示波器基础 为电子工程和物理专业的在校学生提供

Page 议程 − 什么是示波器？ − 探测基础（低频率型号） − 进行电压和定时测量 − 对屏幕上的波形进行适当的刻度调整 − 了解示波器触发 − 示波器工作原理和性能规格 − 探测再究（动态 / 交流型号和负载影响） − 使用 DSOXEDK 实验室指南和教程 − 其他技术资源 2

Page 什么是示波器？ − 示波器将电输入信号转换为屏幕上的可见轨迹，即将电信号转换为光信号 。 − 示波器以二维形式（通常为电压和时间）动态绘制随时间变化的电信号。 − 示波器供工程师和技术人员使用，可用于测试、验证和调试电子设计。 − 示波器将是电子工程 / 物理实验室中用于测试所分配实验的主要仪器。 示波器 3

Page 常用名称 Scope （示波器） – 最常用的名称 DSO – Digital （数字） Storage （存储） Oscilloscope （示波器） Digital Scope （数字示波器） Digitizing Scope （数字化示波器） Analog Scope （模拟示波器） – 采用早期技术的示波器，但如今仍在广 泛 使用。 CRO – Cathode （阴极） Ray （射线） Oscilloscope （示波器）（读作 “crow” ）。尽管大多数示波器都不再使用阴极射线管显示波形，但澳大 利亚 和新西兰人仍亲切地将其称为 CRO 。 O-Scope （示波器） MSO – Mixed （混合） Signal （信号） Oscilloscope （示波器）（包括 采集的逻辑分析仪通道） 4

Page 探测基础 ― 探头用于将信号从要测试的设备传 输到示波器的 BNC 输入。 ― 探头有很多种，可用于各种特定用 途（高频率应用、 高电压应用和电流等）。 ― 最常用的一种探头叫做 “ 无源 10:1 分压器探头 ” 。 5

Page 无源 10:1 分压器探头 无源 : 包括晶体管和放大器等无源元件。 10-to-1: 将传输到示波器 BNC 输入的信号幅度降低 10 倍，同时将输入 阻抗提高 10 倍。 注意：所有测量必须对地进行！ 无源 10:1 探头型号 6

Page 低频率 / 直流型号 低频率 / 直流型号 : 简化了 9-MΩ 电阻器与示波器 1-MΩ 输入终端串联。 探头衰减常数 : 某些示波器（如 Keysight 3000 X 系列）自动检测 10:1 探头，并相对于探针调整所有 垂直设置和电压测量。 某些示波器（如 Keysight 2000 X 系列）需要手动输入 10:1 探头衰减常数。 动态 / 交流型号 : 将在稍后的内容和实验 #5 中介绍。 无源 10:1 探头型号 7

Page 了解示波器显示屏 伏特 时间 垂直 = 1 V/div 水平 = 1 µs/div 1 Div − 波形显示区域显示有网格线（格）。 − 网格线的垂直间隔相对于伏 / 格设置。 − 网格线的水平间隔相对于秒 / 格设置。 8

Page 进行测量 – 目测估计 最常用的测量技术 V p-p 周期 垂直 = 1 V/div 水平 = 1 µs/div V max 地电平 (0.0 V) 指示器 ― 周期 (T) = 4 格 x 1 µs/div = 4 µs ，频率 = 1/T = 250 kHz 。 ― V p-p = 6 格 x 1 V/div = 6 V p-p ― V max = +4 格 x 1 V/div = +4 V ， V min = ? 9

Page 进行测量 – 使用光标 X1 光标 X2 光标 Y1 光标 Y2 光标 Δ 读数 绝对电压和 时间读数 光标控制键 − 将 X 和 Y 光标手动放置到所需测量点。 − 波器自动乘以垂直和水平刻度调整系数，提供绝对和增量测量。 10

Page 进行测量 – 使用示波器自动参数测量 读数 ― 选择最多 4 个具有连续更新读数的自动参数测量。 11

Page 主要示波器设置控制 Keysight InfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器 水平刻度调整 (s/div) 水平位置 垂直位置 垂直刻度调整 (V/div) 输入 BNC 触发电平 12

Page 适当调整波形刻度 - 显示的周期数过多。 - 幅度刻度调整过低。 初始设置情况（示例） 最佳设置情况 触发电平 设置示波器波形刻度调整是一个反复调整前面板，直到 出屏幕上显示所需 “ 图形 ” 的过程。 − 调整 V/div 旋钮，直到波形在垂直方向充满大部分屏幕为止。 − 调整垂直位置旋钮，直到波形垂直居中为止。 − 调整 s/div 旋钮，直到水平方向只显示少数几个周期数为止。 − 调整触发电平旋钮，直到电平设置在垂直方向接近波形中间为止。 13

Page 了解示波器触发 – 将示波器 “ 触发 ” 看作 “ 同步图形获取 ” 。 – 一个波形 “ 图形 ” 包含多个连续的数字 化 采样。 –“ 图形获取 ” 必须同步到重复波形的唯 一点。 – 大多数常见示波器触发都基于在特 定电压 电平下同步信号上升或下降边沿的 采集 （图形获取）。 触发通常是示波器被了解得最少的功能，但该功能 是您应了解的最重要功能之一。 赛马比赛终点的照片与 示波器触发相似 14

Page 触发示例 触发点 未触发 （未同步的图形获取） 触发 = 0.0 V 触发 = +2.0 V 触发电平设置在波形之上 正时间负时间  DSO 上的默认触发位置（时间为零） = 屏幕中间（水平）  早期模拟示波器的唯一触发位置 = 屏幕左侧 15

Page 高级示波器触发 − 大多数在校实验室实验都将基于使用标准 “ 边沿 ” 触发 − 触发较为复杂的信号需要高级触发选项。 例如： I2C 串行总线触发 16

Page 示波器工作原理 DSO 块示意图 黄色 = 通道特定块 蓝色 = 系统块（支持所有通道） 17

Page 示波器性能规格 ― 所有示波器都具有低通频率响应。 ― 按 3 dB 衰减输入正弦波的频率决定了示波器的带宽。 ― -3 dB 等于 ~ -30% 幅度误差 (-3 dB = 20 Log ) 。 “ 带宽 ” 是最重要的示波器规格 示波器 “ 高斯 ” 频率响应 18

Page 选择合适的带宽 输入 = 100-MHz 数字时钟 使用 100-MHz 带宽示波器的响应使用 500-MHz 带宽示波器的响应  模拟应用所需带宽： ≥ 最高正弦波频率的 3 倍。  数字应用所需带宽： ≥ 最高数字时钟频率的 5 倍。  更为准确的带宽确定基于信号边沿速度（请参考演示结尾部分的 “ 带宽 ” 应用 注释） 19

Page 其他重要示波器规格 − 采样率（采样数 / 秒） – 应 ≥ 4 倍带宽 − 存储器深度 – 确定在使用示波器最高 采样率进行采样时，能够捕获的最长 波形。 − 通道数 – 通常为 2 或 4 通道。 MSO 型 号添加了分辨率为 1 位的 8 到 32 个 数字采集通道（高或低）。 − 波形更新率 – 较快的更新率会增加捕 获罕见电路问题的可能性。 − 显示质量 – 大小、分辨率、亮度级数 。 − 高级触发模式 – 时间限定的脉冲宽度、样式、视频、串行、脉冲冲突 （边沿速度、设置 / 保留时间、矮小脉冲）等。 20

Page 探测再究 - 动态 / 交流探头型号 − C scope 和 C cable 是固有 / 寄生电容（并非有意设计） − C tip 和 C comp 是有意设计的，用于补偿 C scope 和 C cable 。 − 通过适当调整探头补偿，由频率相关电容阻抗引起的动态 / 交流衰减应与设计的阻 性分压器 衰减 (10:1) 匹配。 无源 10:1 探头型号 其中 C parallel 是 C comp + C cable + C scope 的并联 21

Page 补偿探头 适当补偿通道 1 （黄色） = 补偿过度 通道 2 （绿色） = 补偿不足 − 将通道 1 和通道 2 探头连接到 “ 探头补偿 ” 终端（与 Demo2 相同）。 − 调整 V/div 和 s/div 旋钮以将屏幕上的两个波形都显示出来。 − 使用小型平口螺丝刀调整两个探头上的可变探头补偿电容 C comp 以获得平坦（方波）响应。 22

Page 探头负载 C Load 探头 + 示波器负载模型 R Load − 探头和示波器输入模型可被简化到只有一个电阻器和电容器。 − 任何连接至电路的仪器（不止是示波器）都会成为待测试电路的一部分，将影响 测量结果 … 尤其是在频率较高时。 −“ 负载 ” 表示示波器 / 探头会对电路性能产生的负面影响。 23

Page 作业 1. 调整适当时，假设 Cscope = 15pF ， Ccable = 100pF ， Ctip = 15pF ，计 算 Ccomp 。 Ccomp = ______ 2. 使用计算得出的 Ccomp 值计算 CLoad 。 CLoad = ______ 3. 使用计算得出的 CLoad 值计算 500 MHz 时的 CLoad 电容阻抗。 XC-Load = ______ C Load = ? 24

Page 使用示波器实验室指南和教程 示波器实验室指南和教程请到 下载 家庭作业 – 在第一次示波器实验室课程 之前，阅读以下部分： 第 1 部分 – 入门 示波器探测 熟悉前面板 附录 A – 示波器块示意图和工作原理 附录 B – 示波器带宽教程 示波器实践实验 第 2 部分 – 基本示波器和波形发生器测量实验 （ 6 个单独实验） 第 3 部分 – 高级示波器测量实验（您的教授可能 布置的 9 个可选实验） 25

Page 有关如何遵循实验室指南说明的提示 方括号中的粗体文字（如 [Help] ）指前面板按键。 “ 软功能键 ” 指示波器显示屏下方的 6 个按键 / 按钮。这些按键的功能随 所选菜单的不同而更改。 带有绿色弯曲箭头的软功能键 ( ) 表示可使用通用 “Entry” 旋钮控制该选择或可变选择。 软功能键 软功能键标签 Entry 旋钮 26

Page 1. 将一个探头连接到示波器通道 1 输入 BNC 和标记为 “Demo1” 的终端 之间。 2. 将另一个探头连接到示波器通道 2 输入 BNC 和标记为 “Demo2” 的终端 之间。 3. 将这两个探头的接地夹都连接到 中心地终端。 4. 按 [Help] ；然后按 Training Signals 软功能键。 访问内置培训信号 大多数示波器实验都使用各种培训信号进行构建，如果已获得 DSOXEDK 教师培训套件选项的许可，这些信号将内置在 Keysight 2000 或 3000 X 系列示波器中。 使用 10:1 无源探头连接到培训信号 测试终端 27

Page 安捷伦科技提供的其他技术资源 Page 28 应用说明出版编号 评估示波器基础 EN 评估应用的示波器带宽 EN 评估示波器采样率和采样保真度 EN 评估示波器最佳波形更新率 EN 评估示波器最佳显示质量 EN 评估示波器垂直噪声特性 EN 评估示波器以调试混合信号设计 EN 评估示波器串行总线应用的分段存储器 EN 用出版编号代替 “xxxx-xxxx”

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