欢迎浏览厦门控匠自动化科技有限公司
行业资讯
Tektronix XYZ示波器
时间: 2025-11-20浏览次数：
Tektronix XYZ示波器
Tektronix XYZ示波器
概述
泰克（Tektronix）推出的示波器入门手册（XYZs of Oscilloscopes Primer），旨在帮助工程师、技术人员、教育者等掌握示波器基础知识与操作，无需预先具备数学或电子知识，通过理论讲解、图表示例、练习与术语表，覆盖示波器从原理到实践的全流程内容，最终可让读者描述示波器工作原理、区分示波器类型、理解波形与控制、完成基础测量。
信号完整性（Signal Integrity）
核心意义：示波器系统准确重建波形的能力，类比相机 “成像准确性” 与 “清晰度”，直接影响电子设计的时间上市周期、产品可靠性、EMI 合规性，探头也会影响测量系统的信号完整性。
问题根源：
速度提升：处理器时钟速率达 2-5GS/s，DDR3 内存时钟超 2GHz、上升时间 35ps，且高速特性渗透到汽车、消费电子等领域，多数设计成为 “高速设计”。
物理限制：电路板总线传播时间数十年未变，6 英寸 traces 在信号上升时间＜4-6ns 时成为传输线，引发串扰、接地反弹、EMI 升高。
模型失效：当信号边缘速度是信号路径延迟的 4-6 倍以上时，集总电路模型不再适用。
解决思路：数字错误常源于模拟问题，需用示波器观察波形细节、瞬态信号，关联高速波形与数据模式。
示波器原理与波形（The Oscilloscope）
（1）工作原理
示波器是图形显示设备，将电信号转化为 “时间 - 电压” 图形：
X 轴（水平）：时间
Y 轴（垂直）：电压
Z 轴（亮度）：显示强度（DPO 中用颜色分级表示信号出现频率）
（2）波形类型与特点
波形类型 关键特征 应用场景
正弦波 数学和谐，AC 电源、信号发生器输出 基础测试信号、电源电压
方波 / 矩形波 方波高低电平时间相等，矩形波不等 放大器测试、时序信号（电视 / 计算机）
锯齿波 / 三角波 电压线性变化（斜坡） 模拟示波器水平扫描、电视光栅扫描
阶跃 / 脉冲 阶跃为突发电压变化，脉冲为 “通 - 断” 变化 电源开关、计算机数据传输（1 位信息）、雷达
周期性 / 非周期性 周期性信号重复，非周期性信号持续变化 周期性：正弦波；非周期性：瞬态故障
同步 / 异步 同步信号有定时关系（如时钟与数据），异步无（如键盘与计算机时钟） 同步：计算机内部信号；异步：外设交互
复杂波 结合多种波形特征，含幅度 / 相位 / 频率变化 复合视频信号、通信眼图（如 622Mb/s 串行数据）
（3）波形测量指标
频率与周期：频率（Hz）=1 / 周期（秒），例：3Hz 正弦波周期为 1/3 秒。
电压：峰峰值（Vp-p，信号最大到最小电压差）、峰值（Vp，从地到最大电压）。
幅度：通常指从地到信号最大电压，例：幅度 1V 的波形，峰峰值为 2V。
相位：正弦波 1 周期 = 360°，相位差指两相似信号的时序差，例：电流与电压相差 90°（1/4 周期）。
数字示波器自动测量：含周期、占空比、频率、延迟、最大 / 最小值、上升 / 下降时间、过冲、RMS、抖动等。
示波器类型（The Types of Oscilloscopes）
类型 核心架构 关键特点 适用场景
数字存储示波器（DSO） 串行处理（放大→ADC→存储→微处理器→显示） 存储瞬态信号，永久保存与处理，无实时亮度分级 低速重复或单次高速多通道设计（如捕获毛刺）
数字荧光示波器（DPO） 并行处理（放大→ADC→数字荧光数据库→直接显示，微处理器并行处理） 实时 3D 显示（时间、幅度、幅度分布），高波形捕获率（百万级 / 秒），模拟示波器显示特性 通用设计与故障排除（视频信号、通信掩码测试）
混合域示波器（MDO） 结合 RF 频谱分析仪 + MSO/DPO 关联数字、模拟、RF 信号时间，减少跨域事件测量不确定性 嵌入式 RF 设计（如 Zigbee 无线电，观察命令与 RF 事件延迟）
混合信号示波器（MSO） 结合 DPO 性能 + 16 通道逻辑分析仪 同时观察模拟与数字信号，支持协议解码（I2C/CAN 等） 数字电路调试（验证逻辑状态与模拟波形关联）
数字采样示波器 先采样后放大（采样桥→放大） 高带宽（达 80GHz），动态范围有限（1Vp-p），安全输入电压 3V 测量频率超示波器采样率的重复信号（如高速时序）
示波器系统与控制（The Systems and Controls）
（1）垂直系统与控制
核心功能：调整波形垂直位置、缩放，设置信号耦合与带宽。
关键控制：
位置与伏 / 格（Volts/div）：伏 / 格为缩放因子，例：5V/div×8 垂直分区 = 40V 最大显示电压；需结合探头衰减（10X 探头需除以 10）。
输入耦合：DC（显示全信号）、AC（阻断 DC，信号居中）、GND（断开输入，显示 0V 线）。
带宽限制 / 增强：带宽限制减少噪声，带宽增强（DSP 滤波）扩展带宽、改善相位线性。
（2）水平系统与控制
核心功能：控制信号采集（采样模式、采样率）与波形水平位置、缩放。
关键控制与概念：
采样模式：
采样模式：1 个采样点 = 1 个波形点。
峰值检测模式：保存 2 个波形间隔内的最大 / 最小值，捕获快速瞬态（如窄脉冲）。
高分辨率（Hi-Res）模式：平均多个采样点，减少噪声，适用于单次事件。
包络模式：结合多次采集的最大 / 最小值，显示信号变化范围。
平均模式：平均多次采集的波形点，减少噪声，需重复信号。
采样方法：
实时采样：1 次扫描采集足够点，适合频率＜1/2 示波器最大采样率的信号，唯一捕获单次瞬态的方法。
等效时间采样：多次扫描捕获重复信号片段（随机：采样时钟与触发异步，支持预触发；顺序：每次触发延迟增量 Δt，时间分辨率高），适合频率超采样率的重复信号。
位置与秒 / 格（Sec/div）：秒 / 格为时基，例：1ms/div×10 水平分区 = 10ms 总显示时间。
其他：时基选择（主时基 / 延迟时基）、缩放 / 平移、搜索（查找特定事件）、XY 模式（X 轴为信号而非时间，测相位差）。
（3）触发系统与控制
核心功能：同步水平扫描，稳定重复波形或捕获单次波形。
关键控制与类型：
触发位置：数字示波器支持预触发（观察触发前事件），模拟示波器无（除少量延迟线）。
触发电平与斜率：电平为触发电压阈值，斜率为上升沿（正）或下降沿（负）。
触发模式：正常模式（仅信号达阈值时扫描，无信号时黑屏 / 冻结）、自动模式（无触发时定时器触发，确保显示）。
触发耦合：AC/DC/GND，及高频 / 低频 / 噪声抑制（减少误触发）。
触发抑制：触发后一段 “盲期”，避免误触发复杂波形。
高级触发：毛刺触发（捕获超限时宽脉冲）、脉冲宽度触发（捕获时宽超限脉冲）、建立保持时间触发（捕获时序违规）、串行 / 并行协议触发（如 I2C/CAN、并行总线）等。
（4）显示系统与其他控制
显示系统：刻度线（graticule，8×10 或 10×10 分区，含主分区与次分区），显示 volts/div 与 sec/div 参数。
其他控制：数学运算（加减乘除、积分、FFT）、数字时序与状态采集（MSO 数字通道，时序采集：固定采样率；状态采集：时钟定义有效状态）。
完整测量系统（Probes）
（1）探头类型与特点
探头类型 核心特性 注意事项
无源探头 通用，成本低，10X 衰减减少电路负载，1X 无衰减 10X 探头需补偿（平衡探头与示波器电气特性）；1X 易受干扰，适合低速低幅信号
有源与差分探头 含专用 IC，高保真，低负载，适合高速（如 LVDS）、差分信号 需 DC 供电（部分通过示波器接口）；可同时测差分、单端、共模信号
逻辑探头 MSO 专用，2 个 8 通道 pods， recessed 接地，低电容负载（减少信号失真） 蓝色同轴标识首通道，通用接地适配自定义连接
专用探头 电流、高压、光学探头等，转换非电信号为电信号 需匹配测量场景（如高压探头测高电压信号）
（2）探头附件与选择
智能接口：自动识别探头衰减（如 10X）与类型，调整示波器显示。
接地引线适配器：缩短探头尖端到 DUT 的接地距离，提升高速信号完整性。
选择原则：探头 + 示波器带宽≥信号最高频率 ×5，最小化负载（电阻 / 电容 / 电感）。
性能参数与考量（Performance Terms and Considerations）
（1）核心性能参数
参数 定义与关键数据 计算公式 / 规则
带宽 正弦信号衰减至 70.7%（-3dB）的频率，决定信号高频响应 5 倍规则：示波器带宽≥信号最高频率分量 ×5
上升时间 信号从 10% 到 90% 幅度的时间，反映快速变化捕捉能力 1/5 规则：示波器上升时间≤信号最快上升时间 ×1/5；上升时间 = k / 带宽（k=0.35-0.45，＜1GHz 用 0.35，＞1GHz 用 0.40-0.45）
采样率 每秒采样次数（S/s），决定波形细节 实时采样：sinx/x 插值需≥2.5× 信号最高频率；线性插值需≥10× 信号最高频率
波形捕获率 每秒捕获波形数（wfms/s），决定瞬态事件捕捉概率 DPO：百万级 / 秒；DSO：10-5000 级 / 秒
记录长度 单波形的采样点数，决定数据量 时间间隔 = 记录长度 / 采样率，例：100k 点记录长度，1GS/s 采样率，时间间隔 = 100μs
有效位数 衡量 ADC 重建正弦波的精度，含噪声与失真影响 需指定信号频率与幅度
垂直灵敏度 垂直放大器放大弱信号的能力，单位 mV / 分区 通用示波器最小约 1mV / 分区
时基精度 水平系统显示时序的准确性 通常为百分比误差（如 ±0.01%）
（2）其他考量
扩展性：支持增加内存、应用模块（如抖动分析、视频测试）、第三方软件（MATLAB）。
易用性：前端面板分区（垂直 / 水平 / 触发）、图形界面、触摸屏、便携性（适合实验室 / 现场）。
示波器操作与测量技术（Operating & Measurement Techniques）
（1）操作步骤
正确接地：
示波器：3 脚电源插头接大地，防触电与确保测量基准。
人员：接触 IC 时戴接地手环，防静电损坏（IC 导电路径脆弱）。
控制设置：
垂直：选择通道，伏 / 格与位置居中，耦合设 DC，关闭变量增益。
水平：秒 / 格与位置居中，记录长度按需选择。
触发：模式设自动，源选当前通道，触发电平居中，抑制设最小。
校准：环境温度变化超 5℃或每周 1 次，执行 “信号路径补偿”（参考示波器手册）。
探头连接与补偿：
连接：探头尖端接测试点，接地夹接 DUT 地（如金属 chassis）。
补偿：将探头接示波器方波参考信号，调整探头使方波边角平直（避免欠补偿 / 过补偿导致测量误差）。
（2）测量技术
电压测量：
调整伏 / 格使信号占满 80% 垂直分区（提升精度）。
数信号垂直跨度（分区数），电压 = 分区数 × 伏 / 格 × 探头衰减比（如 10X）。
例：2V/div，信号占 4 分区，10X 探头，电压 = 4×2V×10=80V（峰峰值）。
时间与频率测量：
调整秒 / 格使信号周期占满水平分区。
数信号周期的水平跨度（分区数），周期 = 分区数 × 秒 / 格；频率 = 1 / 周期。
例：1ms/div，周期占 5 分区，周期 = 5×1ms=5ms，频率 = 1/5ms=200Hz。
脉冲宽度与上升时间测量：
脉冲宽度：在信号 50% 幅度处测量水平跨度，乘以秒 / 格。
上升时间：在信号 10%-90% 幅度处测量水平跨度，乘以秒 / 格。
相位差测量：
开启 XY 模式，CH1 接信号 1（Y 轴），CH2 接信号 2（X 轴），形成李萨如图形。
根据图形形状判断相位差（如 1:1 频率比，直线为 0°，圆为 90°）。
