露一手：自制數字示波器

　　下面就示波器的基本原理簡(jiǎn)要介紹一下，再就數字示波器與模擬示波器做一個(gè)簡(jiǎn)要的比較。物理學(xué)理論可以證明，一端通過(guò)細繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線(xiàn)的距離滿(mǎn)足正弦波規律。沙漏實(shí)驗可以清晰地顯示這個(gè)隨時(shí)間變化的波形：用沙漏充當重物，并且在沙漏底下的桌面上平鋪一張紙，當沙漏開(kāi)始擺動(dòng)時(shí)，讓紙勻速移動(dòng)。這樣，沙漏中流出的細沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波痕跡，如圖1所示。利用這種設計思想，可以完成波形在平面上（對應于時(shí)間的流動(dòng)）的展開(kāi)。

　　這種設計思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機，就是用原地擺動(dòng)的電熱針，在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。

　　利用心電圖機的結構，雖可以記錄電壓信號，但是，示波器在大量的應用中，并不需要通過(guò)消耗紙張來(lái)記錄波形，而僅僅是觀(guān)察波形。因此，可以重復使用的CRT示波管被應用到示波器的設計中。模擬示波器把需觀(guān)測的兩個(gè)電信號加至示波管的X、Y 通道以控制電子束的偏移，從而獲得熒光屏上關(guān)于這兩個(gè)電信號關(guān)系的顯示波形。這種模擬示波器體積大、重量重、成本高、價(jià)格貴，并且不太適合用于對非周期的、單次信號的測量。數字示波器首先對模擬信號進(jìn)行高速采樣獲得相應的數字數據并存儲。用數字信號處理技術(shù)對采樣得到的數字信號進(jìn)行相關(guān)處理與運算，從而獲得所需的各種信號參數。根據得到的信號參數繪制信號波形，并可對被測信號進(jìn)行實(shí)時(shí)的、瞬態(tài)的分析，以方便使用者了解信號質(zhì)量，快速準確地進(jìn)行故障的診斷。測量開(kāi)始時(shí)，操作者可通過(guò)操作界面選定測量類(lèi)型、測量參數及測量范圍（可選自動(dòng)設置，由儀器自動(dòng)設置最佳范圍）；微處理器自動(dòng)將測量設置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數據采集；采集完成后，由微處理器對采樣數據按測量設置進(jìn)行處理，提取所需要的測量參數，并將結果送顯示部件。

　　使用模擬示波器和數字示波器通常都能很好地觀(guān)察簡(jiǎn)單重復性信號。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，如圖2所示。對于模擬示波器來(lái)說(shuō)，由于CRT的余輝時(shí)間很短，因而難于顯示頻率很低的信號。由于示波管上的掃描軌跡亮度和掃描速度成反比，所以具有快速上升、下降時(shí)間的低重復速率信號就很難看到。而數字示波器的掃描軌跡亮度和掃描速度與信號重復速率無(wú)關(guān)，故可以很好地反映出來(lái)。對于顯示具有較高重復速率的重復性信號的快速上升、下降沿來(lái)說(shuō)，數字存儲示波器和模擬示波器的性能幾乎沒(méi)有什么區別，用兩種示波器都能很好地觀(guān)察信號波形。當要進(jìn)行信號參量的測量時(shí)，數字存儲示波器的優(yōu)點(diǎn)在于具有自動(dòng)測量各種參數的能力。而使用模擬示波器時(shí)，則必須自己設置光標、分析理解顯示的波形才能得到測量的結果。但是如果要進(jìn)行調整工作，那么一般最好使用模擬示波器。這是因為模擬示波器的實(shí)時(shí)顯示能力使它在每時(shí)每刻都能顯示出輸入的電壓。其波形更新速率（每秒鐘在屏幕上描畫(huà)掃描軌跡的次數）很高，所以信號的任何變化都會(huì )立即顯示出來(lái)。與模擬示波器相反，數字示波器所顯示的是用采集的波形數據重建的波形，所以其波形更新率遠低于模擬示波器，結果在信號發(fā)生變化和變化了的信號在屏幕上顯示出來(lái)之間就有了一定的時(shí)間延遲，這是數字示波器的重大缺點(diǎn)。

　　但是綜合起來(lái)數字示波器還是有很大優(yōu)勢的。

　　自制示波器，做模擬示波器還是數字示波器？當然要做就做數字的！因為做數字示波器更簡(jiǎn)單，請往下看：

　　1. 模擬示波器需要與帶寬相適應的CRT示波管，隨著(zhù)頻率的提高，對CRT示波管的工藝要求嚴格，成本增加，存在技術(shù)瓶頸。所以在電子市場(chǎng)上不好買(mǎi)，性能好的大多數是進(jìn)口品牌，其價(jià)格昂貴且需要處理的問(wèn)題也多，比如要產(chǎn)生陽(yáng)極高壓、掃描鋸齒波，還要對示波管進(jìn)行電磁屏蔽等等，而且做出來(lái)體積很大，便攜就更談不上了。而數字示波器只需要與帶寬相適應的高速A/D轉換器，其他存儲器和D/A轉換器以及顯示器都是較低速的部件，顯示器可用LCD顯示模塊，在電子市場(chǎng)很容易買(mǎi)到，價(jià)格也不貴而且應用簡(jiǎn)單，只需考慮與微處理器的接口，體積小且功耗遠小于CRT示波管。使用LCD顯示模塊做示波器，做成便攜的很容易，做成示波表都沒(méi)問(wèn)題！當然LCD顯示模塊也有其不足之處，比如亮度和對比度不如CRT示波管，但綜合考慮，LCD顯示模塊的優(yōu)勢還是比較明顯的。

　　2. 模擬示波器是一個(gè)完全的硬件結構，做好之后很難進(jìn)行功能升級，而數字示波器不同，在保證基本硬件后它的控制以及其他功能的實(shí)現都是由軟件來(lái)實(shí)現的。這樣升級就變得非常容易，你甚至可以把它當成一塊開(kāi)發(fā)板用來(lái)練習編程！做一個(gè)能當開(kāi)發(fā)板用的示波器，你還猶豫嗎？

　　基于以上兩種原因，制作數字示波器當然是不二之選！

　　本文介紹的就是我制作的一臺便攜式數字示波器（如圖3所示）。

　　由于采用320×240分辨率的顯示器，所以顯示波形非常細致。圖4～圖11為該示波器測量不同頻率信號時(shí)的實(shí)拍照片。