示波器的来源
诺贝尔奖取得者，德国物理学家 K.F.布劳恩（图 1）在 1897 年出于对物理现象的猎奇而发明晰 CRT 示波器。他向荧光 CRT 上的水平偏转片施加一个振动信号，然后向纵向偏转片发送一个测验信号。这两个偏转片会在小荧光屏上产生瞬态的电波图画。该发明逐渐演化（图 2）成一台丈量仪器，而且其功用在后续的 50 多年里不断改善。工程师霍华德•卫林在 1947 年所作的改善让示波器成为一台十分有用的仪器，初次能够经过触发器来操控扫描功用。
图 1：诺贝尔奖取得者,物理学家 K.F 布劳恩
图 2：前期的示波器
前期的示波器由于短少触发器，所以只能在输入电压超越可调阈值时才干对输入电压的波形开端进行水平追寻。触发功用能够在 CRT 上坚持安稳的重复波形，即屡次重复画出相同轨道的波形。假如没有触发功用，示波器会将多个扫描波形显现在不同的方位上，导致屏幕上出现不连贯的凌乱图形或许移动的图画。示波器的功用和功用得以继续改善的直接要素是高功用的模仿和数字半导体设备，以及软件的飞速开展。
数字化时代的呼喊
得益于较快的模-数转化速度以及用于记载并显现波形的存储器，数字示波器在 20 世纪 80 时代开端兴起并敏捷取得遍及运用。
图 3：模仿示波器开展为数字示波器的商场驱动力
即便是最早的数字示波器，也供给了模仿示波器所不具有的触发、剖析和显现方面的灵活性。半导体和软件的开展进一步将仪器从模仿为主的结构转变为数字化为主的结构。数字化范畴的信号处理为商业和工业产品发明了有利条件，示波器却从中获益尤多。概括地讲，数字示波器不只能以史无前例的办法来处理信号，还能够更广泛的对信号进行剖析，一起也能满意愈加杂乱和更高速率的数据流的特别丈量要求，而这些也仅仅是数字示波器的很多优势的一部分。数字示波器能够让用户依据信号某些特定参数捕捉特定工作，还能够看到工作产生前的状况。得益于局域网和因特网，用户能够在另一个房间、另一个乡镇乃至另一个国家对示波器进行长途操作并显现成果，使其成为主动检测体系的组成部分。数字示波器架构的其间一个要害部分是罗德与施瓦茨公司于 2009 年引入了的数字触发体系，它消除了模仿触发体系的固有约束（比方触发颤动）。数字触发体系会在下文中作详细介绍。
数字示波器的类型
数字示波器具有两项根本功用：信号收集与信号剖析。在收集信号样本进程中，收集到的信号会保存在存储器中；而在信号剖析时，示波器会剖析收集到的波形并将其输出到显现器。现在市道上有各式各样的数字示波器，而这儿所介绍的都是当今最常见的示波器类型。
数字采样示波器
数字采样示波器在对信号进行笔直设置之前对信号进行采样。它具有十分宽的带宽，缺陷是动态规模有限，一般丈量信号的峰-峰值最大约 1 V。与其它某些类型的数字示波器不同，数字采样示波器能够捕捉到信号中远高于仪器采样率的频率重量。比较于其他类型的示波器，它能够丈量速度更快的重复周期信号。因而，数字采样示波器可担任超高带宽的运用丈量，比方光纤传输丈量，此类示波器本钱也较高。
实时采样示波器
当信号的频率规模小于示波器最大采样频率的一半时，实时采样便具有显着的优势。该技能让仪器能够在单次扫描中获取很多样本点，供给高度精确的显现。这是现在能够捕捉最快速单次瞬态信号的仅有办法。
嵌入式体系一般包含数字逻辑信号，以及受时钟操控或许不受时钟操控的并行总线和串行总线，以及标准化或许专用的传输码型。
一切这些信号都有必要经过剖析，这往往要求运用杂乱的测验设备和多种仪器。而且一般还有必要一起显现模仿信号和数字信号。为此，现在的许多示波器都具有特定的选件，将数字示波器晋级为具有逻辑剖析功用的混合东西。这关于数字电路的快速调试来说十分重要，由于它具有数字触发功用、高分辨率、收集及剖析功用。
混合信号示波器
混合信号示波器扩展了数字示波器的功用，包含有逻辑和协议剖析才干，简化了实验渠道并能完结单一仪器的模仿波形、数字信号和协议剖析的同步可视化。硬件开发者能够运用混合信号示波器来剖析信号的完整性，而软件开发者能够运用它们来剖析信号内容。
典型的混合信号示波器具有两个或许四个模仿通道，以及更多的数字通道。模仿通道和数字通道要求完结同步，使得它们能够在时刻上相关并在同一台仪器上进行剖析。
混合域示波器
望文生义，混合域示波器能够显现数字域、模仿域和射频域的波形数据，并树立它们之间的相关性，各个域均会以不同的办法显现信号。这一点在许多丈量运用中是很有用的。比方，假如用户在评价一个嵌入式（板级）信号处理体系的时分需求检查跨过子体系的模仿、数字和高频信号，那么混合域示波器便能够满意要求。数字示波器的根本元素
每一台数字示波器都具有四个根本功用模块 – 笔直体系、水平体系、触发体系以及显现体系。为了了解数字示波器的全体功用，了解各个模块的功用至关重要。
数字示波器前面板的大部分区域均用于操控笔直、水平缓触发功用，由于大部分必需的调理作业都是由这些功用来完结。笔直功用部分经过控件改动“volts per division”（每格电压值）数值来操控信号的衰减或扩大，使信号能够以恰当起伏进行显现。水平控件与仪器的时基有关，其“每格秒数”控件用于确认显现屏上水平每格所代表的时刻量。触发体系会履行信号安稳化处理以及示波器初始化等根本功用以进行信号收集，用户能够挑选并修正详细触发类型。而终究的显现体系则包含显现器自身和显现驱动器，以及用于履行显现功用的软件。
笔直体系
该体系（图 4）让用户能够笔直定位和缩放波形，挑选输入耦合办法，以及修正信号特征使其以特定办法显现在屏幕上。用户能够将波形笔直放置在显现屏上的精确方位，并添加或许缩小其巨细尺度。一切示波器的显现屏幕上均设有栅格，用于将屏幕上的可视区域区分为 8 个或许 10 个笔直格，每格代表总电压的一部分。也便是说，关于显现栅格有 10格的示波器来说，假如整体可显现的电压为 50 V，那么每格代表 5 V。
图 4：笔直体系
8格、10格或许其它一些栅格在挑选上是随意的，为简略起见一般会选用 10格：10格比 8格愈加简略区分。探头也会对显现份额形成影响，有些探头不会对信号形成衰减（1X 探头），有些探头会有 10 倍衰减功用 (10X 探头)，有些乃至能够到达 1000 倍衰减。探头的问题会在下文再进行评论。
前面说到的输入耦合根本上确认了从信号被探头捕捉，到经过线缆传入仪器的整个进程的信号传输。直流耦合供给 1 M欧姆或许 50 欧姆的输入耦合阻抗。
挑选 50 欧姆的输入耦合能够将输入信号直接发送至示波器的纵向增益扩大器，由此能够完结最宽带宽。挑选沟通或许直流耦合形式（对应的 1M 欧姆端子数值）会在纵向增益扩大器前方放置一个扩大器，一般在一切状况下均将带宽约束为 500 MHz。如此高阻抗的长处在于供给了内涵的高电压维护。在前面板上挑选“接地”之后，纵向体系会断开衔接，0-V 的点会显现在屏幕上。
其它与笔直体系相关的电路还包含一个带宽约束器，用于在对显现波形进行降噪时衰减高频信号成分。许多示波器还运用一个 DSP 恣意均衡滤波器（抗混叠滤波器）来扩展仪器带宽，经过调整示波器通道的相位和幅值呼应使仪器带宽超出前端的原始呼应。可是，这些电路要求采样率满意奈奎斯特定理 —— 采样率有必要大于信号最大基频的两倍。为了完结这一点，仪器一般会被确认在其最大采样率，在未禁用滤波器的状况下无法下降采样率以观察更长的继续时刻。
水平体系
相关于笔直体系，水平体系与信号收集更相关，着重采样率、存储深度以及其它与数据收集和转化直接相关的功用指标。
采样点之间的时刻距离称为采样距离，样点值代表保存在存储器中用于产生波形的数值。波形点之间的时刻距离称为波形距离，由于一个波形点或许树立在多个采样点的基础上，因而两者是相关的，有时也或许具有相同的数值。
一般示波器的收集形式菜单十分有限，由于一个通道只能产生一个波形，用户只能挑选一种采样类型或许一种波形算法类型。可是，某些示波器能够在一个通道上并行显现三个波形，而且各个波形都能够对采样类型和波形算法类型进行组合。典型的形式包含：
• 采样形式：关于每个波形距离，均由一个采样点来产生一个波形点。
• 高分辨率形式：关于每个波形距离，会显现波形距离的均匀采样点。
• 峰值检测形式：关于每个波形距离，会显现波形内的最小采样点和最大采样点。
• RMS：显现波形距离内的采样点 RMS 值。这与瞬时功率成份额。
典型的波形算法形式包含：
• 包络形式：依据由至少两个触发工作所捕捉的波形，示波器会生成一个鸿沟（包络线）来表明波形的最大值和最小值。
• 均匀形式：依据屡次采样取得各个波形距离样本的均匀值。
触发体系
触发器是每个数字示波器的根本单元之一，用于捕捉信号工作进行详细剖析以及供给安稳的重复波形视图。触发体系的精度及其灵活性决议了怎么显现以及剖析丈量信号。如前所述，数字触发体系在丈量精度、收集密度以及功用性方面为示波器用户带来明显的优势。
模仿触发
示波器的触发器（图 5）保证为重复信号的继续监督供给安稳的波形显现。作为对特定工作的呼应，触发器在阻隔和显现比方“矮波”逻辑电相等详细信号特征以及通道之间由串扰、缓慢边际或许无效守时所引起的信号搅扰时十分有用。触发类型的数量以及触发器的灵活性历年来一向在不断进步。
图 5：模仿触发体系
“数字”示波器是指对丈量信号进行采样并将其保存为离散数字值的仪器，而一般示波器的触发体系则一向用于处理原始丈量的模仿信号，因而称之为模仿触发体系。
输入扩大器对被测信号进行调理，使其幅值与 ADC 和显现器的作业规模相匹配，经过调理的信号从扩大器输出之后会并行发送至模-数转化器 (ADC) 以及触发体系。
ADC 会经过一条途径对丈量信号进行采样，数字化的样本数值会被写入到收集存储器傍边；而在另一条途径上，触发体系会将信号与有用的触发工作（比方信号跨过了“边际”触发的触发门限）进行比照。当产生有用的触发条件时，示波器会终究确认 ADC 的样本并处理和显现所需的波形。丈量信号一旦跨过触发电平，便会导致一个有用的触发工作。可是，为了让信号能够在显现器上精确显现，有必要供给精确的触发点守时。不然，所显现的波形将不会与触发点（触发电平与触发方位的交点）堆叠。
而这或许由多种要素所导致。首要，触发体系中的信号会经过比较器与触发门限进行比较，而比较器输出端的边际时刻有必要运用时刻数字转化器 (TDC) 进行精确丈量。
假如 TDC 的丈量成果不精确，那么所显现的波形与触发点之间出现偏移，而且每个触发工作都会改动这一偏移量，导致触发颤动。
另一个要素是丈量信号的两条途径中存在差错源。信号会经过两条不同的途径进行处理（ADC 的收集途径以及触发体系途径），两者均含有不同的线性以及非线性失真。这导致所显现的信号与确认的触发点之间存在体系错配。在最坏的状况中，即便能够在显现器上看到这些触发工作，触发器也将无法对有用的触发工作作出呼应，或许触发器会对那些收集途径无法捕捉和显现的触发工作作出呼应。
终究一个要素是两条途径中存在不同的噪声源，这些噪声源包含具有不同噪声等级的扩大器。这将引起推迟和幅值差异，表现在显现屏上便是触发方位出现偏移（颤动）。而当以数字触发办法来作业的时分，触发器将不会出现这些差错。
数字触发
与模仿触发体系相反，数字触发体系（图 6）直接对 ADC 所收集的样本进行操作，信号不会被别离为两条途径，而是对所需的同一路信号进行处理并显现出来。所以，将可从根本上防止模仿触发体系所存在的信号损害。为了评价触发点，数字触发器将选用精确的 DSP 算法来检测有用的触发器工作，并精确地丈量时刻戳。履行实时信号处理所面对的应战在于需求无缝监督丈量信号。比方，RS?RTO 系列示波器中的数字触发器选用了 8 位 ADC 以 10GS/s 的速率进行采样，并以 80 Gb/s 的速率来处理数据。
图 6：数字触发体系
由于数字触发体系选用与收集途径相同的数字化数据，因而能够完结 ADC 规模之内的信号工作触发。关于选定的触发工作，信号能够经过比较器与已界说的触发门限进行比照。在一个简略的比方中（边际触发），当信号在要求的方向上跳过触发门限，无论是信号的上升沿仍是下降沿，该工作都会被检测到。在数字体系中，信号由所收集到的样原本表明，而采样率有必要至少是信号中最高频率的两倍。当满意这一条件，才干完结信号的重构。
彻底依据 ADC 样原本进行触发判定是不行的，由于跨过触发门限值的进程或许会丢掉，因而需求运用内插算法进步时刻分辨率，使采样速率到达 20 GS/s。经过刺进算法之后，比较器会将样本数值和已界说的触发门限值进行比照，假如检测到触发工作，那么比较器的输出电平便会产生变化。
如图 7 所示，经过2倍刺进办法将采样分辨率进步两倍，然后削减信号的“盲”区。左图的波形采样中并未包含波形图中过冲部分，而且 依据ADC 样本的触发门限无法检测到过冲产生。右图经过插值的办法将波形采样率进步两倍，因而过冲能够引起触发。过冲的最高频率为 3.5 GHz，因而当 ADC以10GS/s采样率作业的时分数字触发体系能够检测到高频重量。
图 7：削减“盲”区
由于毛刺以及脉冲宽度等触发类型均依据守时条件，因而数字触发体系能够十分精确地触发这些工作，这是由于它能够实时确认了触发门限处的交点。触发工作的时刻分辨率能够到达为 1 ps，而最小可检测的脉冲宽度为50ps。
数字触发体系的详细优势如表1 所示。
表 1：数字触发的长处
触发进程
触发扫描会在选定的点开端，能够显现比方正弦波和方波等周期信号，还能够显现非周期信号，比方信号脉冲或许无法以固定频率重复出现的脉冲等。最常见的触发类型是边际触发，当电压超越某个设定数值之后便会“发动”触发。用户能够挑选上升沿触发或许下降沿触发。毛刺触发让仪器能够被脉冲所触发，该脉冲的宽度能够大于或许小于某详细的时刻。一般会选用这种办法来测验找出随机产生或许间歇性产生的过错，因而要找出这些过错也是十分困难的。
脉冲宽度触发与毛刺触发十分类似，也是要找出特定的脉冲宽度，而且它答应沿着水平触发方位指定恣意详细宽度的脉冲，无论是正脉冲仍是负脉冲。其长处在于用户能够看到触发前后所产生的工作，因而假如找出一个过错，检查触发前的状况能够供给更多关于犯错原因的参阅信息。假如将水平推迟设为 0，那么触发工作会被放置在屏幕的中心，所以便能在屏幕左面看到触发之前的状况，而在屏幕右边能够看到触发之后的状况。
除了上述的类型以外，还有许多其它触发类型，这些触发类型针关于特定的状况，能够检测到感兴趣的工作。比方，用户能够触发由幅值、时刻（脉冲宽度、毛刺、斜率、树立和坚持，以及超时）以及逻辑状况或许码型所界说的脉冲。其它触发功用包含串行码型触发，A+B 触发以及并行或串行总线触发。
数字示波器能够触发单一工作以及推迟触发工作，操控何时对这些工作作出呼应，以及在特定的时刻、状况或许过渡之后重置触发以再次开端触发序列。因而，即便是最为杂乱的信号工作也能够被捕捉到。
数字示波器具有触发方位控件，能够在波形记载中设置触发水平方位。经过改动触发水平方位，用户能够捕捉到信号在触发工作前的状况。触发水平方位确认了触发点前后的可视信号长度。示波器的触发沿设置能够调整产生触发的信号点（即调整为上升沿触发或许下降沿触发）。
触发形式
触发形式用于确认示波器是否以及在什么状况下显现波形。一切示波器均可启用两种触发形式：一般（Normal）形式以及主动(auto)形式。当设置为一般形式时，示波器仅在信号到达指定方位时才会触发。而在主动形式中，即便没有触发，仪器也会进行扫描。
触发耦合和关断
某些示波器能够挑选触发信号的耦合类型（AC 或许 DC），而某些仪器还能够设置高频按捺、低频按捺以及噪声按捺等耦合类型。为了防止过错产生触发工作，人们规划了愈加高档的设定来消除触发信号中的噪声以及其它频谱成分。要保证示波器在信号的正确方位触发有时其实并不简略，因而大多数示波器均供给了“触发按捺”这种办法来使其变得愈加简略。触发按捺是触发工作产生之后的一段可调时刻内，示波器无法进行触发。该功用在对杂乱波形图进行触发时是十分有用的，能够保证示波器仅在需求的点上进行触发。
显现体系与用户界面
望文生义，显现体系用于操控出现信号。显现屏的一切符号构成了称为十字线或许网格线的栅格。数字示波器及其所履行的使命都是十分杂乱的，因而有必要供给广泛且易于了解的用户界面。比方，RS?RTO 系列的触摸屏显现器选用了五颜六色编码的操控按键、扁平化的菜单结构以及频频运用的功用按键。在 RS?RTM 系列中，按下一键丈量按钮即可调用显现信号的“快速丈量”功用。别的，还具有半透明的对话框、可移动的丈量窗口、可装备的东西栏以及实时波形的预览图标。
