示波器,使您更有把握面对测量方面的挑战信号的特定部分相对于其他部分的发生频率 ≯是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值(DC)和交流值AC) 信号的噪声值和噪声是否随时间变化第6页,共85页

深入了解示波器初级过去为预测电路中的信号状态，常常单独考虑各个基本的电路模块。但是当边缘速度比信号通道延迟还要快四到六倍时，简单的划分模块就不再可行。不考虑周期速率，当驱动低于四到六纳秒边缘速率的信号时，六英寸长的电路板已经变成波导线。其结果，产生新的信号通道。这些无形中形成的连接并不属于设计的初衷，但是不可预料地影响着正常信号。另外，高速的边缘速度通常需要有更高的电流保障。更高的电流常引起地线的反射。特别是在许多信号同时转换的瞬间，宽总线容易出现此情况。而且，大电流引起电磁辐射量的增加，导致信号串扰。考虑数字信号的模拟特性所有这一切的共同特征是什么？他们都是典型的模拟现象。为解决信号完整性问题，数字设计人员必须步入模拟领域。而为踏出这一步，需要有工具来帮助他们指示数字和模拟信号之间的相互关系。模拟信号完整性问题常常导致数字的差错。利用示波器跟踪数字故障的原因是很有必要的。示波器能够显示波形的细节、边缘和噪声；示波器能探测和显示瞬态情况；也能帮助您精确测量时间的关系，比如建立和保持时间。理解示波器系统的每一部分，理解各部分如何运作，这样会有助于您有效地应用示波器，使您更有把握面对测量方面的挑战。图2. 显示波形的X、Y和Z分量 X(时间) Y(电压) Z(亮度) X(时间) Z(亮度) 示波器什么是示波器，它是如何工作的？本节将解答这些基本问题。示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称亮度为 Z 轴。（参看图 2。）这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分” 信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值 (DC) 和交流值 (AC) 信号的噪声值和噪声是否随时间变化第 6 页，共 85 页

深入了解示波器初级 Lm栅栅珊阶跃波脉冲序列复杂波图8.阶跃波、脉冲波和脉冲序列 D图9.复杂波的例子:一段NTSC复合视频信号阶跃波和脉冲波同步信号和异步信号象阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生,并且是非周期信号。这类信号如果二信号之间具备定时关系,则称它们是同步的。举例来说,计算机被称为单脉冲或瞬时信号。阶跃波指示的是电压的突然变化,打开电源中的时钟、数据和地址信号就是同步信号开关时电压的情况即是如此异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说,接触计算机键盘的行为脉冲指示的是电压的突然的两次变化,打开电源开关马上又关闭时,产和计算机内部的时钟之间没有时间的关联,两者可被认为是异步的生的电压波形就是脉冲。在计算机电路进行传输时,一个脉冲可以表示信息的一位。脉冲也可能是电路中的低频干扰,或某种缺陷。一系列传复杂波输脉冲的集合成为脉冲序列。计算机的数字部件通过脉冲进行相互通一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性,形成新的波形,对信。在Ⅹ射线和通信设备中,脉冲应用广泛。图8是阶跃波、脉冲波和于许多示波器来说是一种考验。信号的信息可以置λ幅值、相位中,可脉冲序列的示例能还置入频率变量当中。例如,图表示的是平常的复合视频信号,但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子,理解各处周期信号和非周期信号的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号,需要用示不断重复的信号称为周期信号,而不断变化的信号称为非周期信号静波器来捕获低频包络,并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此止图象与周期信号相似,而移动图象则与非周期信号等同。来就可以观察到整个混合图象,方便直观地进行解释说明。对于如图 9所示的视频信号,模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。显示器提供必要的发生频率的信息,或者亮度等级,这些对理解波形的实际特性颇为重要第9页,共85页

深入了解示波器初级图8. 阶跃波、脉冲波和脉冲序列阶跃波脉冲波脉冲序列阶跃波和脉冲波象阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生，并且是非周期信号。这类信号被称为单脉冲或瞬时信号。阶跃波指示的是电压的突然变化，打开电源开关时电压的情况即是如此。脉冲指示的是电压的突然的两次变化，打开电源开关马上又关闭时，产生的电压波形就是脉冲。在计算机电路进行传输时，一个脉冲可以表示信息的一位。脉冲也可能是电路中的低频干扰，或某种缺陷。一系列传输脉冲的集合成为脉冲序列。计算机的数字部件通过脉冲进行相互通信。在X射线和通信设备中，脉冲应用广泛。图8是阶跃波、脉冲波和脉冲序列的示例。周期信号和非周期信号不断重复的信号称为周期信号，而不断变化的信号称为非周期信号。静止图象与周期信号相似，而移动图象则与非周期信号等同。图9.复杂波的例子：一段NTSC 复合视频信号复杂波同步信号和异步信号如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。举例来说，计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说，接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。复杂波一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，对于许多示波器来说是一种考验。信号的信息可以置入幅值、相位中，可能还置入频率变量当中。例如，图9表示的是平常的复合视频信号，但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子，理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号，需要用示波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。对于如图 9所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。显示器提供必要的发生频率的信息，或者亮度等级，这些对理解波形的实际特性颇为重要。第 9 页，共 85 页