示波器基础及基本功能介绍 讲师指导手册 ② ●●● - 向您介绍数字示波器基本旋钮、以进行常见的电子测量的 一系列实验室试验。 Tektronix 第1页,共85页
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示波器介绍 讲师指导手册 版权通告和复制权 2009年泰克公司版权所有。 本文可以为培训泰克示波器和仪器用户或潜在用户之目的,整体或部分重印、修改和分发。任何复制文件 都必须包括含有版权通告的本页副本 第2页,共85页
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讲师指导手册 目录 深入了解示波器… 示波器:基本特性和功能 示波器:高级功能…… 探头:测量精度始于尖端 示波器介绍 实验室试验讲师指导手册介绍… 实验室试验介绍 示波器概述 65-66 初始设置和屏幕解释 仪器旋钮 垂直旋钮 水平旋钮 72-74 触发旋钮 示波器测量 最后练习 第3页,共85页
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深入了解示波器 初级 自然界运行着各种形式的正弦波,比如海浪、地震、声波、爆破、空气 光源 中传播的声音,或者身体运转的自然节律。物理世界里,能量、振动粒 子和不可见的力无处不在。即使是光(波粒二象物质)也有自己的基 频,并因为基频的不同呈现出不同的颜色 通过传感器,这些力可以转变为电信号,以便通过示波器能够进行观察 s°° 和研究。有了示波器,科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人 光电元件 能够“观察”随时间变化的事件 示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时·图,示波器收集科学数据的例子 万变,工程师们需要最好的工具,快速而精确地解决测量疑难。在工程 师看来,面对当今各种测量挑战,示波器自然是满足要求的关键工具 阅读完本读本,您可以掌握如下内容: 示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器,适用于 描述示波器如何工作 各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源,使之转变区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异 为电信号,包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换 描述电波的类型 器,它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1,理解示波器的基本控制 所 进行简单的测量 从物理学家到电视维修人员,各种人士都使用示波器。汽车工程师使用 示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器在实际工作中使用示波器时,借助随同示波器一同提供的手册,能帮助 的用途是没有止境的 您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各种应用备忘录,其 本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。中的注意事项可以帮助您优化示波器,以满足特定测量的需求 本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。针对示波器的原理和控如果您需要其他的帮助,或者您对本读本有任何的建议和问题,请与泰 制,本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题,对课堂学习很克的代理商联系,或者访间www.tektronix.com 有帮助。并不要求有数学和电子学的基础知识 第4页,共85页
深入了解示波器 初级 引言 自然界运行着各种形式的正弦波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气 中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒 子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的基 频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。 通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察 和研究。有了示波器，科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人 能够“观察”随时间变化的事件。 示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时 万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。在工程 师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。 示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于 各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变 为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换 器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1 所示。 从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。汽车工程师使用 示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器 的用途是没有止境的。 本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。 本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。针对示波器的原理和控 制，本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题，对课堂学习很 有帮助。并不要求有数学和电子学的基础知识。 阅读完本读本，您可以掌握如下内容： 描述示波器如何工作 区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异同 描述电波的类型 理解示波器的基本控制 进行简单的测量 在实际工作中使用示波器时，借助随同示波器一同提供的手册，能帮助 您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各种应用备忘录，其 中的注意事项可以帮助您优化示波器，以满足特定测量的需求。 如果您需要其他的帮助，或者您对本读本有任何的建议和问题，请与泰 克的代理商联系，或者访问 www.tektronix.com。 图1.示波器收集科学数据的例子 光源 光电元件 第 4 页，共 85 页
深入了解示波器 初级 信号完整性 如果不预防地进行一些测量,高速带来的问题可能会影响其他常规的数 信号完整性的意义 字设计。如果电路时断时续发生故障,或者如果电路在电压和温度的极 限条件下发生差错,可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。最终,影 的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力,称为信号完响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性(EM 摄像机捕获信号图象,以便我们随后能够进行观察和解释。在这 compliance),等等。 点上,示波器很是类似。信号完整性有两个关键点。 您摄下图片的时间,它是否与实际发生的情况一致? 为什么要考虑信号完整性问题? ≯图片是清晰的还是模糊的? 让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。比起过去, ≯每一秒您能摄下多少张精确的图片? 为什么这些问题变得更为普遍? 综合起来不同的系统和不同性能的示波器,有不同的实现最高信号完答案是速度。在“过去缓慢的年月,维护可接受的数字信号完整性就 整性的能力。探头也对测量系统的信号完整性有影响。 意味着对细节的关注,比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负 信号完整性影响许多电子设计规律。但在数年以前,数字设计者并不以载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。现在,上述 为重。他们着重于逻辑的设计,便能使逻辑电路顺利工作。在进行高速规则仍旧适用,但是 设计时,噪声和不确定信号偶有发生,RF(射频)设计者需要对此进总线的周期时间比20年以前快过了千倍!原来需要数毫秒才能完成的 行考虑。而数字系统进行着缓慢的转换,信号如所预料的一样稳定。事务处理现在仅需要数纳秒。为实现速度的提高,边缘的速度也经过加 处理器的时钟速率上升了数个数量级。3D图象处理、视频和服务器速:边缘升降速度比20年前快了100倍以上。 O等计算机应用需要巨大的带宽。如今的许多电信设备也是基于数字进步是相当令人瞩目的。但是,某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速 的,同样也需要大量的带宽资源。数字处理的高淸晰度电视同样如此 度提高的步调。数十年以来芯片内部总线的传输时间基本上没有什么 目前,微处理器设备处理的数据速率高达2、36S5,甚至565(吉变化。物理尺寸自然越来越小,但是电路板上总还得安插实际的C元 采样值每秒)。同时,一些内存设备采用40MHz的时钟以及20015。件、连接器、无源部件,当然还需安排总线本身。实际的布局增加了间 上升时间的数据信号 距,而这些距离意味着时间的消耗,这与速度形成了矛盾 重要的是,随着速度的提高,原用于车辆、录像机、机械控制器的普通需要注意的是,数字信号的边缘速度(上升时间)对频率的影响远大于 C设备应用得越来越少。与那些80-MHz的处理器类似,工作于20·重复速率的影响。正因为如此,一些设计人员有意识“减缓”相关的上 HZ时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。设计者不得不考 升时间,使C器件正常工作 虑交叉情况下对性能的影响。其结果,几乎所有的设计中都包含高速设 第5页,共85页
深入了解示波器 初级 信号完整性 信号完整性的意义 任何好的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力，称为信号完 整性。摄像机捕获信号图象，以便我们随后能够进行观察和解释。在这 一点上，示波器很是类似。信号完整性有两个关键点。 您摄下图片的时间，它是否与实际发生的情况一致？ 图片是清晰的还是模糊的？ 每一秒您能摄下多少张精确的图片？ 综合起来，不同的系统和不同性能的示波器，有不同的实现最高信号完 整性的能力。探头也对测量系统的信号完整性有影响。 信号完整性影响许多电子设计规律。但在数年以前，数字设计者并不以 为重。他们着重于逻辑的设计，便能使逻辑电路顺利工作。在进行高速 设计时，噪声和不确定信号偶有发生，RF（射频）设计者需要对此进 行考虑。而数字系统进行着缓慢的转换，信号如所预料的一样稳定。 处理器的时钟速率上升了数个数量级。3D 图象处理、视频和服务器 I/ O 等计算机应用需要巨大的带宽。如今的许多电信设备也是基于数字 的，同样也需要大量的带宽资源。数字处理的高清晰度电视同样如此。 目前，微处理器设备处理的数据速率高达2、3 GS/s，甚至5 GS/s（吉 采样值每秒）。同时，一些内存设备采用 400-MHz 的时钟以及 200-ps 上升时间的数据信号。 重要的是，随着速度的提高，原用于车辆、录像机、机械控制器的普通 IC 设备应用得越来越少。与那些 800-MHz 的处理器类似，工作于 20- MHz 时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。设计者不得不考 虑交叉情况下对性能的影响。其结果，几乎所有的设计中都包含高速设 计。 如果不预防地进行一些测量，高速带来的问题可能会影响其他常规的数 字设计。如果电路时断时续发生故障，或者如果电路在电压和温度的极 限条件下发生差错，可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。最终，影 响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性（ E M I compliance），等等。 为什么要考虑信号完整性问题？ 让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。比起过去， 为什么这些问题变得更为普遍？ 答案是速度。在“过去缓慢的年月”，维护可接受的数字信号完整性就 意味着对细节的关注，比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负 载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。现在，上述 规则仍旧适用，但是…… 总线的周期时间比20年以前快过了千倍！原来需要数毫秒才能完成的 事务处理现在仅需要数纳秒。为实现速度的提高，边缘的速度也经过加 速：边缘升降速度比 20 年前快了 100 倍以上。 进步是相当令人瞩目的。但是，某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速 度提高的步调。数十年以来，芯片内部总线的传输时间基本上没有什么 变化。物理尺寸自然越来越小，但是电路板上总还得安插实际的IC 元 件、连接器、无源部件，当然还需安排总线本身。实际的布局增加了间 距，而这些距离意味着时间的消耗，这与速度形成了矛盾。 需要注意的是，数字信号的边缘速度（上升时间）对频率的影响远大于 重复速率的影响。正因为如此，一些设计人员有意识“减缓”相关的上 升时间，使 IC 器件正常工作。 第 5 页，共 85 页