2021年02月06日 | 示波器入门与选购指南

示波器，“人”如其名，就是显示波形的机器，它还被誉为“电子工程师的眼睛”。它的核心功能就是为了把被测信号的实际波形显示在屏幕上，以供工程师查找定位问题或评估系统性能等等。

示波器分为模拟示波器和数字示波器，本文主要介绍现在常用的数字示波器几个最关键的参数，全文八千字，enjoy！！！

目录

一、带宽

二、采样率

三、储存深度

四、波形更新率

五、总结

六、入门级示波器推荐

一、带宽

带宽是示波器最关键的技术指标！！！

很多人认为测量多高频率的信号就用多高带宽的示波器，这是个严重误区。

示波器中的模拟通道，简化来看就是个低通滤波器，它对频率越高的信号衰减越多，一般会把信号功率衰减了-3dB的频率，定义为示波器的带宽

大多数带宽技术指标在 1 GHz 及以下的示波器通常会出现高斯响应，并在 -3 dB 频率的三分之一处表现出缓慢下降特征。如图 2 所示，带宽技术指标大于 1 GHz 的示波器通常拥有最大平坦频率响应。这类响应通常在 -3 dB 频率附近显示出具有更尖锐下降特征、更为平坦的带内响应。

图1 示波器的高斯频率响应(图片来自网络，侵删)图2 示波器最大平坦度频率响应(图片来自网络，侵删)

衰减的—3dB 是按信号功率计算的，相当于信号的功率增益下降为原来的一半。示波器测量的是电压信号，根据公式P=U×U/R功率与电压的平方成正比，所以—3dB 相当于示波器电压的增益随着频率的增加下降到原来的0.707 倍。

如果你用一个100MHz带宽的示波器去测量一个1MHz、峰峰值为1V的正弦波信号，测出来的电压峰峰值就是1V，当你去测量100MHz、峰峰值为1V的正弦波信号时，测出来的峰峰值为0.7V左右，相当于测量误差有30%，大的惊人！！！

那么究竟需要多少带宽的示波器呢？ 取决于你的应用场合

数字应用

数字电路中时钟和数据信号都是边沿上升时间很短的方波信号，按照工程应用经验，示波器带宽至少应该比信号最高频率高5倍的带宽才能保证测量信号的最小幅度衰减，并且能捕获到其5次谐波成分。

这是为什么呢？

根据傅里叶变换可知，方波可以分解为奇次倍数频率的正弦波。譬如1MHz的方波，是由1MHz，3 MHz，5 MHz，7 MHz……等正弦波叠加而成

在图 3 中，黄色迹线显示了原始的真实信号，这个信号用作参考信号。如果仔细查看每一个谐

波，您会看到一次谐波（绿色迹线）的周期和占空比跟原始信号相同，但其上升沿较慢，拐角更圆滑。而在捕获一、三和五次谐波（红色迹线）时，您可以看到波形的拐角更锐利，显露出更多的信号细节。

图 3. 示例显示了包含一定程度谐波的信号在示波器屏幕上是什么样子的(图片来自网络，侵删)

究竟需要多高带宽的示波器，最好的方法是确定你数字信号中出现的最高频率，注意这个并不

是最高时钟频率，最高频率应该由于数字系统中最快的边沿速度来决定的，所以你首要任务是确定你所设计的数字系统信号的最快上升和下降时间。

第一步：确定最快的边沿速度 计算fknee拐点频率

Howard W. Johnson 博士在《High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》一书中指出，可以使用一个简单的公式来计算最大的“实际”频率分量。

他将这个频率分量称为 " 拐点 " 频率 (fknee)。所有快速边沿都有无穷多的频率分量。然而，在快速边沿的频谱图中有一个曲折点（或“拐点”），此处高于 fknee 的频率分量对于确定信号的波形影响。

对于上升时间按照 10% 至 90% 准则计算的信号，fknee 等于 0.5 除以信号的上升时间。

对于上升时间按照 20% 至 80% 准则计算的信号，fknee 等于 0.4 除以信号的上升时间。

fknee = 0.5 / RT (10% - 90%)

fknee = 0.4 / RT (20% - 80%)

注：RT为信号上升时间

第二步，计算示波器带宽

根据在测量上升时间和下降时间时希望达到的精度，确定测量信号所需要的示波器带宽。表 1 列出了决定示波器（具有高斯频率响应或最大平坦度频率响应）测量精度的多个乘积系数。

请记住，大多数带宽技术指标为 1 GHz 及以下的示波器通常具有高斯型响应，而大多数带宽高于 1 GHz 的示波器具有最大平坦度型响应。

来举个简单例子帮助理解

通过近似高斯频率响应测量 500 ps 上升时间（10-90%），确定示波器的最小必需带宽

如果信号具有近似 500 ps 的上升 / 下降时间（基于 10% 至 90% 标准），那么信号中的最大实际频率分量（fknee）将大约等于 1 GHz。

f knee = (0.5/500ps) = 1 GHz

根据表1，如果在对信号进行实际的上升时间和下降时间测量时，您能够容忍最多 20% 的计时误差，那么可以使用 1 GHz 带宽示波器用于数字测量应用。

但是如果需要 3% 左右的计时精度，则最好使用 2 GHz 带宽的示波器。

带宽越高测量误差越小！！！

下面来看看不同带宽的示波器测量同一个时钟的不同效果

图 4 显示了使用 100 MHz 带宽示波器对边沿速度（10% 至 90%）为 500 ps 的 100 MHz 数字时钟信号进行测量获得的波形结果。如图所示，示波器仅允许该时钟信号的 100 MHz 基本波形通过，从而将时钟信号显示为近似正弦波。

对于许多采用 8 位 MCU 且时钟速率在 10 MHz 至 20 MHz 之间的设计，使用 100 MHz 示

波器进行测量就足以满足需要；但要测量 100 MHz 时钟信号，100 MHz 带宽示波器就无能为力了。

图4：使用100MHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号(图片来自网络，侵删)

500 MHz 带宽示波器能够捕获 5 次谐波，因而成为我们首选推荐的解决方案（如图 5 所示）。

但是当测量上升时间时，我们看到示波器测得的结果为大约 800 ps。

在这种情况下，示波器无法非常精确地测量此信号的上升时间。示波器实际上测量的是接近于自身上升时间（700 ps）的目标，而不是输入信号的上升时间（500 ps 左右）。

如果在这个数字测量应用中计时测量非常重要的话，我们需要使用更高带宽的示波器。

图5 - 使用500MHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号(图片来自网络，侵删)

借助 1 GHz 带宽示波器，我们可以获得更精确的信号图形（如图 6 所示）。当测量上升时间时，我们看到示波器测得的结果大约为 600 ps。

这个测量为我们提供大约 20% 的测量精度，是一种备受欢迎的测量解决方案，特别适合预算紧张的状况。但是这种测量也未必能够涵盖全部的应用范畴。

图6 - 使用1 GHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号(图片来自网络，侵删)

如果想要以超过 3% 的精度和 500 ps 的边沿速度对信号进行测量，我们确实需要使用 2 GHz 及以上带宽的示波器（通过之前的示例确定了这一数值）。

如图 7 所示，2-GHz 带宽的示波器能够更精确地显示这个时钟信号，同时非常准确地测量上升时间（约 520 ps）。

图7 - 使用2GHz带宽示波器捕获100MHz时钟信号(图片来自网络，侵删)

注意：高带宽示波器必须配同等带宽探头才能测量准确！！！

模拟应用

几年前，大部分示波器厂商都建议您选择带宽比最大信号频率至少高 3 倍的示波器。虽然这个“3X”倍数不适用于数字应用，但是对模拟应用（例如调制射频）来说还是适合的。

要了解这个 3:1 的倍数从何而来，让我们来看一下 1 GHz 带宽示波器的实际频率响应。

图 8 显示了在 Keysight 1 GHz 带宽示波器上测得的扫频响应结果（20 MHz 至 2 GHz）。

如图所示，在 1 GHz 处的输入结果衰减了大约 1.7 dB，正好在 -3 dB 限制范围内（示波器定义带宽）。

要想对模拟信号进行精确测量，您仍需要使用频段一直比较平坦、具有极小衰减的示波器。

在示波器的 1 GHz 带宽中，大约有三分之一的部分几乎没有衰减（0 dB）。但是，并非所有示波器均表现出此类响应。

图8 - 使用Keysight MSO7104B 1-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试(图片来自网络，侵删)

图 9 显示了使用其他厂商的 1.5 GHz 带宽示波器执行扫描频率响应测试。

这个示例是典型的非平坦频率响应。它的响应特征既不属于高斯型，也不属于最大平坦度型。

该响应的图像看起来“高低不平”且呈现多个峰值，会对模拟信号或数字信号带来严重的波形失真。

可惜的是，在示波器的带宽技术指标（3 dB 衰减频率）中没有提到其他频率上的衰减或放大。

信号在示波器带宽的五分之一处衰减了大约 1 dB（10%）。

因此在这种情况下，采用 3X 经验法则并不可取。在购买示波器时，最好选择规范的示波器厂商并要特别注意示波器频率响应的相对平坦度。

图9 - 使用XXX的 1.5-GHz 带宽示波器进行扫描频率响应测试(图片来自网络，侵删)

总结

对于数字应用，您应当选择带宽比设计中的最快时钟速率至少高 5 倍的示波器。但是，如果您需要对信号进行精确的边沿速度测量，则必须先确定信号中的最大实际频率。

对于模拟应用，应当选择带宽比设计中的最高模拟频率至少高 3 倍的示波器。但这个建议仅适用于在较低频段中具有相对平坦的频率响应的示波器。

二、采样率

示波器系统框图如上图所示，被测信号经过前端放大、衰减和信号调理后进行信号采样和数字量化，信号的数字化和采样是通过高速A/D转换器完成的，示波器的采样率就是对输入信号进行A/D转换时采样时钟的频率。

通俗的讲就是采样间隔，每个采样间隔采集一个采样点。比如1GSa/s的采样率，代表示波器具备每秒钟采集10亿个采样点的能力，此时其采样间隔就是1纳秒。

(图片来自网络，侵删)

在进行采样时，一定要遵守奈奎斯特采样原理，才能避免波形失真。奈奎斯特采样原理认为：

对于具有最大频率fmax的信号而言，等距采样频率fs必须比最大频率fmax大两倍，这样才能重建唯一的信号而不产生波形混叠的现象。

(图片来自网络，侵删)

由于奈奎斯特原理的前提是基于无限长时间和连续的信号，但是没有示波器可以提供无限时间的记录长度（示波器能够提供的最大点数，直接受存储深度的影响）；

所以采用最高频率成分两倍的采样速率通常是不够的，实际应用中通常为5倍甚至更高。为了确保测量的准确性，通常要求示波器保持较高的采样率。

目前示波器普遍采用的是实时采样方式。所谓实时采样，就是对被测的波形信号进行等间隔的一次连续的高速采样，然后根据这些连续采样的样点重构或恢复波形。

在实时采样过程中，很关键的一点是要保证示波器的采样率要比被测信号的变化快很多。

大多数示波器会提供几种采样模式供用户选择，常见的有标准采样、平均采样、峰值采样和包络采样。

1、 标准采样

对大多数波形来说，使用标准模式可以产生最佳的显示效果。在一般情况下，如果您对示波器捕获波形的方式没有特殊要求时，可以选择这种方式。

(图片来自网络，侵删)

• 原理：按相等时间间隔对信号采样以重建波形，具体原理图如上图所示。

• 适用场景：对波形捕获模式无特殊要求时使用。

2、 峰值采样

(图片来自网络，侵删)

在该模式下，示波器至少能显示出来与采样周期一样宽的所有脉冲。

• 原理：采集到采样间隔信号的最大值和最小值，具体原理图如上图所示。

• 适用场景：捕获可能丢失的窄脉冲和高频率的毛刺。

• 注意事项：虽然该模式可避免信号混淆，但显示的噪声较大。

3、平均值采样

(图片来自网络，侵删)

• 原理：示波器会对采集的N段波形，将它们按照触发位置对齐，对N段波形进行平均运算，最终得到一段平均后的波形。具体原理图如上图所示

• 适用场景：希望减少波形中的随机噪声并提高垂直分辨率时使用。

• 注意事项：平均次数越高，噪声越小，但波形显示对波形变化的相应也越慢。

4、高分辨率采样

(图片来自网络，侵删)

在该模式下，该模式采用一种超取样技术，对采样波形的邻近点平均，减小输入信号上的随机噪声并在屏幕上产生更平滑的波形。

• 原理：对一段波形中的每N个点求平均，把原来的N个采样点替换成一个平均点来显示。具体原理图如所示。

• 适用场景：通常用于数字转换器的采样率高于采集存储器的存速率的情形，即可提供较较高分辨率、较低带宽的波形。

• 注意事项：“平均”和“高分辨率”模式使用的平均方式不一样，前者为“波形平均”，后者为“点平均”。

对这4种捕获模式的捕获机制与应用特点了解之后，我们来看下它们对同一个输入信号的显示情况。

将捕获模式依次设置为标准、峰值、平均和高分辨率模式，很明显在对比之下，标准捕获模式下，信号噪声适中，峰值捕获模式下，信号的噪声显示比较明显，而平均和高分辨率捕获模式下显示的波形几乎没有随机噪声。

标准采样波形图(图片来自网络，侵删)峰值采样波形图(图片来自网络，侵删)平均采样波形图(图片来自网络，侵删)高分辨率采样(图片来自网络，侵删)

了解了同一输入信号在不同捕获模式下的不同显示效果之后，再来对这四种捕获模式做个异同

总结：

• 对波形捕获模式无特殊要求时，一般使用示波器默认的标准采样；

• 要捕获窄脉冲或高频率的毛刺，选择峰值采样；

• 想减少噪声并提高分辨率，使用平均采样；

• 希望提供较较高分辨率、较低带宽的波形时，选择高分辨率采样。

无论选择了哪种采样方式，根据Nyquist采样定理，都要记住保证采样率至少是被测信号带宽的2倍以上，实际应用中都会选择5倍或者以上，这样更容易捕获的波形的异常信息。

还有一点需要特别注意，大多数示波器都是两通道共用一路ADC模数转换器，当开启双通道测量时，采样率会降半！

三、 储存深度

存储深度（Record Length）也称记录长度，它表示示波器可以保存的采样点的个数。

存储深度如果为“1000000个采样点”则一般在技术指标中会写作“1Mpts”（这里的pts可

以理解为“points”的缩写）。

存储深度表现在物理介质上其实是某种存储器的容量，存储器容量的大小也就是存储深度。

示波器采集的样点存入到存储器里面，当存储器保存满了，老的采样点会自动溢出，示波器不断采样得到的新的采样点又会填充进来，就这样周而复始，直到示波器被触发信号“叫停”，每“叫停”一次，示波器就将存储器中保存的这些采样点“搬移”到示波器的屏幕上进行显示，这两次“搬移”之间等待的时间被称为“死区时间”。

有个形象的比喻，存储器就像一个“水缸”，“水缸”的容量就是“存储深度“

如果使用一个“水龙头”以恒定的速度对水缸注水，水龙头的水流速就是“采样率”，当水缸已经被注满水后，水龙头仍然在对水缸注水，这时候水缸里的水有一部分就会溢出来，但水缸的总体容量是保持不变的。

在示波器测量波形时，有个重要的公式：存储深度=采样率 × 采样时间

对于数字示波器，其最大存储深度是一定的，但是在实际测试中所使用的存储长度却是可变的。

在存储深度一定的情况下，存储速度越快，存储时间就越短，他们之间是一个反比关系。同时

采样率跟时基（timebase）是一个联动的关系，也就是调节时基档位越小采样率越高。

存储速度等效于采样率，存储时间等效于采样时间，采样时间由示波器的显示窗口所代表的时间决定。

譬如当时基选择10μs/div，因为水平轴是10格（有些示波器是12格或14格），因此采样时间为100μs，在1Mpts的存储深度下，当前的实际采样率为1M÷100μs =10 GS/s , 如果存储深度只有250Kpts，那当前的实际采样率就只要2.5GS/s了。

由存储关系式可知，当储存深度固定时，你想获得更高的采样率的话，只能把采样时间调小，

如果你想长时间观察是否有异常信号出现则长的采样时间，这样的话只能降低采样率，低采样率的话可能无法捕获到短暂脉冲的异常信号，二者有点矛盾。

那该怎么办?

很简单，提高储存深度即可，既能保证高采样率又能拥有长采样时间

举个简单的例子，有2台示波器都是100MHz带宽， 1GSa/s采样率，A示波器的存储深度是1Mpts，B示波器的存储深度是100Mpts

如果A示波器用最大采样率1GSa/s，根据储存关系式，它的采样时间只能是1mS，而如果我们需要观察的时间窗口是100mS时，它的采样率会下降到10MSa/s，采样率的下降会对波形的捕获产生失真

B示波器采样时间窗口是100mS时，它的采样率依旧是1GSa/s，没有下降。

很明显示波器B要优于示波器A

(图片来自网络，侵删)

上图中第一个图形表明在采样率足够的前提下，观察多个周期的样本，需要的存储深度很长，

图示中需要36个采样点。第二个图形采样率依然保持方便，但存储深度变小，只有9个采样点，因此只能采样一个周期多点的波形。第三个波形仍然是存储深度很小，只有9个采样点，但仍然要采样和第一个图形一样多个周期的波形，其结果是采样率变小，测量得到的波形就会失真。

对于示波器存储深度这个关键参数，国内示波器厂商是比较良心的，大多数都是28 Mpts起步，多的能达到512 Mpts，而国外知名品牌1G带宽以下示波器存储深度大多数都很小，因此它的最高采样率只能在很短的时间窗口下实现。

注意：示波器标的储存深度都是最大值，当你开启两个通道时每个通道的存储深度只有最大值的一半，同理四通道同时用的话每个通道只有四分之一。

四、 波形更新率

波形刷新率，即波形捕获率，指的是每秒捕获的波形次数，表示为波形每秒（wfms/s）。

事实上，示波器从采集信号到屏幕上显示波形的过程由若干个捕获周期组成。

一个捕获周期由采样时间和死区时间组成。

采样时间指的是模拟信号转化为数字信号并存储的过程。

死区时间指的是示波器对采样存储回来的数字信号进行测量运算，显示等处理的过程。其中死区时间内示波器不进行采集。

由此可知，死区时间的大小将影响捕获周期的长短进而影响波形刷新率的高低。如下图所示：

不同刷新率对死区时间的影响(图片来自网络，侵删)

从图中可知，波形刷新率更高的示波器，拥有更短的死区时间，也就有着更高的几率捕获到波形中低概率的异常信号。

而低刷新率示波器由于死区时间较长，对于低概率的异常信号需要很长的时间才能捕获。这就是有些时候电路明明有故障而示波器上的波形却看似完全正常的原因。

总之，波形更新率越高越好，越能捕获到异常信号！

五、总结

带宽、采样率、存储深度和波形更新率作为示波器最重要的指标参数，根据自己系统需求选择示波器，这里做一下总结

带宽：至少是系统最高信号频率的5倍

采样率：至少是带宽的4~5倍及以上

储存深度：越大越好

波形更新率：越大越好

关于示波器选择，主要有进口知名品牌泰克、安捷伦、力科、罗德施瓦茨和国产厂商普源、ZLG、鼎阳、优利德等，国产示波器主要集中在中低端2G带宽以内，功能全面，性价比高，如果预算有限可以优先考虑国产示波器。进口示波器带宽可达上百G，当然价格特别感人，好几百万大洋！

同样带宽的示波器，进口的价格可能要国产示波器的2~3倍，而且很多选件都是要另外付费购买的。

总之，预算有限，考虑性价比，优选国产示波器，如果你是土豪，那就直接进口示波器啦！！！