示波器是设计和测试电子设备和器件最常用的工具。它们在判定系统器件是不是正常方面扮演很重要的角色，而且还能帮助确定新设计的元器件是否按照预想的方式来进行工作。示波器的功能远比数字万用表更强大，因为它们能观察电子信号的实际情况。
本文简要介绍示波器原理，了解什么是示波器，以及如何操作示波器。我们将会探讨示波器的应用，并概括介绍其基本的测量和性能特征。本文还将介绍不一样的探头，并讨论它们的优缺点。
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通过连接接地钩和探针，在内置方波发生器端口测试和调试探头。如果波形图不是静态的，可稍微调整触发电平使其保持稳定。
如需要，通过调节探头螺丝来调整探头内置的补偿电容器，直到方波的角度合适。如果您的示波器有自动调节功能的话，可以直接用“调节”按钮。
不要忘记使用示波器的显示控制功能将波形居中显示，并依据需求放大或缩小。
示波器的主要用途是显示电子信号。通过观察示波器上显示的信号，能确定电子系统的某个元器件是否在正常工作。因此，要想了解示波器的工作方式，必须先要了解信号的基本示波器原理。
幅度 -在工程应用中常常使用的幅度定义主要有两个。第一种通常称为峰值幅度，定义为干扰信号的最大位移量。第二种是均方根（RMS）幅度。要计算波形的 RMS 电压，必须将波形值平方并求出平均电压，然后再求平方根。对正弦波来说，RMS 幅度等于峰值幅度的 0.707 倍。
相移 -相移是指两个其他条件都相同的波形之间的水平位移量，以度或弧度为单位。正弦波的周期以 360 度来表示。因此，如果两个正弦波相差半个周期，那么它们的相对相移就是 180 度。
频率 -每个周期性波形都有一个频率。频率是指波形在一秒内重复出现的次数（若使用 Hz 为单位）。频率与周期互为倒数。
波形是指波的形状或图像。波形能够给大家提供许多有关信号的信息，例如，它可以告知电压是否突然发生改变、呈线性变化或保持不变。标准的波形有很多种，本节仅介绍最常遇到的几种。
正弦波 -正弦波通常与交流（AC）电源有关，例如屋内的电源插座。正弦波的峰值幅度并非一直恒定，如果峰值幅度会跟着时间不断地下降，我们就称这种波形为阻尼正弦波。
方波 / 矩形波 -方波会在两个不同的值之间周期性地跳动，因此在高点和低点部分的长度会相等。矩形波不同的地方在于高、低点部分的长度并不相等。
三角波 / 锯齿波 -在三角波中，电压会跟着时间呈线性变化。它的信号边沿称为斜波，是因为其波形会斜升或斜降到某个电压。由于锯齿波前面或后面的信号沿会跟着时间产生线性的电压响应，所以看起来与三角波类似。但对面的信号沿几乎是立即下降的。
脉冲 -脉冲是指忽然出现在固定电压中的干扰，就像在一个房间中突然打开电灯，然后迅速熄灭电灯的情形。一连串的脉冲被称为脉冲串。延续前面的比喻，这就好比不断重复快速开灯与关灯的动作一样。脉冲是信号中常见的毛刺或错误波形。如果信号只传送一条信息，那么脉冲也可看作是一个波形。
波形也可以是以上各种波形的混合。它们不一定要具备周期性，还能够是很复杂的波形。
模拟信号代表给定范围内的任意值。不妨想象一下模拟时钟，时针每隔 12 个小时旋转 1 周。在此期间，时针一直不断移动，不会出现读值跳动或不连续的情形。现在将它与数字时钟比较一下。数字时钟仅显示小时和分钟，因此是以分钟作为间隔时间。它会一下子从 11:54 跳至 11:55。数字信号同样具备离散和量化的特性。通常，离散信号具有两个可能的值（高或低，1 或 0 等），因此信号会在这两个可能的值之间上下跳动。
一般，现代示波器的外观与图 8 中的示波器相似。然而示波器种类非常之多。尽管如此，大多数示波器都具备一些基本特性。多数示波器的前面板大致可分为几个区域：通道输入、显示屏、水平控制、垂直控制以及触发控制。如果示波器未配备 Microsoft Windows 操作系统，那么它非常有可能会提供一组功能键，用于控制屏幕上的菜单。
可以通过通道输入接头（即插入到探头的连接器）把信号发送到示波器中。显示屏是用来显示这些信号的屏幕。水平和垂直控制区域包含了一些旋钮和按键，可用于控制在显示屏上的信号的水平轴（通常表示时间）和垂直轴（通常表示电压）。触发控制支持对示波器进行设置，确定在何种条件下时基可以执行采集任务。
如图所示，许多示波器都拥有与个人计算机相同的连通性，包括光盘驱动器、CD-RW 驱动器、DVD-RW 驱动器、USB端口、串行端口，以及外部监测器、鼠标和键盘输入等。
示波器是一种测试与测量仪器，可显示某个变量与另一个变量之间的关系。例如，它可以在显示屏上绘制一个电压（y 轴）—时间（x 轴）图。图 10 显示了一个图表示例。若需要测试某个电子器件是不是正常工作，这项功能会很有用。如果知道移除该器件之后信号的波形会发生啥变化，就可通过示波器来查看这个器件是否在输出正确的信号。
请注意，x 轴和 y 轴会以网格线分成一些格子。可通过这种网格线执行手动测量，但新型示波器能自动执行大多数的测量，并且得到更精确的结果。
示波器的功用不只是绘制电压—时间图。示波器提供多个输入（也称通道），每个通道都能独立工作。因此，可以将通道 1 连接到某个器件，并将通道 2 连接到另一个器件。随后，示波器可以绘出通道 1 与通道 2 分别测得的电压之间的比较图。该模式称为示波器的 XY 模式，适用于绘制 I-V 图或李萨如（Lissajous）图。
根据李萨如（Lissajous）图的形状可以得知两个信号之间的相位差与频率比。图 11 显示了李萨如（Lissajous）图及其代表的相位差/频率比。
凡是需要测试或应用电子信号的公司几乎都会用到示波器。因此，示波器的应用场景范围极为广泛：
– 示波器也可用于一致性测试。例如，用于确保 USB 和 HDMI 的输出符合某些标准。
示波器的用途十分广泛，以上只是其中的几种。它的确是一种功能强大的通用仪器。
通常，一定要使用前面板上的旋钮和按键来操作示波器。除了前面板上提供的控制以外，许多高端示波器现在还配有操作系统，因此能像计算机一样来操作。可以为示波器连接鼠标和键盘，并使用鼠标通过显示屏上的下拉式菜单和按键来调整控制。此外，有些示波器还配有触摸屏，只需通过触笔或指尖就能访问菜单。
当第一次使用示波器时，请先检查要使用的输入通道是不是已经打开。然后找到并按下 [Default Settings]，使示波器恢复到默认状态。接着再按下 [Autoscale] 键，自动设定垂直和水平刻度，以便在显示屏上完美地呈现波形。以此作为起点，然后再做些必要的调整。如果无法追踪到波形或在显示波形方面出现困难，请重复以上步骤。大部分示波器的前面板都至少包括四个主要区域：垂直和水平控制，触发控制以及输入控制。
示波器的垂直控制结构通常集中在一个标示为 Vertical 的区域内，这些控制结构能调整显示屏的垂直刻度。例如，其中有一个控制机构可以指定显示屏网格的 y 轴上的每格（刻度）电压。能够最终靠降低每格电压来放大显示波形，或提高每格电压来缩小显示波形。其他的还有一个控制机构能调整波形的垂直偏移，它可以让整个波形在显示屏上往上或往下平移。图 16 是Keysight InfiniiVision 2000 X 系列示波器的垂直控制区域。
示波器的水平控制机构通常集中在前面板上标示为 Horizontal 的区域。这些控制机构能调整显示屏的水平刻度。其中有一个控制机构可以指定 x 轴的每格时间。同样，只要减少每格时间，就可以放大显示较窄时间范围内的波形。其他的还有一个控制机构可调整水平延迟（偏置），它可以扫描一个时间范围。图 17 是Keysight InfiniiVision 2000 X 系列示波器的水平控制区域。
如前所述，在信号上进行触发有助于显示一个稳定、可用的波形，并可查看感兴趣的波形部分。触发控制可选择垂直触发电平（例如希望示波器触发时所在的电压）和不同的触发功能。常见的触发类型包括：
边沿触发是最常见的一种触发模式。当电压越过某个阈值时，触发就会发生。可以再一次进行选择在上升沿或下降沿触发。图 18 是在上升沿触发的图形显示。
在毛刺触发模式下，当事件或脉冲宽度大于或小于指定的时间长度时就会进行触发。这项功能对于发现随机毛刺或错误很有用。如果这些毛刺不常出现，可能会特别难看到，但只要使用毛刺触发就可以捕获到许多这类错误。图 19 是Keysight InfiniiVision 6000 系列示波器捕获到的一个毛刺。
当寻找特定脉冲宽度时，脉冲宽度触发与毛刺触发类似。但这项触发功能更普遍，因为能在任何指定宽度的脉冲上触发，并可选择想要在脉冲的哪个极性（负或正）上触发。也可以设定触发的水平位置，以观察触发前后所发生的事。例如，可以执行毛刺触发来找出错误，然后查看触发前的信号以了解造成毛刺的原因。如果将水平延迟设置为 0，则触发事件将会以水平方向出现在屏幕中间。在触发之前发生的事件会出现在屏幕的左边，在触发之后立即发生的事件会出现在右边。也可设为触发耦合，以及想要触发的输入信号源。不一定非得在信号上触发，而是还可以在相关的信号上触发。图 20 是示波器前面板的触发控制区域。
示波器通常提供 2 或 4 个模拟通道。这些通道会加以编号，而且每个通道通常会对应一个相关的按键，供打开或关闭通道。另外，也可以再一次进行选择指定的交流或直流耦合。若选择直流耦合，则输入整个信号。反之，交流耦合会阻隔直流分量，并将波形的中心设在大约 0 V（接地）。此外，还能够最终靠选择键为每个通道指定探头阻抗。也能够最终靠输入控制机构选择采样类型。信号的采样有两种基本的方法：
实时采样会对波形进行频繁的采样，因此在每次采集时都能捕获到完整的波形图像。借助实时采样功能，当前的一些高性能示波器能够单次捕获高达 33-GHz 带宽的信号。
等效时间采样必须历经多次采集才能建立波形。它会在第一次采集时采样信号的某个部分，在第二次采集时采样另一部分，依此类推。随后它会将所有的信息结合在一起以重建波形。等效时间采样适用于高频信号，这些信号对实时采样来说速度太快（33 GHz）。
可以在未配备 Windows 操作系统的示波器上找到一些功能键（如图 8 所示），利用这些功能键来访问示波器显示屏上的菜单系统。图 21 列举了按下功能键时弹出的一种快捷菜单。该菜单用于选择触发模式。可以连续按动多功能键以切换不同的选项，或者利用前面板上的旋钮转到想要的选项。
图 21. 在触发菜单下，按下功能键时出现的 Trigger Type（触发类型）菜单。
数字示波器能支持执行广泛的波形测量，测量的复杂程度和范围取决于示波器的功能组合。图 22 是Keysight 8000 系列示波器的空白屏面。请注意，在屏幕的最左边有一排测量按键 / 图标，使用鼠标将这些图标拖曳到波形上，示波器便可计算出测量结果。这些图标非常直观地显示了可以执行哪一种测量计算，因此用起来非常方便。
图 24. 上升时间示例（显示峰峰值电压从 0% 到 100% 所需的时间，而不是通常设置的 10% 到 90%）
上升时间 - 这项测量旨在计算信号从低电压上升到高电压所花的时间。通常是计算波形从峰峰值电压的 10% 变到 90% 所用的时间。上升时间是上限阈值上的时间减去正在测量的边缘的下阈值上的时间。下降时间相似，即下阈值上的时间减去正在测量的边缘的上限阈值上的时间。
一旦已采集到信号并将其显示在示波器上，下一步通常是在波形上做测量。示波器现在具备极其丰富内置测量功能，能迅速分析波形。这些基本测量的范例包括：
脉宽是从第一个上升沿的中间阈值到下一个下降沿的中间阈值的时间。在进行正脉宽测量时，计算脉冲宽度的方法是，计算波形从峰峰值电压的 50% 上升到最大电压再回落到 50% 所需的时间。负脉宽测量则是计算波形从峰峰值电压的 50% 降到最小电压再回到 50% 所需的时间。
这是波形显示幅度的测量。通常也可测量峰峰值电压、最大电压、最低电压以及平均电压。
周期 / 频率：周期定义为中间阈值两次连续交叉点电压之间的时间。频率定义为 1/周期。
以上是许多示波器都会提供的测量项目，但大多数示波器所能执行的测量并不仅限于此。
除了前面讨论的测量功能以外，还可以针对波形执行许多数学运算，包括：包括：
- 加减运算 - 可通过加减运算将多个波形相加或相减，并示出运算结果所产生的信号。
示波器的许多特性都会明显影响仪器的性能，进而决定对设备做出准确测试的能力。本节介绍这些最基本的特性，也会帮助熟悉示波器的术语，并说明如何明智地挑选最符合需求的示波器。
带宽是示波器的一项最重要特性，因为它表示了示波器在频域内的具体范围。换言之，带宽决定了能够准确显示与测试的信号范围（以频率表示）。带宽以赫兹为测量单位。只有少数的带宽，示波器将无法准确再现真实的信号。
通道是指示波器的独立输入。示波器通道的数量介于 2 到 20 个之间，通常是 2 或 4 个。通道所传送的信号类型也不完全一样。有些示波器只具有模拟通道（这些仪器称为 DSO――数字信号示波器），另一些示波器同时具有模拟通道和数字通道，称为混合信号示波器（MSO）。例如， Keysight InfiniiVision 系列 MSO 提供 20 个通道，其中 16 个是数字通道，4 个是模拟通道。请确保有足够的通道供应用使用。如果只有两个通道，但必须同时显示 4 个信号，显然会出问题。
示波器的采样率是指每秒可采集的样本数量。建议选择采样率至少比带宽大 2.5 倍的示波器，但采样率最好为带宽的 3 倍以上。
如前所述，数字示波器使用 A/D（模拟 /数字）转换器对输入的波形进行数字转换，经数字转换的数据会存储到示波器的高速存储器中。存储深度是指可以存储的采样或数据点的数量，也就应该存储数据的时间长度。在理想条件下，不论示波器如何设置，采样率都应维持不变。但这样的示波器在很大的每格时间（时间 / 格）设置下需要相当大存储器，而其售价将会超出许多客户所能负担的范围。实际上，只要增加时间范围，采样率便会下降。存储器深度至关重要，因为示波器的存储器深度越大，以全采样速率来采集波形的时间就越久。我们大家可以用数学算式来表示：存储器深度 =（采样率）（显示屏的时间设置范围）。因此，如果想在较长的时间范围内显示高分辨率数据点，那么就需要用深存储器。确认示波器在最深的存储器深度设置时的性能也很重要。在此模式下示波器的性能通常会急剧下降，因此许多工程师只有在必要的时候才会使用深存储器。
捕获率是指示波器采集和更新波形显示的速率。虽然肉眼上看上去很像示波器正在显示“作用中”的波形，但那是因为更新的速度太快，以致肉眼无法察觉到变化。事实上，每次波形采集之间都一定会出现一段静寂时间（也称死区时间）（见图 28），此时波形的某个部分并不会显示在示波器上。因此，如果在最近一段时间出现一些偶发事件或毛刺，是不会看见的。显而易见，快速的捕获率很重要。捕获率越快，意味着死区时间越短，可捕获到偶发事件或毛刺的机率就越高。
示波器决定着显示信号和分析信号的准确程度，而用来连接示波器与被测件（DUT）的探头则与信号完整息相关。若使用的是 1 GHz 的示波器，但探头却只支持 500 MHz 的带宽，那么将无法充分的利用示波器的带宽。本节讨论探头的类型及每种探头所适合的应用。
没有任何一个探头可以完美地复制信号，因为当把探头连接到电路上时，探头就会变成该电路的一部分。电路中的部分电能会流经探头，我们叫做负载。负载共有三种：电阻、电容和电感。
电阻负载会造成显示的信号出现错误的幅度，也可能在连接探头时导致故障的电路开始发生作用。探头的电阻最好比信号源电阻大 10 倍以上，以便使幅度降低到 10% 以下。
电容负载会导致上升时间变慢，并使带宽变小。为减少电容负载，探头的带宽至少应是信号带宽的 5 倍。
电感负载在信号中会以振铃形式出现。它是由探头接地导线的电感效应引起的，因此请尽可能选用最短的导线。
无源探头只包含无源器件，不需要用电源便可运行。这类探头在探测带宽小于 600 MHz 的信号时很有用，一旦超过这个频率，就需使用另一种探头（有源探头）。无源探头通常价格较低，且兼具易于使用和坚固耐用的特性。它是一种精确的多功能探头。无源探头的种类包括低阻分压探头、补偿探头、高阻分压探头及高电压探头。无源探头通常会产生高电容负载和低电阻负载。
使用有源探头时，一定要通过电源对探头内部的有源器件供电。有时，探头会通过 USB 电缆连接、外部机箱或示波器主机供电。这类探头使用有源器件来放大或调整信号。有源探头可支持更高的信号带宽，因此很适合高性能的应用。有源探头的价格要比无源探头高出许多，不但耐用性差，探针也比较重。但这类探头能够给大家提供最佳的电阻和电容负载组合，并可测试更高频率的信号。
电流探头可用来测量流经电路的电流，它们通常体积较大，且带宽有限（100 MHz）。
有多种不一样的种类的示波器探头可用于特定类型的测量，但今天将使用的探头是最常用的探头类型，称为 10:1 无源电压探头。“无源”仅意味着此类型的探头不包括任何“有源”组件，如晶体管和放大器。“10:1”意味着此探头将以 10 为常量衰减示波器输入中接收的输入信号。
使用标准的 10:1 无源探头时，应在信号测试点与地面之间执行所有的示波器测量。换句话说，必须将探头的接地夹接地。若被测点是浮地的，我们不建议使用此类探头直接测量电路中组件之间的相对电压。若需要测量未接地组件内的电压，则在使用示波器的两条通道相对于地面测量组件两端的信号时，能够正常的使用示波器的减法数学函数，或者能够正常的使用特殊的差分有源探头。另外还应注意，绝不应使示波器的部件成为被测电路功能结构的一部分。
图 3 显示了使用示波器的默认 1 MΩ 输入选择 （这是使用此类探头时必需的）连接到示波器时的 10:1 无源探头的电子模型。请注意，许多较高带宽的示波器还具有用户可选择的 50 Ω 输入端子选择，这种选择通常用于有源探头端子和／或使用 50 Ω BNC 同轴电缆从 50 Ω 电源直接输入信号时。
18 按光标旋钮；然后旋转此旋钮，直到“X1”突出显示；接着再次按此旋钮做出合理的选择 （如果不是在旋转选中“X1”光标后第二次按此旋钮，有极大几率会出现超时现象，随后 X1 光标将自动被选中，且该菜单将关闭）。
19 旋转光标旋钮，直到 X1 光标 （#1 定时标识）在特定电压电平下与正弦波的某一上升沿相交。提示：在波形的某一点对齐光标，波形在该点与某一水平网格线 再次按光标旋钮；旋转此旋钮直到“X2”突出显示；然后再次按此旋钮进行选择。
21 旋转光标旋钮，直到 X2 光标 （#2 定时标识）在相同电压电平下与正弦波的下一上升沿相交。
22 再次按光标旋钮；旋转此旋钮直到“Y1”突出显示；然后再次按此旋钮进行选择。
请注意，显示屏顶部附近“填充的”橙色三角形指示触发时间点 (0.0 s) 所在的位置。如果调整水平延迟／位置，此橙色三角形会从中心屏幕移走。中心屏幕上的“空心”橙色三角形 （仅在延迟／位置不是 0.0 s 时才可见）指示使用示波器的默认“中心”参考时延迟设置的时间位置。
增加触发电平电压设置时，应观察到正弦波在一段时间内会向左侧移动。如果减少触发电平电压设置，则正弦波会向右侧移动。最初旋转触发电平旋钮时，水平的橙色触发电平指示器将出现，实际触发电压设置始终显示在示波器显示屏的右上角。如果停止旋转触发电平旋钮，则橙色触发电平指示器将超时，且在几秒钟后会消失。但是，左侧的波形格线区域外侧仍会显示一个黄色的触发电平指示器，以指示触发电平相对于波形的设置位置。
10 旋转触发电平旋钮，以将触发电平设置为恰好 500 mV（在中心屏幕上 1 格）。请注意，实际触发电平显示在显示屏的右上角。
现在，正弦波应反转 180 度，波形的下降沿将与中心屏幕同步，如图 13 所示。
12 增加触发电平电压设置，直到橙色电平指示器位于正弦波正峰上方 （大约 +1.5 V）。在正弦波上方设置触发电平时，示波器的采集和显示 （重复图片获取）不再与输入信号同步，因为示波器在此特定触发电平设置下找不到任何边沿交叉。示波器的显示屏现在与图 14 类似。示波器现在处于“自动触发”模式下。
示波器基本实验 #5：补偿 10:1 无源探头既然已完成了此示波器培训指南中的前四个实验，应该在某些特定的程度上熟悉了怎么样去使用示波器进行基本电压和定时测量，让我们回过头来再次讨论探测。在本指南的入门部分中，我们简要讨论了探测，并显示了 10:1 无源探头和示波器的输入组合的电子输入模型。探头和示波器的此电子模型在此处再次显示在图 20 中。
10 使用小的“一字”螺丝刀，调整位于每个探头主体上的可变电容器。请注意，
图 22 显示了通道 1 探头（黄色波形）补偿过度的示例，以及通道 2 探头（绿色波形）欠补偿的示例。如果没有观察到近乎完美的方波，则应重新调整探头上的探头补偿，直到示波器上的波形与图 21 类似。
正确调整探头后，只要在此示波器上接着使用这些探头，在下次使用示波器时应该就不要重新调整它们了。
此时，已完成了本实验的实践部分。如果赶时间，并需要完成本章中最后一个实验，则应跳到实验 #6，然后读取本实验后面其余部分的内容。
如果面临挑战，请使用以下假设条件计算正确补偿所需的补偿电容 (C comp) 数量：
10 按频率软键，然后旋转 Entry 旋钮增加或减少频率。请注意，最大频率设置为 20.00 MHz。
请注意，选择方波后，还可以微调占空比。选择脉冲后，可以微调脉冲宽度。从此时开始，可能不会将发生器的输出直接连接到示波器中了。可能会将发生器的输出连接到电路的输入。随后，将使用带有探头的示波器监视电路的输入和输出。
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