什么是示波器？示波器信號的基本原理

示波器電子技術在我們的生活中無所不在。每天都有上百萬人使用電子產品，例如手機、電視和計算機。隨著電子技術的進步，這些產品的工作速度也變得越來越快。如今，大多數電子產品都采用了高速數字技術。

工程師們應當能夠精確地設計和測試他們在高速數字產品中所使用的元器件。他們在設計和測試元器件時所使用的儀器必須特別適合處理高速和高頻的特性才行，而示波器正好是這樣的一種儀器。

示波器是一種功能強大的工具，在設計和測試電子器件方面很有用。它們在您判定系統器件是否正常方面扮演極為重要的角色，而且還能幫助您確定新設計的元器件是否按照預想的方式進行工作。示波器的功能遠比數字萬用表更強大，因為它們可以使您觀察電子信號的實際情況。

示波器的應用極為廣泛，包括通用電子測試、工業自動化、汽車、大學的研究實驗室以及航空航天 / 國防產業等。許多公司都依賴示波器來查找缺陷，從而制造出質量過硬的產品。

電子信號

示波器的主要用途是顯示電子信號。通過觀察示波器上顯示的信號，您可以確定電子系統的某個元器件是否在正常工作。因此，要想了解示波器的工作方式，必須先要了解信號的基本示波器原理。

波形特性

電子信號會以波形或脈沖的形式出現。波形的基本特性包括：

幅度 - 在工程應用中經常使用的幅度定義主要有兩個。第一種通常稱為峰值幅度，定義為干擾信號的最大位移量。第二種是均方根（RMS）幅度。要計算波形的 RMS 電壓，必須將波形值平方并求出平均電壓，然后再求平方根。對正弦波來說，RMS 幅度等于峰值幅度的 0.707 倍。

相移 - 相移是指兩個其他條件都相同的波形之間的水平位移量，以度或弧度為單位。正弦波的周期以 360 度來表示。因此，如果兩個正弦波相差半個周期，那么它們的相對相移就是 180 度。

周期 - 波形的周期是指波形重復出現一次所花費的時間，以秒為單位。

頻率 - 每個周期性波形都有一個頻率。頻率是指波形在一秒內重復出現的次數（如果您使用 Hz 為單位）。頻率與周期互為倒數。

圖 1. 正弦波的峰值幅度和 RMS 幅度

圖 2. 三角波的周期

波形

波形是指波的形狀或圖像。波形可以提供許多有關信號的信息，例如，它可以告訴您電壓是否突然發生改變、呈線性變化或保持不變。標準的波形有很多種，本節僅介紹您最常遇到的幾種。

正弦波 - 正弦波通常與交流（AC）電源有關，例如您屋內的電源插座。正弦波的峰值幅度并非一直恒定，如果峰值幅度會隨著時間不斷地下降，我們就稱這種波形為阻尼正弦波。

圖 3. 正弦波

方波 / 矩形波 - 方波會在兩個不同的值之間周期性地跳動，因此在高點和低點部分的長度會相等。矩形波不同的地方在于高、低點部分的長度并不相等。

圖 4. 方波

三角波 / 鋸齒波 - 在三角波中，電壓會隨著時間呈線性變化。它的信號邊沿稱為斜波，這是因為其波形會斜升或斜降到某個電壓。由于鋸齒波前面或后面的信號沿會隨著時間產生線性的電壓響應，所以看起來與三角波類似。但對面的信號沿幾乎是立即下降的。

脈沖 - 脈沖是指突然出現在固定電壓中的干擾，就像在一個房間中突然打開電燈，然后迅速熄滅電燈的情形。一連串的脈沖被稱為脈沖串。延續前面的比喻，這就好比不斷重復快速開燈與關燈的動作一樣。脈沖是信號中常見的毛刺或錯誤波形。如果信號只傳送一條信息，那么脈沖也可看作是一個波形。

圖 5. 三角波

圖 6. 鋸齒波

圖 7. 脈沖

復合波

波形也可以是以上各種波形的混合。它們不一定要具備周期性，而且可以是非常復雜的波形。

模擬信號與數字信號的比較

模擬信號代表給定范圍內的任意值。您不妨想象一下模擬時鐘，時針每隔 12 個小時旋轉 1 周。在此期間，時針一直不斷移動，不會出現讀值跳動或不連續的情形。現在將它與數字時鐘比較一下。數字時鐘僅顯示小時和分鐘，因此是以分鐘作為間隔時間。它會一下子從 11:54 跳至 11:55。數字信號同樣具備離散和量化的特性。通常，離散信號具有兩個可能的值（高或低，1 或 0 等），因此信號會在這兩個可能的值之間上下跳動。

什么是示波器，您為什么需要它？

信號完整性

示波器的主要用途是精確地顯示電子信號。因此，信號完整性顯得非常重要。信號完整性是指示波器重建波形并且精確顯示原始信號的能力。由于在示波器的波形不同于真實信號時，測試毫無意義，所以信號完整性低的示波器是沒有價值的。但是，無論示波器的性能有多高也無法完全再現真實信號。這是因為當您將示波器連接到電路時，示波器就會變成電路的一部分。換言之會有一些負載效應產生。儀器制造商雖然盡力將負載效應降至最低，但就某種程度而言它們仍然會存在。