示波器，“人”如其名，就是顯示波形的機器，它還被譽為“電子工程師的眼睛”。它的核心功能就是為了把被測信號的實際波形顯示在屏幕上，以供工程師查找定位問題或評估系統(tǒng)性能等等。

示波器分為模擬示波器和數(shù)字示波器，本文主要介紹現(xiàn)在常用的數(shù)字示波器幾個最關鍵的參數(shù)，全文八千字，enjoy?。。?p>

目錄

一、帶寬

二、采樣率

三、儲存深度

四、波形更新率

五、總結

六、入門級示波器推薦

一、帶寬

帶寬是示波器最關鍵的技術指標！?。?p>很多人認為測量多高頻率的信號就用多高帶寬的示波器，這是個嚴重誤區(qū)。

示波器中的模擬通道，簡化來看就是個低通濾波器，它對頻率越高的信號衰減越多，一般會把信號功率衰減了-3dB的頻率，定義為示波器的帶寬

大多數(shù)帶寬技術指標在 1 GHz 及以下的示波器通常會出現(xiàn)高斯響應，并在 -3 dB 頻率的三分之一處表現(xiàn)出緩慢下降特征。如圖 2 所示，帶寬技術指標大于 1 GHz 的示波器通常擁有最大平坦頻率響應。這類響應通常在 -3 dB 頻率附近顯示出具有更尖銳下降特征、更為平坦的帶內響應。

圖1 示波器的高斯頻率響應(圖片來自網絡，侵刪)圖2 示波器最大平坦度頻率響應(圖片來自網絡，侵刪)

衰減的—3dB 是按信號功率計算的，相當于信號的功率增益下降為原來的一半。示波器測量的是電壓信號，根據(jù)公式P=U×U/R功率與電壓的平方成正比，所以—3dB 相當于示波器電壓的增益隨著頻率的增加下降到原來的0.707 倍。

如果你用一個100MHz帶寬的示波器去測量一個1MHz、峰峰值為1V的正弦波信號，測出來的電壓峰峰值就是1V，當你去測量100MHz、峰峰值為1V的正弦波信號時，測出來的峰峰值為0.7V左右，相當于測量誤差有30%，大的驚人！??！

那么究竟需要多少帶寬的示波器呢？ 取決于你的應用場合

數(shù)字應用

數(shù)字電路中時鐘和數(shù)據(jù)信號都是邊沿上升時間很短的方波信號，按照工程應用經驗，示波器帶寬至少應該比信號最高頻率高5倍的帶寬才能保證測量信號的最小幅度衰減，并且能捕獲到其5次諧波成分。

這是為什么呢？

根據(jù)傅里葉變換可知，方波可以分解為奇次倍數(shù)頻率的正弦波。譬如1MHz的方波，是由1MHz，3 MHz，5 MHz，7 MHz……等正弦波疊加而成

在圖 3 中，黃色跡線顯示了原始的真實信號，這個信號用作參考信號。如果仔細查看每一個諧

波，您會看到一次諧波（綠色跡線）的周期和占空比跟原始信號相同，但其上升沿較慢，拐角更圓滑。而在捕獲一、三和五次諧波（紅色跡線）時，您可以看到波形的拐角更銳利，顯露出更多的信號細節(jié)。

圖 3. 示例顯示了包含一定程度諧波的信號在示波器屏幕上是什么樣子的(圖片來自網絡，侵刪)

究竟需要多高帶寬的示波器，最好的方法是確定你數(shù)字信號中出現(xiàn)的最高頻率，注意這個并不

是最高時鐘頻率，最高頻率應該由于數(shù)字系統(tǒng)中最快的邊沿速度來決定的，所以你首要任務是確定你所設計的數(shù)字系統(tǒng)信號的最快上升和下降時間。

第一步：確定最快的邊沿速度 計算fknee拐點頻率

Howard W. Johnson 博士在《High-speed Digital Design – A Handbook of Black Magic》一書中指出，可以使用一個簡單的公式來計算最大的“實際”頻率分量。

他將這個頻率分量稱為 " 拐點 " 頻率 (fknee)。所有快速邊沿都有無窮多的頻率分量。然而，在快速邊沿的頻譜圖中有一個曲折點（或“拐點”），此處高于 fknee 的頻率分量對于確定信號的波形影響。

對于上升時間按照 10% 至 90% 準則計算的信號，fknee 等于 0.5 除以信號的上升時間。

對于上升時間按照 20% 至 80% 準則計算的信號，fknee 等于 0.4 除以信號的上升時間。

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

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

注：RT為信號上升時間

第二步，計算示波器帶寬

根據(jù)在測量上升時間和下降時間時希望達到的精度，確定測量信號所需要的示波器帶寬。表 1 列出了決定示波器（具有高斯頻率響應或最大平坦度頻率響應）測量精度的多個乘積系數(shù)。

請記住，大多數(shù)帶寬技術指標為 1 GHz 及以下的示波器通常具有高斯型響應，而大多數(shù)帶寬高于 1 GHz 的示波器具有最大平坦度型響應。

來舉個簡單例子幫助理解

通過近似高斯頻率響應測量 500 ps 上升時間（10-90%），確定示波器的最小必需帶寬

如果信號具有近似 500 ps 的上升 / 下降時間（基于 10% 至 90% 標準），那么信號中的最大實際頻率分量（fknee）將大約等于 1 GHz。

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

根據(jù)表1，如果在對信號進行實際的上升時間和下降時間測量時，您能夠容忍最多 20% 的計時誤差，那么可以使用 1 GHz 帶寬示波器用于數(shù)字測量應用。

但是如果需要 3% 左右的計時精度，則最好使用 2 GHz 帶寬的示波器。

帶寬越高測量誤差越?。。?！

下面來看看不同帶寬的示波器測量同一個時鐘的不同效果

圖 4 顯示了使用 100 MHz 帶寬示波器對邊沿速度（10% 至 90%）為 500 ps 的 100 MHz 數(shù)字時鐘信號進行測量獲得的波形結果。如圖所示，示波器僅允許該時鐘信號的 100 MHz 基本波形通過，從而將時鐘信號顯示為近似正弦波。

對于許多采用 8 位 MCU 且時鐘速率在 10 MHz 至 20 MHz 之間的設計，使用 100 MHz 示

波器進行測量就足以滿足需要；但要測量 100 MHz 時鐘信號，100 MHz 帶寬示波器就無能為力了。

圖4：使用100MHz帶寬示波器捕獲100MHz時鐘信號(圖片來自網絡，侵刪)

500 MHz 帶寬示波器能夠捕獲 5 次諧波，因而成為我們首選推薦的解決方案（如圖 5 所示）。

但是當測量上升時間時，我們看到示波器測得的結果為大約 800 ps。

在這種情況下，示波器無法非常精確地測量此信號的上升時間。示波器實際上測量的是接近于自身上升時間（700 ps）的目標，而不是輸入信號的上升時間（500 ps 左右）。

如果在這個數(shù)字測量應用中計時測量非常重要的話，我們需要使用更高帶寬的示波器。

圖5 - 使用500MHz帶寬示波器捕獲100MHz時鐘信號(圖片來自網絡，侵刪)

借助 1 GHz 帶寬示波器，我們可以獲得更精確的信號圖形（如圖 6 所示）。當測量上升時間時，我們看到示波器測得的結果大約為 600 ps。

這個測量為我們提供大約 20% 的測量精度，是一種備受歡迎的測量解決方案，特別適合預算緊張的狀況。但是這種測量也未必能夠涵蓋全部的應用范疇。

圖6 - 使用1 GHz帶寬示波器捕獲100MHz時鐘信號(圖片來自網絡，侵刪)

如果想要以超過 3% 的精度和 500 ps 的邊沿速度對信號進行測量，我們確實需要使用 2 GHz 及以上帶寬的示波器（通過之前的示例確定了這一數(shù)值）。

如圖 7 所示，2-GHz 帶寬的示波器能夠更精確地顯示這個時鐘信號，同時非常準確地測量上升時間（約 520 ps）。

圖7 - 使用2GHz帶寬示波器捕獲100MHz時鐘信號(圖片來自網絡，侵刪)

注意：高帶寬示波器必須配同等帶寬探頭才能測量準確！?。?p>

模擬應用

幾年前，大部分示波器廠商都建議您選擇帶寬比最大信號頻率至少高 3 倍的示波器。雖然這個“3X”倍數(shù)不適用于數(shù)字應用，但是對模擬應用（例如調制射頻）來說還是適合的。

要了解這個 3:1 的倍數(shù)從何而來，讓我們來看一下 1 GHz 帶寬示波器的實際頻率響應。

圖 8 顯示了在 Keysight 1 GHz 帶寬示波器上測得的掃頻響應結果（20 MHz 至 2 GHz）。

如圖所示，在 1 GHz 處的輸入結果衰減了大約 1.7 dB，正好在 -3 dB 限制范圍內（示波器定義帶寬）。

要想對模擬信號進行精確測量，您仍需要使用頻段一直比較平坦、具有極小衰減的示波器。

在示波器的 1 GHz 帶寬中，大約有三分之一的部分幾乎沒有衰減（0 dB）。但是，并非所有示波器均表現(xiàn)出此類響應。

圖8 - 使用Keysight MSO7104B 1-GHz 帶寬示波器進行掃描頻率響應測試(圖片來自網絡，侵刪)

圖 9 顯示了使用其他廠商的 1.5 GHz 帶寬示波器執(zhí)行掃描頻率響應測試。

這個示例是典型的非平坦頻率響應。它的響應特征既不屬于高斯型，也不屬于最大平坦度型。

該響應的圖像看起來“高低不平”且呈現(xiàn)多個峰值，會對模擬信號或數(shù)字信號帶來嚴重的波形失真。

可惜的是，在示波器的帶寬技術指標（3 dB 衰減頻率）中沒有提到其他頻率上的衰減或放大。

信號在示波器帶寬的五分之一處衰減了大約 1 dB（10%）。

因此在這種情況下，采用 3X 經驗法則并不可取。在購買示波器時，最好選擇規(guī)范的示波器廠商并要特別注意示波器頻率響應的相對平坦度。

圖9 - 使用XXX的 1.5-GHz 帶寬示波器進行掃描頻率響應測試(圖片來自網絡，侵刪)

總結

對于數(shù)字應用，您應當選擇帶寬比設計中的最快時鐘速率至少高 5 倍的示波器。但是，如果您需要對信號進行精確的邊沿速度測量，則必須先確定信號中的最大實際頻率。

對于模擬應用，應當選擇帶寬比設計中的最高模擬頻率至少高 3 倍的示波器。但這個建議僅適用于在較低頻段中具有相對平坦的頻率響應的示波器。

二、采樣率

示波器系統(tǒng)框圖如上圖所示，被測信號經過前端放大、衰減和信號調理后進行信號采樣和數(shù)字量化，信號的數(shù)字化和采樣是通過高速A/D轉換器完成的，示波器的采樣率就是對輸入信號進行A/D轉換時采樣時鐘的頻率。

通俗的講就是采樣間隔，每個采樣間隔采集一個采樣點。比如1GSa/s的采樣率，代表示波器具備每秒鐘采集10億個采樣點的能力，此時其采樣間隔就是1納秒。

(圖片來自網絡，侵刪)

在進行采樣時，一定要遵守奈奎斯特采樣原理，才能避免波形失真。奈奎斯特采樣原理認為：

對于具有最大頻率fmax的信號而言，等距采樣頻率fs必須比最大頻率fmax大兩倍，這樣才能重建唯一的信號而不產生波形混疊的現(xiàn)象。

(圖片來自網絡，侵刪)

由于奈奎斯特原理的前提是基于無限長時間和連續(xù)的信號，但是沒有示波器可以提供無限時間的記錄長度（示波器能夠提供的最大點數(shù)，直接受存儲深度的影響）；

所以采用最高頻率成分兩倍的采樣速率通常是不夠的，實際應用中通常為5倍甚至更高。為了確保測量的準確性，通常要求示波器保持較高的采樣率。

目前示波器普遍采用的是實時采樣方式。所謂實時采樣，就是對被測的波形信號進行等間隔的一次連續(xù)的高速采樣，然后根據(jù)這些連續(xù)采樣的樣點重構或恢復波形。

在實時采樣過程中，很關鍵的一點是要保證示波器的采樣率要比被測信號的變化快很多。

大多數(shù)示波器會提供幾種采樣模式供用戶選擇，常見的有標準采樣、平均采樣、峰值采樣和包絡采樣。

1、 標準采樣

對大多數(shù)波形來說，使用標準模式可以產生最佳的顯示效果。在一般情況下，如果您對示波器捕獲波形的方式沒有特殊要求時，可以選擇這種方式。

(圖片來自網絡，侵刪)

• 原理：按相等時間間隔對信號采樣以重建波形，具體原理圖如上圖所示。

• 適用場景：對波形捕獲模式無特殊要求時使用。

2、 峰值采樣

(圖片來自網絡，侵刪)

在該模式下，示波器至少能顯示出來與采樣周期一樣寬的所有脈沖。

• 原理：采集到采樣間隔信號的最大值和最小值，具體原理圖如上圖所示。

• 適用場景：捕獲可能丟失的窄脈沖和高頻率的毛刺。

• 注意事項：雖然該模式可避免信號混淆，但顯示的噪聲較大。

3、平均值采樣

(圖片來自網絡，侵刪)

• 原理：示波器會對采集的N段波形，將它們按照觸發(fā)位置對齊，對N段波形進行平均運算，最終得到一段平均后的波形。具體原理圖如上圖所示

• 適用場景：希望減少波形中的隨機噪聲并提高垂直分辨率時使用。

• 注意事項：平均次數(shù)越高，噪聲越小，但波形顯示對波形變化的相應也越慢。

4、高分辨率采樣

(圖片來自網絡，侵刪)

在該模式下，該模式采用一種超取樣技術，對采樣波形的鄰近點平均，減小輸入信號上的隨機噪聲并在屏幕上產生更平滑的波形。

• 原理：對一段波形中的每N個點求平均，把原來的N個采樣點替換成一個平均點來顯示。具體原理圖如所示。

• 適用場景：通常用于數(shù)字轉換器的采樣率高于采集存儲器的存速率的情形，即可提供較較高分辨率、較低帶寬的波形。

• 注意事項：“平均”和“高分辨率”模式使用的平均方式不一樣，前者為“波形平均”，后者為“點平均”。

對這4種捕獲模式的捕獲機制與應用特點了解之后，我們來看下它們對同一個輸入信號的顯示情況。

將捕獲模式依次設置為標準、峰值、平均和高分辨率模式，很明顯在對比之下，標準捕獲模式下，信號噪聲適中，峰值捕獲模式下，信號的噪聲顯示比較明顯，而平均和高分辨率捕獲模式下顯示的波形幾乎沒有隨機噪聲。

標準采樣波形圖(圖片來自網絡，侵刪)峰值采樣波形圖(圖片來自網絡，侵刪)平均采樣波形圖(圖片來自網絡，侵刪)高分辨率采樣(圖片來自網絡，侵刪)

了解了同一輸入信號在不同捕獲模式下的不同顯示效果之后，再來對這四種捕獲模式做個異同

總結：

• 對波形捕獲模式無特殊要求時，一般使用示波器默認的標準采樣；

• 要捕獲窄脈沖或高頻率的毛刺，選擇峰值采樣；

• 想減少噪聲并提高分辨率，使用平均采樣；

• 希望提供較較高分辨率、較低帶寬的波形時，選擇高分辨率采樣。

無論選擇了哪種采樣方式，根據(jù)Nyquist采樣定理，都要記住保證采樣率至少是被測信號帶寬的2倍以上，實際應用中都會選擇5倍或者以上，這樣更容易捕獲的波形的異常信息。

還有一點需要特別注意，大多數(shù)示波器都是兩通道共用一路ADC模數(shù)轉換器，當開啟雙通道測量時，采樣率會降半！

三、 儲存深度

存儲深度（Record Length）也稱記錄長度，它表示示波器可以保存的采樣點的個數(shù)。

存儲深度如果為“1000000個采樣點”則一般在技術指標中會寫作“1Mpts”（這里的pts可

以理解為“points”的縮寫）。

存儲深度表現(xiàn)在物理介質上其實是某種存儲器的容量，存儲器容量的大小也就是存儲深度。

示波器采集的樣點存入到存儲器里面，當存儲器保存滿了，老的采樣點會自動溢出，示波器不斷采樣得到的新的采樣點又會填充進來，就這樣周而復始，直到示波器被觸發(fā)信號“叫?！?，每“叫?！币淮危静ㄆ骶蛯⒋鎯ζ髦斜４娴倪@些采樣點“搬移”到示波器的屏幕上進行顯示，這兩次“搬移”之間等待的時間被稱為“死區(qū)時間”。

有個形象的比喻，存儲器就像一個“水缸”，“水缸”的容量就是“存儲深度“

如果使用一個“水龍頭”以恒定的速度對水缸注水，水龍頭的水流速就是“采樣率”，當水缸已經被注滿水后，水龍頭仍然在對水缸注水，這時候水缸里的水有一部分就會溢出來，但水缸的總體容量是保持不變的。

在示波器測量波形時，有個重要的公式：存儲深度=采樣率 × 采樣時間

對于數(shù)字示波器，其最大存儲深度是一定的，但是在實際測試中所使用的存儲長度卻是可變的。

在存儲深度一定的情況下，存儲速度越快，存儲時間就越短，他們之間是一個反比關系。同時

采樣率跟時基（timebase）是一個聯(lián)動的關系，也就是調節(jié)時基檔位越小采樣率越高。

存儲速度等效于采樣率，存儲時間等效于采樣時間，采樣時間由示波器的顯示窗口所代表的時間決定。

譬如當時基選擇10μs/div，因為水平軸是10格（有些示波器是12格或14格），因此采樣時間為100μs，在1Mpts的存儲深度下，當前的實際采樣率為1M÷100μs =10 GS/s , 如果存儲深度只有250Kpts，那當前的實際采樣率就只要2.5GS/s了。

由存儲關系式可知，當儲存深度固定時，你想獲得更高的采樣率的話，只能把采樣時間調小，

如果你想長時間觀察是否有異常信號出現(xiàn)則長的采樣時間，這樣的話只能降低采樣率，低采樣率的話可能無法捕獲到短暫脈沖的異常信號，二者有點矛盾。

那該怎么辦?

很簡單，提高儲存深度即可，既能保證高采樣率又能擁有長采樣時間

舉個簡單的例子，有2臺示波器都是100MHz帶寬， 1GSa/s采樣率，A示波器的存儲深度是1Mpts，B示波器的存儲深度是100Mpts

如果A示波器用最大采樣率1GSa/s，根據(jù)儲存關系式，它的采樣時間只能是1mS，而如果我們需要觀察的時間窗口是100mS時，它的采樣率會下降到10MSa/s，采樣率的下降會對波形的捕獲產生失真

B示波器采樣時間窗口是100mS時，它的采樣率依舊是1GSa/s，沒有下降。

很明顯示波器B要優(yōu)于示波器A

(圖片來自網絡，侵刪)

上圖中第一個圖形表明在采樣率足夠的前提下，觀察多個周期的樣本，需要的存儲深度很長，

圖示中需要36個采樣點。第二個圖形采樣率依然保持方便，但存儲深度變小，只有9個采樣點，因此只能采樣一個周期多點的波形。第三個波形仍然是存儲深度很小，只有9個采樣點，但仍然要采樣和第一個圖形一樣多個周期的波形，其結果是采樣率變小，測量得到的波形就會失真。

對于示波器存儲深度這個關鍵參數(shù)，國內示波器廠商是比較良心的，大多數(shù)都是28 Mpts起步，多的能達到512 Mpts，而國外知名品牌1G帶寬以下示波器存儲深度大多數(shù)都很小，因此它的最高采樣率只能在很短的時間窗口下實現(xiàn)。

注意：示波器標的儲存深度都是最大值，當你開啟兩個通道時每個通道的存儲深度只有最大值的一半，同理四通道同時用的話每個通道只有四分之一。

四、 波形更新率

波形刷新率，即波形捕獲率，指的是每秒捕獲的波形次數(shù)，表示為波形每秒（wfms/s）。

事實上，示波器從采集信號到屏幕上顯示波形的過程由若干個捕獲周期組成。

一個捕獲周期由采樣時間和死區(qū)時間組成。

采樣時間指的是模擬信號轉化為數(shù)字信號并存儲的過程。

死區(qū)時間指的是示波器對采樣存儲回來的數(shù)字信號進行測量運算，顯示等處理的過程。其中死區(qū)時間內示波器不進行采集。

由此可知，死區(qū)時間的大小將影響捕獲周期的長短進而影響波形刷新率的高低。如下圖所示：

不同刷新率對死區(qū)時間的影響(圖片來自網絡，侵刪)

從圖中可知，波形刷新率更高的示波器，擁有更短的死區(qū)時間，也就有著更高的幾率捕獲到波形中低概率的異常信號。

而低刷新率示波器由于死區(qū)時間較長，對于低概率的異常信號需要很長的時間才能捕獲。這就是有些時候電路明明有故障而示波器上的波形卻看似完全正常的原因。

總之，波形更新率越高越好，越能捕獲到異常信號！

五、總結

帶寬、采樣率、存儲深度和波形更新率作為示波器最重要的指標參數(shù)，根據(jù)自己系統(tǒng)需求選擇示波器，這里做一下總結

帶寬：至少是系統(tǒng)最高信號頻率的5倍

采樣率：至少是帶寬的4~5倍及以上

儲存深度：越大越好

波形更新率：越大越好

關于示波器選擇，主要有進口知名品牌泰克、安捷倫、力科、羅德施瓦茨和國產廠商普源、ZLG、鼎陽、優(yōu)利德等，國產示波器主要集中在中低端2G帶寬以內，功能全面，性價比高，如果預算有限可以優(yōu)先考慮國產示波器。進口示波器帶寬可達上百G，當然價格特別感人，好幾百萬大洋！

同樣帶寬的示波器，進口的價格可能要國產示波器的2~3倍，而且很多選件都是要另外付費購買的。

總之，預算有限，考慮性價比，優(yōu)選國產示波器，如果你是土豪，那就直接進口示波器啦?。。?p>