模拟示波器与数字示波器有什么不同？

什么是示波器？示波器的作用是什么？

示波器是一种电子测试仪器，用于观察和测量电信号随时间变化的波形。它可以显示信号的幅度、频率、周期、上升时间、下降时间等多种特性。示波器广泛应用于电子工程、电气工程、通信、自动化控制等领域。

示波器的作用:

波形显示：示波器可以实时显示电信号的波形，帮助工程师和技术人员直观地分析信号的变化情况。

信号测量：用户可以使用示波器测量信号的幅度（峰值、均方根）、频率、周期、脉宽、占空比等参数。

信号比较：通过多个通道输入，示波器可以同时显示多个信号的波形，便于对不同信号进行比较和分析。

故障诊断：在设备维护和故障排查中，示波器可以帮助识别信号畸变或异常，找出问题所在。

调试和验证：在产品开发过程中，工程师利用示波器调试电路并验证其性能是否符合设计要求。

示波器的分类：

根据示波器的发展历史目前的示波器主要可以分为：

模拟示波器：采用模拟电路直接显示输入信号的波形，通常使用阴极射线管（CRT）作为显示器。

数字示波器：使用模数转换器将输入信号转换为数字数据，再进行处理和显示。常见的类型包括数字存储示波器（DSO）和混合信号示波器（MSO）。

模拟示波器：

模拟示波器的原理：

模拟示波器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）。电子束投到荧幕的某处，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，信号的电压是电子束发生上下偏转， 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。在被测信号的作用下，电子束就好像一支笔的笔尖，可以在屏幕上描绘出被测信号瞬时值的变化曲线。

图 模拟示波器结构框图

模拟示波器的优点：

‌实时性好‌：模拟示波器能够瞬间显示波形，几乎没有延时，这对于需要快速响应的测试场景非常有利。

‌原理简单‌：模拟示波器的工作原理相对简单，这使得其制作和维护成本较低。

‌价格便宜‌：由于原理简单和制作成本较低，模拟示波器的价格通常较为亲民，适合预算有限的用户。

‌反应速度快‌：模拟示波器在测试某一信号时，能够在瞬间显示波形，显示出极高的反应速度，这对于需要快速响应的测试场景尤为重要

模拟示波器的缺点：

1.带宽有限：模拟示波器的输入信号是放大后直接控制CRT显示屏的电子枪偏转。虽然放大器的带宽可以越来预高，但是CRT电子枪的偏转速度是有限的，对于高频信号，电子枪的速度跟不上信号变化。因此，当前模拟示波器带宽只有几百MHz。

2. 无法存储和分析：没有内置的内存来记录和保存信号波形，不能对历史信号进行回顾和分析。

3. 功能较少：模拟示波器通常只能显示基本的电压-时间波形，缺乏如自动测量、数据存储、频谱分析和数学运算等数字示波器具备的高级功能。

4.触发能力太弱：基本只能边沿触发吧。

数字示波器：

数字示波器的原理：

数字存储示波器始于80年代初期。采用现代的A/D技术和计算机技术实现的示波器，是示波器工业的一次革命，是当今示波器的主流。

图 数字示波器原理框图

数字示波器的原理包括以下部分：

信号输入：待测电信号通过探头被送入示波器。通常，输入信号会经过衰减器或放大器调整至适当范围，以便后续处理。

模数转换（ADC）：信号首先进入模数转换器（ADC），将连续的模拟信号转换为一系列离散的数字数据。ADC的分辨率和采样率决定了信号表示的精度和带宽。

信号采集：

采样：数字示波器以固定频率对信号进行采样，以获取信号在每个时间点上的幅值。

触发：为了稳定显示周期性信号，示波器使用触发电路来选择开始采集的点。这确保每次采集的数据起始于相同的信号条件。

4. 数据存储：采样得到的数字数据会被暂时存储在示波器的存储器中。这允许用户查看历史波形，并在回顾模式下详细分析信号特征。

5. 信号处理与分析：

数字示波器可以执行各种信号处理任务，如滤波、FFT等。

能够进行自动测量，包括频率、周期、峰值、电压等参数。

6. 显示：经过处理后的波形数据通过显卡和显示模块呈现在屏幕上，用户可以看到信号随时间变化的可视化图像。现代数字示波器一般使用LCD或LED屏幕。

7. 通信与存储：许多现代数字示波器支持通过USB、LAN或其他接口与计算机连接，以传输数据或进行远程控制。同时，它们通常也配备内置存储设备用于保存捕获的波形和配置文件。

数字示波器的应用：

电路调试与验证：

用于检测电路中的故障，通过捕捉异常信号来识别问题。

验证集成电路（IC）和组件的性能，确保其按规格运行。

可用于分析瞬态现象，如开关电源启动过程。

通信系统：

分析高速串行总线如USB、以太网的信号完整性。

通过眼图分析提供对抖动、上升/下降时间等参数的评价。

测量调制信号的关键特性，确保有效数据传输。

嵌入式系统开发：

调试微控制器的I/O接口，确保正确的数据传输。

解码和验证协议栈，如I²C、SPI、UART等。

测试FPGA开发板上的信号，以优化设计。

电源设计与测试：

对开关模式电源（SMPS）的输出纹波进行测量。

检查电源效率，通过测量输入输出功率进行评估。

观察电压瞬态响应，确保电源在不同负载下的稳定性。

汽车电子：

分析CAN、LIN和FlexRay等汽车总线信号。

监控发动机控制单元（ECU）和传感器之间的通信。

帮助研发和故障诊断，提升车辆性能和安全水平。

数字示波器和模拟示波器的区别：

信号处理方式：

模拟示波器：直接使用电子电路显示输入信号的波形，通过阴极射线管（CRT）物理描绘信号。

数字示波器：将输入信号数字化，通过模数转换器（ADC）进行采样，然后处理和显示采集到的数字数据。

显示技术：

模拟示波器：使用CRT屏幕，每次只能显示实时信号，无法存储或回顾波形。

数字示波器：通常采用LCD或LED屏幕，可以存储和回放信号数据，支持多种显示模式。

测量功能：

模拟示波器：提供基本的时间和电压测量，缺乏自动测量和高级分析能力。

数字示波器：具备自动测量功能，可以进行复杂的信号分析，如频谱分析、数学运算和协议解码。

触发能力：

模拟示波器：触发选项有限，基础的边沿触发为主。

数字示波器：提供更灵活的触发选项，包括脉宽触发、视频触发、逻辑触发等。

带宽与采样率：

模拟示波器：高频响应性能好，但受限于CRT技术，难以准确地捕获非常高频的信号细节。

数字示波器：带宽和采样率较高，能够对快速变化的信号进行精准采样和分析。

存储和记录：

模拟示波器：不具备存储波形的能力，只能观察瞬时的信号变化。

数字示波器：可以保存和导出波形数据，方便后续分析和文档记录。

体积和便携性：

模拟示波器：通常体积较大且笨重，不适合便携使用。

数字示波器：设计更为紧凑轻便，携带和使用更为方便。

价格和成本：

模拟示波器：一般较为经济，特别是在简单应用中。

数字示波器：功能丰富但通常价格较高，尤其是在高性能型号中。

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