第2章 示波器基础

我们对电子产品进行维修的过程，在很大程度上是一个利用测试设备对相关电路的信号进行不断地检测、分析、判断的过程。对电子产品的检修，包括移动电话的维修，都离不开测试设备。

要使用好测试设备，需要有一定的电路基础知识、一定的手机电路知识。总之，掌握一定的理论是用好测试设备的关键，所有的方法都是来源于最基础的电路理论。

测试设备的运用涉及许多相关的知识，如电路结构、单元电路、信号特点、检测条件等。但并不意味着测试设备的使用非常复杂。只要抓住关键，其他问题就能迎刃而解。手机的具体电路虽然多种多样，但测试设备对它们检测的要点都是一样的。只要掌握了思路，领悟了相关的方法，就可将相关知识运用到许多电子产品的维修工作中去。

在这一章，将简单介绍一些示波器方面的相关知识。示波器的种类很多，但其基本功能相差不大。

2.1 示波器概述

示波器是电子设备设计、制造或维修工作中运用最广泛的测试设备之一。

示波器不但可以用来测试信号波形，也可以用来测试直流电平。在手机维修中，示波器常用来检测手机电路中的直流控制电平及基准频率时钟、逻辑电路脉冲信号等。

示波器的用途不仅仅局限于电子领域。从物理学家到电视维修人员，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。

示波器可分为模拟示波器与数字示波器两大类。图2.1是两个模拟示波器，图2.2则是两个数字示波器。示波器的品牌很多，如安捷伦、泰克、力科、日立、普源、安泰信、固纬、扬中等。高端示波器与低端示波器价格相差很大，对于手机维修来说，根据需要选择中、低端示波器即可。

模拟示波器和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具有不同的特性，每种类型都有适合和不适合的地方。进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

对于手机来说，用示波器来检修手机基带电路故障，以及射频电路中的脉动直流信号或控制信号是最方便的。本章将简单介绍一些示波器方面的相关知识。

2.1.1 模拟示波器

示波器是一种形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，是一种综合的信号特性测试仪，相当于一个时域上的万用表，是一种基本的电子测量仪器。

示波器出现于20世纪40年代，最早应用于雷达和电视的开发。早期的示波器都是模拟示波器。图2.3是一个简单的模拟示波器框图。

模拟示波器具有实时显示、波形真实、结构简单的优点。但是，模拟示波器无存储功能，无自动参数测量功能，仅有边缘触发及简单的视频触发功能，不能与计算机连接进行自动测量。

在本质上，模拟示波器的工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。

示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到屏幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压使电子束产生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。

CRT限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的信号过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。

当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。设置垂直标度（对“伏特/格”进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压使点向上运动，而负电压使点向下运动。

信号经过触发系统启动或触发水平扫描。水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。如果速度足够大，亮点每秒扫过屏幕的次数可高到500000次。水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图像。触发器能够稳定实现重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的是使呈现的图像清晰。

另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。为显示“实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，建议使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。

在大多数应用中，示波器呈现的图形能够表明信号随时间变化的过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间，有时称亮度为Z轴，如图2.4所示。

2.1.2 数字示波器

与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。

数字示波器有数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。自动测量波形参数包括周期、頻率、正/负脉冲、上升时间、下降时间、正/负工作周期、延迟、相位、脉冲宽度、高/低值、最大/最小值、峰-峰值、振幅、上/下过冲、取平均值、周期平均值、均方根值、周期均方根值、区域值和周期区域值。

1. 数字存储示波器

常规的数字示波器是数字存储示波器（DSO）。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。数字存储示波器具有扩充功能，有多种存储方式、波形、设置，具有自动参数测量功能及连续触发能力，可与计算机连接进行自动测量。但是，数字存储示波器不能实时显示。

数字存储示波器（DSO）便于捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。波形没有必要是连续的；即使信号已经消失，仍能够显示出来。与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。然而，DSO没有实时的亮度级。因此，它们不能表示实际信号中不同的亮度等级。

组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的数据处理子系统。因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图2.5所示。

与模拟示波器一样，DSO的第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统可用来调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压被转换为数值，这些数值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。

来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，称为波形点。几个采样点可以组成一个波形点。许多波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始点和终止点。

DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器进行处理。微处理器可以进行信号处理、调整显示运行、管理前面板调节装置等操作。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。

在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。目前大多数数字示波器都提供自动参数测量，使测量过程得到简化。

2. 数字荧光示波器

数字荧光示波器（DPO）使用串行处理的体系结构来捕获、显示和分析信号；相对而言，数字荧光示波器为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如图2.6所示。数字荧光示波器采用ASIC硬件构架捕获波形图像，提供非常大的波形采集率，信号的可视化程度很高。

数字荧光示波器的第一阶段（输入）与模拟示波器相似（垂直放大器），第二阶段与数字存储示波器相似（ADC）。但是，在模数转换后，数字荧光示波器与原来的示波器相比就有显著的不同之处。

对于数字存储示波器串行处理采集到的波形，由于微处理器限制着波形的采集速度，所以微处理器是串行处理的瓶颈。

数字荧光示波器把数字化的波形数据进一步光栅化，存入荧光数据库中。每1/30s，这大约是人类眼睛能够觉察到物体的最快时间，存储到数据库中的信号图像被直接送到显示系统。波形数据直接光栅化及直接把数据库数据复制到显存中，两者共同作用，去除了其他体系在数据处理方面的瓶颈。结果是增加了“使用时间”，增强了显示更新能力，信号细节、间断事件和信号的动态特性都能实时采集。数字荧光示波器微处理器与集成的捕获系统一同并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的捕获速度。

数字荧光示波器如实地仿真模拟示波器最好的显示属性，其三维显示信号——时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化都是实时的。

模拟示波器依靠的是化学荧光物质，与此不同，数字荧光示波器使用的是电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。针对示波器显示屏的每一个点，数据库中都有独立的“单元”。一旦采集到波形（即示波器一触发），波形就映射到数字荧光数据库的单元组内。每一个单元代表着屏幕中的某个位置。当波形涉及该单元时，单元内部就加入亮度信息；没有涉及则不加入。因此，在波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐渐累积。

在数字荧光数据被传送到示波器的显示屏后，显示屏根据各点发生的信号频率的比例，展示加入亮度形式的波形区域，这与模拟示波器的亮度级特性非常相似。数字荧光示波器也可以显示不断变化的发生频率的信息，显示屏对不同的信息呈现不同的颜色，这一点与模拟示波器不同。

数字荧光示波器突破了模拟示波器技术和数字示波器技术之间的障碍，它适合观察高频和低频信号、重复波形，以及实时的信号变化。只有数字荧光示波器才能实时提供Z（亮度）轴信号，常规的数字存储示波器已经丧失了这一功能。