大多数现代示波器都属于数字存储示波器 (DSO) 系列。 本指南中介绍的大多数概念都是特定于 DSO 的。
什么是示波器？
示波器是一种测试和测量仪器，可以随时间快速测量电压。 它记录电路中某些点的电压，并在屏幕上显示电压（Y 轴）作为时间（X 轴）的函数。 它本质上是一个非常快速的电压表，具有数据记录和绘图功能（图 1）。
图1： 示波器可以被认为是一种快速电压表，它以给定的时间间隔测量电压，然后记录并显示作为时间函数的电压轨迹。
示波器的关键特性之一是它可以测量和记录电压的速度。 在规格表上，它被称为 采样率示波器的采样率通常用其每秒可测量的点数来衡量。例如，Moku:Lab 的示波器最大采样率为 500 MSa/s，即每秒可进行 500,000,000 次测量。MSa/s 代表每秒兆次 (106) 采样。理论上，仪器可测量的最高频率限制为采样频率的 ½，这被称为奈奎斯特条件。然而，在大多数情况下，采样率并不是示波器的限制因素。示波器的带宽描述了模拟输入可以处理的最高频率，通常用截止频率加上 -3 dB 的衰减来描述。明显超出截止频率的信号会被衰减。采样率和带宽是示波器的决定性指标。采样率通常围绕 带宽. 现代示波器的采样率范围从每秒数百兆样本到数十千兆样本 (109)，带宽范围从几十 MHz 到几 GHz。 更高的采样率和带宽通常会提供更好的信号形态，尽管这是有代价的。 根据经验，示波器的带宽至少应比要测量的信号的基频大 3 到 5 倍。 要捕获急剧上升/下降的特征，例如包含许多不同频率的正弦波的方波，需要更大的带宽。
图2： 示波器的两个最重要的指标：采样率和带宽。
输入设定
我们已经介绍了示波器的基本功能和两个关键规格。 现在，我们将检查一些细节。 首先，输入设置。 大多数示波器有两个或四个输入通道。 可以单独打开、关闭和配置通道。 输入设置改变了模拟前端的配置方式，主要影响显示器上的 Y 轴。 Moku:Lab 示波器最重要的三个输入设置是：垂直刻度（输入范围）、耦合和阻抗。
垂直比例：
刻度决定了 Y 轴上的电压范围。 数字存储示波器通常具有有限的垂直分辨率（它们可以用来表示整个输入范围的点数）。 最好尽可能使用整个输入范围。 示波器中的垂直刻度通常与输入增益直接相关。 一旦信号显示在示波器上，相应地调整垂直刻度以确保信号既不饱和也不未充满。
耦合：
输入耦合决定了信号的哪些部分（直流和交流）会通过输入。在直流耦合中，直流和交流分量都会通过输入。在交流耦合中，只有交流分量可以通过输入。这在探测较大直流偏移量上的小交流振荡时非常有用。交流耦合的截止频率通常在 50-60 Hz 左右。
阻抗设置：
阻抗决定了输入负载电阻的阻值。 大多数示波器都可以在 50 Ω 或 1 MΩ 之间进行选择。 选择取决于信号的源阻抗。 通常 1 MΩ 用于准确测量电压，因为它对输入信号的干扰较小，而 50 Ω 用于测量高频功率并连接到具有 50 Ω 阻抗的其他设备。
示波器通常使用探头连接电路，这些探头通常是 1x 或 10x 探头。 1x 探头通过信号时没有幅度缩放，其中 10x 探头提供一个电阻分压器，可将信号缩放 1/10。 也可以在 Moku:Lab 输入设置中设置 1x 或 10x 探头类型，以便显示正确反映探头比例和实际信号幅度。
图3： Moku:Lab 示波器的输入设置。 您可以调整垂直刻度、更改输入耦合以及更改示波器的输入阻抗。
触发功能
触发功能是示波器中最重要的机制之一。 正如我们在上一节中讨论的那样，示波器的采样率是几百 MHz 到几 GHz。 实际上，不可能在屏幕上连续显示和存储那么多数据点。 这就是触发机制发挥作用的地方。 示波器不是连续捕获数据，而是在“触发”后捕获一定数量的数据点（即 10,000 个点）。 一旦触发，示波器就会在屏幕上显示这 10,000 个点，然后等待下一次触发。 如果触发事件发生的速度快于示波器可以处理的速度，它将忽略这些中间触发，直到示波器准备好进行下一次触发。 这意味着屏幕上显示的波形在时间上可能不连续。 相反，示波器会连续显示在每个触发事件中捕获的这些“快照”（图 4）。 大多数示波器都有“滚动”模式，无需触发即可连续捕获和显示数据点。 但是，用于滚动模式的采样率通常要慢得多。
图4： 示波器在屏幕上显示触发事件的快照。 如果触发事件发生的速度快于示波器可以处理的速度，则显示的波形在时间上不连续。
触发条件：
示波器通常在某个输入通道上的电压上升/下降超过某个值时触发。例如，我们可以在输入 1 上的电压上升超过 1 V 时触发示波器。触发条件高度可定制，某些示波器还具有更高级的触发条件。不过，本入门教程中不会介绍这些内容。
触发方式：
在大多数示波器中，有三种不同的触发模式：“自动”、“正常”和“单次”。 在“自动”模式下，当示波器在一定时间后未检测到触发事件时，会发生“强制”触发。 示波器将始终显示最新获取的数据，即使不满足触发条件。 在“Normal”模式下，示波器只有在满足设置的触发条件时才会触发。 范围将始终等待下一个触发事件，而不是应用“强制”触发。 在“单次”模式下，示波器等待下一个触发事件。 一旦触发，它将暂停屏幕并显示使用该触发器捕获的波形。
图5： Moku:Lab 示波器的触发设置。 您可以在自动、正常和单次触发模式之间进行选择。 此外，您可以根据您的测量自定义触发条件。
时基（水平刻度）
现在我们来讨论 X 轴。示波器的时基控制着水平轴的行为。通过调整时基，示波器会自动选择一个最佳采样率，以平衡轨迹的长度（时间）和时间分辨率。为什么我们不总是使用最大采样率呢？正如我们之前提到的，示波器每次触发事件可以存储的点数受其内部存储器的限制。假设采样大小为 10,000 个点。如果我们要观察的信号以 1 Hz 振荡，那么在 500 MSa/s 的采样率下，10,000 个点显示的数据量为 0.000002 秒。以这样的采样率，我们根本无法接近 1 Hz 信号的全貌！因此，在调整 X 轴的刻度时，需要优化采样率。分析的频率越低，时基越长，采样间隔就越大。
DSO 具有有限的采样率。 这意味着示波器获取的数据点在时间上并不是真正连续的。 为了在时间轴放大时在屏幕上显示连续的波形，可以选择不同的插值模式。 线性插值不执行任何上采样。 为了显示波形，在连续的点之间绘制一条直线。 这是“丑陋的”，但不会“发明”任何新的数据点。 SinX/X 插值保留了信号的频率特性。 但在时域中，信号中可能会出现实际上不存在的过冲或下冲。 高斯插值“平滑”信号，以牺牲频率信息为代价保留信号的时域视觉特性。
如果您尝试捕获的波形对于每个触发事件都是重复的，有时对多个触发事件进行平均并显示平均波形会很有用。 这应该会显着提高相对较弱信号的信噪比。
持久性设置允许您在屏幕上保留给定数量的旧波形（触发事件）。 它有助于观察波形随时间的变化。
图6： Moku:Lab 示波器的时基设置。 采样率由水平刻度自动确定。
高级功能
现在我们将讨论示波器内置的一些自动化功能。 现代示波器可以测量捕获波形的各种特性，例如幅度、频率等。因此，您可以让示波器自动为您计算输入波形的频率，而不是通过计算屏幕上的时间间隔来计算输入波形的频率。 大多数示波器还具有数学功能，例如：加、减，甚至对输入波形执行快速傅立叶变换 (FFT) 分析。 所有这些功能相结合，使现代示波器成为实验室中分析电路、通信信号等的真正实用工具。
图7： Moku:Lab示波器的数学和测量功能。 橙色迹线显示输入 1 和输入 2 的总和。输入 1 的峰峰值测量值和通道 2 的频率测量值显示在信号显示区域的底部。
感谢您阅读本示波器熟悉指南。 您可以从以下网址下载 Moku:Lab 应用程序 苹果的App Store 并在演示模式下体验它。 有关 Moku:Lab 示波器具体功能的详细信息，请参见 示波器用户手册.
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