模拟示波器使用电子枪扫描示波器的屏幕，偏转电压使电子束从上到下均匀扫描，将波形显示到屏幕上，它的优点在于实时显示图像。
模拟示波器的原理框图如下：
见上图所示，被测试信号经过垂直系统处理（比如衰减或放大，即我们拧垂直按钮－volts/div），然后送到垂直偏转控制中去。而触发系统会根据触发设置情况，控制产生水平扫描电压（锯齿波），送到水平偏转控制中。
水平扫描和垂直偏转能使信号的波形图像能够显示到屏幕上，不过触发系统也是必不可少的，它不仅仅是让你抓到你需要的波形，还能够使图像稳定地显示到屏幕上，它能使重复的波形能够在同一个点开始扫描，在屏幕显示一个干净和稳定的图像。
下图显示了没有触发和触发的波形：没有触发的波形比较乱和在闪动，不稳定，而触发的波形则非常的稳定和干净。
一般来说，使用一个模拟示波器，我们主要需要调整三个基本方面，也就是上面说的三个部分：
信号的衰减或者放大情况：使用volts/div旋钮，可以调整信号在屏幕的范围里面，垂直大小合适。
触发系统：可以调整触发电平，能够使波形稳定显示，或者寻找到我们需要的波形。
当然，调整亮点的大小和亮底，可以使波形显示达到最佳的显示效果。
2F
数字示波器
数字示波器的原理图如下：
为了增强示波器的综合能力，数据处理是必须的。另外预触发能够让我们能够看到触发前的波形情况。
第三部分采样方法
对于比较慢的信号，示波器能够采到足够的采样点来显示波形，而对于比较快的信号（这里的快慢是针对示波器的采样频率来讲的），示波器不能够采到足够的采样点来显示波形。因此，示波器采样一般采用两种方法来对信号采样，一是实时采样，二是等效采样。
1．实时采样：
如果没有特别表明的情况下，示波器给出的采样速率都是实时采样速率，也就是一次采样的速率。
实时采样示意图如上面所示，它在一次采样中采尽量多的点，而且都是顺序采样的。由于采样得到的点是离散的点，而我们显示一般情况下都是显示波形曲线（当然也可以用点显示模式，但是很少用），这就涉及到一个内插的问题，将点还原为曲线，一般有两种方法：直线连接和曲线模拟，曲线模拟主要使用正弦曲线做拟合，效果分别见下面所示。
2．等效采样：
每个周期采样一些点，经过多个周期后将这些点拼起来，就是一个完整的图，不过这要求波形是周期性的，否则误差会比较大。等效采样有两种方式：一种是随机采样，另外一种是顺序采样。
对于那些快速信号，实时采样可能一次采不到足够的点，于是就要采用等效采样，等效采样只对那些周期性的信号有意义。等效采样有两种，一种是随机采样，另外一种是顺序采样，随机的示意图如下：
由于是周期性的信号，信号在每个周期都是一样的，随机采样就将整个波形分开采样，随机采集信号，经过数个周期，就能够将一个完整的波形采集完毕，将这些采集点拼起来，就是一个完整的波形了。而顺序采样，就是按照顺序来，第一次采1、2、3点，第二次采4、5、6点等，直到将整个波形采集完毕。
无论是哪种等效采样方式，它们的结果就是提高采样能力，比如一个实时采样的速率为1GSa/s的示波器，它使用等效采样的方式来采样，每次都用最高的实时采样速率采集数据，花了10次才将一个波形周期采集完毕，那么它的等效采样速率就是10GSa/s，即提高到了10倍。
第四部分示波器的操作与控制
第五部分示波器的触发
示波器的触发，相对来说，里面的玄机就多一点。我们最常使用的是边沿触发，比如上升沿触发或者下降沿触发。
一般示波器的主要触发有：
作为熟练的硬件工程师，除了最常用的边沿触发模式外，还应该掌握脉冲触发中的毛刺触发、矮电平触发、脉冲宽度触发，以及单次触发等，另外如果需要测试时序的话，掌握逻辑触发也是很有用的。
下面以TDS5054为例，介绍一下脉冲触发方式。高级的触发设置在触发的菜单中。点击菜单中TRIG，在下拉菜单中选择EDGESETUP，进入如下设置界面。
1、毛刺Glith触发：
选择了毛刺触发后，就可以在右边选择毛刺触发的类型和宽度，还可以设置电平等。
2、矮电平Runt触发
2-5-3矮电平触发设置－上下界线设置示意图
设置完毕就可以开始进行测试，见上图。
3、脉冲宽度Width触发
在选择了宽度width后，在下边选项Polarity选择脉冲极性，然后在脉冲宽度选项TrigWhen中选择触发类型（超出设置值还是小于设置值）和设置数值，见下图，再设定电平，设置完毕就可以开始测试了。
图2-5-4
上面几种触发，在测试总线和控制信号的异常情况方面，比较有用。
4、单次触发
单次触发并非一个独立的触发方式，它和其他方式一起使用，只是其他方式可以进行多次的触发，而单次触发只会触发一次就停止了，并将信号显示出来，比如对于上电的电压上升的情况、捕获很少出现的脉冲毛刺等比较有用。
第六部分示波器的存储深度
虽然存储深度是示波器的四大指标之一（分别为带宽、采样速率、通道数和存储深度），但是最后一个指标，厂家通常很少提的，不提并不表示它的重要性，而是他们有意淡化这个问题而已。比如TDS794D的存储深度，标准配置为每通道50k点。存储深度和采样速率的关系是：
存储深度＝最快采样速率×最大采样速率时限×500
例如上面的TDS794D，在标准配置的情况下，如果用最大的采样速率（4GSa/s）采样时，它的最大采样速率时限为25ns，此时时基为25/10＝2.5ns/div（注：实际上没有这个档，比较说明而已），也就是意味着，如果你将时基调整到2.5ns/div以上时，采样速率就要降低。大家平时也可能注意到，当我们测试数兆频率的信号，示波器左上角显示的采样速率会远远比示波器的最高采样速率要小。
存储深度比较大的好处在于，测试比较低速的信号时，能够以比较高的采样速率来取样，也就是能够看到更多的细节，这就是存储深度的奥妙所在。
值得指出的是，存储深度和采样速率都有单通道、双通道、全通道等的差别。比如794D的采样速率为4GSa/s，其实它是单通道下面的最高采样速率，如果开了双通道，就变成了每个2GSa/s，如果开了三个以上通道，就变成每个通道1GSa/s，同理，在存储深度也有这样的情况，就是通道存储深度。但是这个不是绝对的，有很多例外的情况，如TDS220，厂家标的采样速率是每通道1GSa/s，而不是所有通道的和，同样部分示波器标配的存储器为50k深度，是所有的通道都是50k，这些细节需要查看厂家的手册才比较明确。还有的694C，也是每个通道采样速率达10GSa/s，不是所有通道采样速率的和。
第七部分示波器的探头
图2-7-1通用探头的分类情况
图2-7-2显示了探头的输入阻抗和带宽的关系，通常来说带宽高的探头，它的输入阻抗普遍要低。比如同样是有源探头的P6204和P6249，带宽分别为1GHz和4GHz，它们的输入输入阻抗分别为10M欧姆和20k欧姆。需要注意的是，阻抗会随着输入信号的频率而变化，比如随着频率的升高而减低，它不是一个恒定的数值。
上图显示的是一些比较老的探头的输入阻抗和带宽的关系，现在已经有不少提高了。在低端，主要影响的因素是输入阻抗，而在高端，主要的影响因素不再是输入阻抗，而是输入电容。
探头作为测试信号的连接设备，其输入电压是有限制，因此我们使用探头时需要特别注意探头的测试范围。输入电压比较高的探头，它的带宽也低，反之，带宽高的探头，它的输入电压范围比较小。比如有源探头P6245的带宽为1.5GHz，它的输入电压范围仅为±40V，而500MHz带宽的无源探头P5050的最大输入电压为300V。
探头特别是有源探头，都需要校准的。一般是利用示波器提供标准的1kHz的信号来校准。图2-7-3显示了校准的效果。
图2-7-4探头的地线效果示意图
示波器：TEK的TDS580C，1GHz带宽，4GHz采样速率。
探头1：无源探头P6139，500M带宽，10M欧姆输入电阻，8pF输入电容，10倍衰减，地线比较长，加上夹子大约13cm；
探头2：有源探头P6245，1.5GHz带宽，1M欧姆输入电阻，1pF输入电容，10倍衰减，短地线，长约3cm）。
波形2-7-5为无源探头P6139的测试波形，图2-7-6为有源探头P6245的测试波形，从两个波形看出，无源探头加长地线的结果是有比较大的过冲，并有轻微的振荡。另外由于反射波的原因，造成上升沿变陡。因此如果要得到比较准确的波形，最好选用带宽高、输入电容低的有源探头，并使用短地线，如果图方便使用长地线，只会带来更大的误差。
图2-7-5无源探头P6139的测试波形图
图2-7-6有源探头P6245的测试波形图
示波器因为有探头的存在而扩展了示波器的应用范围，使得示波器可以在线测试和分析被测电子电路。
探头的选择和使用需要考虑如下两个方面：
其一：因为探头有负载效应，探头会直接影响被测信号和被测电路；
其二：探头是整个示波器测量系统的一部分，会直接影响仪器的信号保真度和测试结果
一、探头的负载效应当探头探测到被测电路后，探头成为了被测电路的一部分。探头的负载效应包括下面3部分：1.阻性负载效应；2.容性负载效应；3.感性负载效应。
图2探头的负载效应
图3探头的阻性负载
图4探头的容性负载
图5探头的感性负载
有源探头细分如下：1.单端有源探头；2.差分探头；3.电流探头
最常用的高阻无源探头和有源探头简单对比如下：
表1有源探头和无源探头对比
图6低输入电阻探头结构
带补偿的高阻无源探头是最常用的无源探头，一般示波器标配的探头都是此类探头。带补偿的高阻无源探头具备较高的输入电阻（一般1Mohm以上），可调的补偿电容，以匹配示波器的输入，具备较高的动态范围，可以测试较大幅度的信号（几十幅以上），价格也较低。但是不知之处是输入电容过大（一般10pf以上），带宽较低（一般500MHz以内）。
图7常用的无源探头结构
带补偿的高阻无源探头有一个补偿电容，当接上示波器时，一般需要调整电容值（需要使用探头自带的小螺丝刀来调整，调整时把探头连接到示波器补偿输出测试位置），以与示波器输入电容匹配，以消除低频或高频增益。下图的左边是存在高频或低频增益，调整后的补偿信号显示波形如下图的右边所示。
图8无源探头的补偿
图9高压探头的结构
图10无源探头和有源探头对被测信号和测量结果的影响
图11有源探头结构
图12差分探头结构
图13电流探头测试直流和低频时的工作原理
电流探头在测试高频时的工作原理：随着被测电流频率的增加，霍尔效应逐渐减弱，当测量一个不含直流成分的高频交流电流时，大部分是通过磁场的强弱直接感应到电流探头的线圈。此时，探头就像一个电流变压器，电流探头直接测量的是感应电流，而不是补偿电流，功放的输出为线圈提供一个低阻抗的接地回路。
图14电流探头测试高频时的工作原理
电流探头在交叉区域时的工作原理：当电流探头工作在20KHz的高低频交叉区域时，部分测量是通过霍尔传感器实现的，另一部分是通过线圈实现的。
图15电流探头交叉区域的工作原理
四、有源探头附件现代的高带宽有源探头都采用分离式的设计方法，即：探头放大器与探头附件部分分开。这样设计的好处是：1、支持更多的探头附件，使得探测更加的灵活；2、保护投资，最贵的是探头放大器（一个探头放大器可以支持多种探测方式，以前需要几个探头来实现）；同时探头附件保护探头放大器（探头附件即使损坏，价格也相对便宜）；3、这种设计方式容易实现高带宽。
图17有源探头附件的结构
有源探头为了保持探头的精确度，需要工作在恒温状态，所以探头放大器不能放置到高低温箱里进行高低温环境下被测电路板的测试。从探头附件结构中可见中间的50ohm传输线的长短不影响探测，所以可以用很长的同轴电缆或扩展同轴电缆，让这个同轴电缆伸进高低温箱里进行高低温换进下被测电路板的测试。如下图是N5450A扩展电缆，使用N5381A焊接探头附件，可以工作在-55°到150°温度范围。
使用N5450A扩展电缆和N5381A探头附件，使用1169A12GHz探头放大器，在-55°和150°环境下的频响曲线如下图所示，可见能够满足高速信号测试的要求。
图19高低温探头在高低温下的频响
图20不同探头附件测试结果对比
图21探头验证夹具
然后把被验证的探头连接到通道2上，探头通过探头附件可以接触到测试夹具的信号和地（如果是差分探头，那么把+端连接到测试夹具的信号线，把-端连接到测试夹具的地上）。1、如果探头不接触信号线，则屏幕上会出现一个原始波形，存为参考波形；2、当用探头探测信号线时，通道1的波形会发生变化，这个变化后的波形就是被探头和探头附件影响后的被测信号；3、这时，连接探头的通道2会出现一个波形，这个波形是探头测试到的波形；4、通过对比参考波形，通道1的波形，和连接探头的通道2的波形，就可以直观的看出或通过测试参数读出三者的差别，可以验证探头和探头附件的影响。
图22探头验证连接和原理
图23探头验证实例
第八部分示波器在使用时要避免的错误：
在理想情况下，所有探头都应该是一条不会对被测设备产生任何干扰的导线，当连接到您的电路时，具有无穷大的输入电阻，而电容和电感为零。这样将会精确复制被测信号。但现实情况是，探头会给电路带来负载效应。探头上的电阻、电容和电感元件可能改变被测电路的响应。
了解在测试中可能遇到的错误，以及如何通过更好的操作改进测量。探头的电气特性会影响测量结果和电路的工作。采取措施确保这些影响在可接受的范围内，是成功测量的关键步骤。在使用示波器时，常见的错误有以下七种：
错误1没有校准探头
探头在出厂的之后都进行过校准，但它们没有针对示波器前端进行校准。如果它们未在示波器输入端上进行校准，那么就无法得到正确的测量结果。
有源探头
如果有源探头没有针对示波器进行校准，在测试时将看到垂直电压测量结果和上升沿时序（以及可能的一些失真）出现差异。大多数示波器具有参考或辅助输出功能，还配有操作指南来引导工程师完成探头校准。
图1：发生器输出和探测到的信号
无源探头
可以调节探头的可变电容，使补偿与正在使用的示波器输入完美匹配。大多数示波器都有可以用于校准或参考的方波输出。探测这个连接，检查波形是否为方形。根据需要调整可变电容，以消除所有下冲或过冲。
图2：经过幅度和偏移校准后
错误2增加探头负载效应
只要将探头连接到示波器并将它与待测设备接触，探头就会成为电路的一部分。探头对待测设备施加的电阻、电容和电感负载效应会影响工程师在示波器屏幕上看到的信号。这些负载效应可能会改变被测电路的工作状态。了解这些负载效应，有助于工程师避免为特定的电路或系统选择错误探头。探头具有电阻、电容和电感特性，如图3所示。
图3：探头的基本电路
为了接触到周围环境过于狭小的探测点，可能需要想方设法添加长引线或电线。但是，为探头添加附件或探针会降低带宽、增加负载效应，进而导致频率响应不再平坦。
图4：不同的探头引线长度对应的探头负载效应
另外，最好要使用较短的接地引线，因为它们越长，引入的电感就越多。保持接地线尽量短并尽量靠近系统接地点，以便确保可重复和准确的测量。
技巧：如果必须在探针上添加导线才能接触到难以到达的探测点，那么最好为探针添加一个电阻，以减弱所添加的导线引起的谐振。添加长引线时，您可能无法解决带宽限制问题，但可以将频率响应变平坦。为了确定将要使用的电阻大小，可以探测一个已知方波，例如示波器上提供的参考方波。如果电阻设置正确，您将会看到一个干净的方波（除了其带宽可能受限之外）。如果信号发生振铃，请增加电阻的大小。单端探头只需要在探针处增加一个电阻。如果您使用的是差分探头，请为每根引线添加一个电阻。
图5：在探针上增加一个电阻，可以克服长探头连接所引起的谐振，减少振铃和过冲。但是，它不能解决由于添加引线导致的带宽限制
错误3没有充分利用您的差分探头
差分探头可以进行与单端探头相同的测量，并且由于差分探头在两个输入端上有共模抑制，所以差分测量结果的噪声大为减少。这使您可以看到被测设备信号的更好表示，而不会被探测所增加的随机噪声误导。
图6中的蓝色单端测量信号和图7中的红色差分测量信号。蓝色的单端测量结果与红色的差分测量结果相比，噪声要多得多，因为单端探头缺少共模校正功能。
图6：单端测量
图7：差分测量
错误4选择了错误的电流探头
大电流和小电流测量需要捕获的细节并不相同。工程师要知道为应用选择哪种电流探头更合适，以及使用错误的探头可能会遇到哪些麻烦。
大电流测量
如果使用钳形探头测量大电流（10A-3000A），那么待测设备必须足够小，使钳形探头能够夹住它。如果设备太大使得钳形探头无法夹住，那么工程师可能会想办法在探头钳夹上添加额外的导线，但这会改变被测设备的特性。更好的办法是使用合适的工具。
最好的解决方案是使用具有柔性回路探头前端的大电流探头。可以将该柔性回路缠绕到任何设备上。这种探头叫做Rogowski线圈。它可以让工程师在不添加未知特性元器件的情况下探测设备，使测量结果保持高度的信号完整性。它们还使工程师能够测量从mA级到数百kA的大电流。请注意，它们只测量交流电流，所以直流分量将被隔离。它们的灵敏度也低于某些电流探头。这对于大电流测量来说通常不是问题。但是在测量小电流时，灵敏度和查看直流分量的能力就变得很重要。请记住，对一种测量有效的方式并不一定适用于另一种测量。
图8：缠绕到元器件上的Rogowski探针
小电流测量
如果测量电池供电设备的电流，则动态范围会有很大差异。如果电池供电设备处于空闲状态或仅处理少量后台任务，其电流峰值会很小。当设备切换到更为活跃的状态时，电流峰值会大幅提高。使用垂直标度较大的示波器设置，工程师可以测量大信号，但小电流信号将被测量噪声掩盖。另一方面，如果您使用较小的垂直标度设置，那么大信号会削波，测量结果也将失真并失效。
图9：配有两个可变增益放大器的电流探头让您可以一次同时查看大小电流偏差
错误5在纹波和噪声测量期间会错误地处理直流偏置
直流电源上的纹波和噪声是由较大直流信号上的小交流信号形成的。当直流偏置较大时，可能需要在示波器上使用较大的每格电压设置才能在屏幕上显示信号。与小交流信号相比，这样做会降低测量的灵敏度并增加噪声。这意味着在测试时无法获得信号交流部分的准确表示。
使用具有较大偏置功能的电源探头，可以将波形置于屏幕中间，而无需移除直流偏置。这样可以让整个波形都显示在屏幕上，同时保持垂直标度较小且处于放大状态。通过这些设置，还可以查看瞬态、纹波和噪声的细节。
错误6未知的带宽限制
在进行重要测量时，务必选择具有足够带宽的探头。带宽不足会使信号失真，使工程师很难做出明智的工程测试或设计决定。
BWxTr=0.35
值得注意的是，整个系统带宽也是需要考虑的重要因素。探头和示波器的带宽都要考虑，从而确定系统带宽。计算系统带宽的公式如下所示。
例如，假设示波器和探头带宽均为500MHz。使用上面的公式可知，系统带宽将为353MHz。可以看到，与探头和示波器的两个单独带宽相比，系统带宽大大降低。
现在，如果探头带宽仅为300MHz，示波器带宽仍为500MHz，那么应用上述公式，系统带宽进一步降至257MHz。
错误7被掩盖的噪声影响
探头和示波器的噪声可能会导致被测设备的噪声显得更大。为工程师的应用选择具有合适衰减比的探头，将会减小探头和示波器所添加的噪声。因此，工程师就能够获得更准确的信号，更清晰地查看被测设备的情况。