讀文章，集徽章｜回歸基礎之現代示波器原理解析

示波器是精確復現信號電壓隨時間變化的波形的儀器，廣泛應用于電子電路測試與調試，計算機及通信高速信號測試，雷達測量等領域；是目前在各個行業電子/電氣工程師應用最廣泛、最有用的工具。

注：舉例示波器為是德科技中端示波器500MHz～6GHz MXR-B 系列

模擬示波器采用CRT（陰極射線管）顯示屏，其工作原理是，模擬示波器內部產生周期性鋸齒波信號控制熒光屏電子槍的水平偏轉，被測的電壓信號經放大后控制電子槍的垂直偏移，這樣掃描后就可以在屏幕上看到被測信號電壓隨時間變化軌跡。數字示波器和模擬示波器最大的區別是，數字示波器通過高速的ADC芯片對輸入信號進行采樣和數字化，并把數字化樣點先保存到緩存中。然后再經過處理、插值、分析后，顯示到液晶屏上。

雖然模擬示波器原理簡單，但它的一些明顯缺點限制了它的發展，例如：帶寬有限、沒有存儲和分析能力、觸發功能有限等等，所以現代示波器幾乎都是數字示波器。

我們先看一下現代數字實時示波器的典型參考架構。

在上圖典型參考架構圖中，可以看到從各關鍵部件出發涉及到的業界常常提及的關鍵指標，比如模擬前端電路涉及的帶寬，采樣電路涉及的采樣率及ADC位數等指標，以及觸發和內存深度等數字實時示波器的四大最基本指標。

示波器帶寬的定義為輸入一個正弦波信號，保持幅度不變，增加信號頻率，當示波器上顯示的信號幅度是實際信號幅度的70.7%(即3dB衰減)的時候，該對應的信號頻率就等于示波器帶寬。

采樣率是示波器的另一個關鍵指標，它告訴客戶每秒測量信號電壓并繪制在顯示屏上的次數。如今，大多數示波器每秒至少采樣 10 億次，即每秒 1 千兆樣本。

采樣率與帶寬緊密相關。帶寬越高，信號變化越快，因此需要更快地采樣才能看到變化。在這里的圖片中，我們看到一臺 6 GHz 示波器，采樣率為 16 GSa/s，滿足奈奎斯特采樣定理。

示波器具有指定位數的 ADC。位數 (K) 等于 2K 量化級別。例如，8 位 ADC 可以將模擬輸入編碼為 256 個不同級別 (28 = 256)，而 10 位 ADC 則有 1024 個 Q 級別 (210 = 1024)。

因此，理論上 10 位 ADC 的垂直分辨率是 8 位 ADC 的四倍。這是在沒有噪聲的理想情況下的情況。由于噪聲是任何電氣系統的固有組成部分，示波器的 ADC 最終會使用一些位來量化系統本身的噪聲。因此，示波器在運行時永遠不會達到 ADC 的垂直分辨率。

有經驗的工程師會引入ENOB指標進行考量。ENOB是指動態有效位數，當高速ADC 進行數據采集時，由于噪聲（前端模擬電路）和失真（ADC拼接）的影響，實際上ADC的信噪失真比達不到其標稱的位數。示波器的有效位數 (ENOB) 是了解示波器垂直分辨率的更好規格。它表示系統開啟時可用于數字化信號的實際位數。用戶可以在示波器的數據手冊中查詢到示波器的ENOB值。

時域應用最常見的測量設備是示波器，它以電壓與時間的關系顯示信號。它的水平系統和垂直系統設計引出了其幾大關鍵指標。帶寬、采樣率、ADC位數及ENOB值，另外示波器的觸發能力和分析能力也是示波器很重要的性能。也是我們在考慮指標滿足情況下，需要考慮的。

是德科技示波器除了在指標上的優越外，更支持高達上百種一致性分析軟件以及協議解碼，是高速數字測試的理想選擇！

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