八个灵魂问题，让你更懂示波器-是德科技

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示波器是电子测试里最常打交道的仪器，但要用好它，得先回答几个基础问题。是德科技「一分钟 Get 一个测试知识」系列第三期，用八个问题把示波器从波形显示一路讲到探头、触发与选型指标。

01   什么是示波器

示波器通过在屏幕上绘制波形，直观地显示电子信号，用来判断电子系统中的元器件是否工作正常。最基础的用法，就是看电压随时间怎么变化。

示波器最基础的坐标：纵轴是幅度（电压），横轴是时间

无论示波器性能多好，屏幕上的波形都无法等同于真实信号——示波器一接到电路上，就成为电路的一部分。仪器制造商一直在把负载效应降到最低，但没法让它彻底消失。

用示波器测量和排查信号问题的顺序大致是：先选对探头，再调整电压和时间设置，建立稳定的触发条件，然后利用测量、游标、数学运算或协议解码功能定位问题。

02   数字示波器内部长什么样

模拟信号从输入端进来，先经放大与 A/D 转换数字化，触发系统为每一次采集确定起点，时基控制采样节奏，数据写入高速存储器后交由 DSP 处理并送显示。

数字示波器的基本链路：输入放大 → A/D 转换 → 触发系统与时基 → 高速存储器 → DSP → 显示

03   X / Y 轴表示什么

最经典的是在屏幕上画电压（Y 轴）与时间（X 轴）的关系图，用它判断某个电子元件是否工作正常。

方波信号：Y 轴是电压，X 轴是时间，图中的水平标记即设定的触发电平

但 X / Y 轴能表达的不止这些。示波器有多个通道，可以分别独立输入信号：把通道 1 接被测设备 1、通道 2 接被测设备 2，屏幕就可以画通道 1 所测电压与通道 2 所测电压之间的关系，这就是示波器的 XY 模式。绘制 I-V 图或李萨如图（Lissajous）时，图的形状便直接给出两个信号之间的相位差与频率比。

李萨如图：180° / 1:1、90° / 2:1、90° / 1:2、30° / 1:3 四种情形下，图形与相位差、频率比的对应关系

04   探头：把信号从测点引到示波器

示波器探头的主要作用，是把被测器件（DUT）的信号从测量点引到示波器进行测量。选型时主要看四件事：带宽、衰减比、负载效应、有源 / 无源。

无源探头，最常见的示波器配套探头

探头选型的几个维度：带宽与成本、负载效应、单端 / 差分，以及电压、电流探头各自的适用区间

带宽：探头带宽代表探头能把多高的频率传递给示波器，定义为信号幅度衰减到真实值的 -3 dB（70.7%） 所对应的频点，范围从直流到约 30 GHz。带宽选得不对，要么遗失信号细节，要么引入不必要的噪声——带宽不够会造成严重衰减，但也不是越大越好，探头带宽越高、引入的噪声也越多。

探头带宽与衰减：-3 dB 点即系统带宽，频率再往上衰减迅速增大

衰减比：探头具有不同（有时可切换）的衰减比，它决定进入示波器的信号大小。示波器是非常灵敏的仪器，只能在一定的电压范围内工作，处理较高电压时需要通过分压把电压降低到安全范围内，分压值就是衰减比。比如 10:1 的衰减比，屏幕上看到的信号将仅为器件实际输出信号的十分之一。衰减高可以看更高电压的信号，但会放大示波器内部放大器噪声；衰减低看到的噪声更小，但负载效应更明显，可能让信号失真变形。

负载效应：探头连接到电路时就会成为电路的一部分，它给被测件带来的电阻、电容、电感负载都可能导致测量不准确。电阻负载方面，要确保探头电阻超过电源内阻的十倍，幅度下降才小于 10%；电容负载方面，标定电容负载要符合设计参数；电感负载方面，用尽量短的地线来降低。

探头与被测电路的等效模型：探头一侧的电阻、电感、电容会直接加载到被测回路上

无源还是有源：无源探头仅由电阻和电容元件制成，不需要电源，通常价格便宜、易于使用而且结实耐用，但会产生相对较高的电容负载和较低的电阻负载，常被用于探测带宽小于 600 MHz 的信号，一旦超过这一频率，就需要使用有源探头。有源探头需要电源才能工作，内部包含有源元器件用于放大或调理信号，因此能支持更高的信号带宽，负载效应通常也更小，代价是价格更高、不如无源探头结实。所以无源探头适合定性测量，例如检查时钟频率、查找缺陷；有源探头在定量测量上更有优势，例如输出纹波或上升时间。

05   触发是什么

示波器采集的信号是不断重复（或连续变化）的。如果无规则地、不停地采集刷新屏幕，就很难看到稳定静止的波形。触发的作用是让示波器每一次采集都以满足触发条件的时刻为基准点，各次采集都以此同步，从而显示稳定的波形。

现代示波器的触发模式很丰富，包括边沿触发、脉冲宽度触发、毛刺触发、协议触发、建立/保持时间触发、矮脉冲触发、码型/状态触发、边沿跳变时间触发、边沿到边沿触发、超时触发、窗口触发、视频触发等。工程上最常用的几类：

边沿触发：最常用的触发模式。示波器把输入信号与事先设定好的触发电平（Trigger Level）比较，电压超过设定阈值时触发，可以选择在上升沿还是下降沿触发。

脉冲宽度触发：对特定长度的正负电平脉冲触发。毛刺触发属于脉冲宽度触发的一种，允许触发宽度大于或小于某个指定时间长度的脉冲，对找出随机毛刺或错误非常有用。

协议触发：内置协议触发功能，针对串行总线的测试非常有用。每一根不同的总线都有一系列不同的触发条件（开始条件、停止条件、缺失确认、无确认寻址等），例如航空航天/国防的 ARINC 429、MIL-STD 1553，汽车的 CAN、I²C、SPI，计算机的 USB 等。

建立/保持时间触发：数据的跳变时刻相对时钟满足一定的建立/保持时间关系时触发，用来捕获时序违规的状态。

矮脉冲触发：用于捕获信号波形中幅度落在设定范围内的波形（跳变超过了一定范围又没有达到预期效果），也称欠幅触发。

06   示波器能测什么

示波器不仅可以分析幅度、频率、上升时间、时序、噪声、失真等波形特性，还能利用数学运算或协议解码功能来定位问题。

基本波形参数测量与电路异常诊断

峰峰值电压 单个波形周期内高低电压之间的电压差

电压有效值（RMS） 波形的电压有效值，该数值可进一步计算功率

上升时间 从 10% 峰间电压上升到 90% 峰间电压所需的时间

脉宽 第一个上升沿的中间阈值到下一个下降沿的中间阈值，分正负脉宽

周期 波形重复出现一次所花费的时间，以秒为单位

频率 一秒内波形重复出现的次数，以 Hz 为单位，与周期互为倒数

高速信号完整性分析：眼图把采集到的大量串行信号比特波形叠加在一起，形似眼睛，其中包含丰富的信息——从眼图上可以观察出码间串扰和噪声的影响，体现数字信号整体的特征，从而估计系统的优劣程度。抖动则是信号的某特定时刻相对于其理想时间位置的短期偏离。

左：眼图张开，信号质量良好；右：眼图闭合，信号质量差

此外还有几类常见的分析与测量场景：标准总线一致性分析（USB、PCIe、DDR、HDMI 等）、串行信号解码（I²C、SPI、CAN 等）、宽带信号的调制分析（UWB、雷达等）。

07   哪些场景要用示波器

示波器的使用场景非常广泛，只要需要测试或使用电子信号，都可能用到它：诊断汽车的电气问题、测试手机信号的完整性、测试雷达通信系统、做 USB / HDMI 等协议的合规性测试。

08   怎么选示波器：六个指标

示波器的重要性能指标包括带宽、通道数、采样率、存储器深度、波形捕获率、连通性，了解这些参数，能帮我们选出适合的示波器。

带宽：示波器能够准确显示和测试的信号范围（在频域范围内），以 Hz 为单位。

通道数：通道指示波器的独立输入端。如果只有数字通道，可称为数字信号示波器（DSO）；如果既有模拟通道又有数字通道，则称为混合信号示波器（MSO）。例如 Keysight InfiniiVision 系列 MSO 有 20 个通道，其中 16 个是数字通道、4 个是模拟通道。

采样率：示波器每秒可以采集的样本数。建议采样率至少达到其带宽的 2.5 倍；理想情况下应达到带宽的 3 倍或更高。

存储器深度：等于采样率 × 显示时间。数字示波器用 A/D 转换器把输入波形数字化后存入高速存储器，存储器深度决定了能存多少个样本或点、能存多长时间。想以高分辨率观察两点之间的长周期，就需要深存储器；而当示波器采用最深存储器深度设置时，波形捕获率通常会严重下降。

波形捕获率：示波器可以采集和更新波形显示的速率。采集过程中存在死区时间，这段静寂时间内的一部分波形并未显示在示波器上——如果罕见事件或毛刺恰好发生在这段静寂时刻，就看不到它。捕获率越快，死区时间越短，捕获罕见事件或毛刺的概率就越高。

波形采集与死区时间：捕获率越高，死区占比越低，抓到罕见事件的概率越大

连通性：包括外部连接端口和内部操作系统。USB 端口、DVD-RW 光驱、外置硬盘和显示器端口等可以把示波器数据传送到笔记本电脑、与不同地点的同事分享，也可以通过 PC 对示波器进行远程控制；带操作系统的示波器接上外置显示器、鼠标和键盘后，可以像笔记本电脑一样运行。

把指标落到产品线上：是德科技 InfiniiVision 与 Infiniium 示波器涵盖基础、进阶、专业、旗舰四个性能等级、八种功能类别——基础系列可配置为 XR1、XR2、XR3，满足日常测量需求；进阶系列包含 XR4、XR5，可扩展频率范围和采样率；专业系列为 XR6，带宽进一步提升至 6 GHz 并提供自动化测试功能；旗舰系列为 XR8、XR9，最高可达 110 GHz 带宽、256 GSa/s 采样率、8 G 存储深度。

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