每一臺(tái)數(shù)字示波器都具備四個(gè)基本功能模塊 – 垂直系統(tǒng)、水平系統(tǒng)、觸發(fā)系統(tǒng)以及顯示系統(tǒng)。為了理解數(shù)字示波器的整體功能，理解各個(gè)模塊的功能至關(guān)重要。
數(shù)字示波器前面板的大部分區(qū)域均用于控制垂直、水平和觸發(fā)功能，因?yàn)榇蟛糠直匦璧恼{(diào)節(jié)工作都是由這些功能來(lái)完成。垂直功能部分通過(guò)控件改變“volts per division”（每格電壓值）數(shù)值來(lái)控制信號(hào)的衰減或放大，使信號(hào)能夠以適當(dāng)幅度進(jìn)行顯示。水平控件與儀器的時(shí)基有關(guān)，其“每格秒數(shù)”控件用于確定顯示屏上水平每格所代表的時(shí)間量。觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行信號(hào)穩(wěn)定化處理以及示波器初始化等基本功能以進(jìn)行信號(hào)采集，用戶可以選擇并修改具體觸發(fā)類(lèi)型。而最后的顯示系統(tǒng)則包括顯示器本身和顯示驅(qū)動(dòng)器，以及用于執(zhí)行顯示功能的軟件。
垂直系統(tǒng)
該系統(tǒng)（圖 1）讓用戶能夠垂直定位和縮放波形，選擇輸入耦合方式，以及修改信號(hào)特征使其以特定方式顯示在屏幕上。用戶可以將波形垂直放置在顯示屏上的精確位置，并增加或者縮小其大小尺寸。所有示波器的顯示屏幕上均設(shè)有柵格，用于將屏幕上的可視區(qū)域劃分為 8 個(gè)或者 10 個(gè)垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說(shuō)，對(duì)于顯示柵格有 10格的示波器來(lái)說(shuō)，如果總體可顯示的電壓為 50 v，那么每格代表 5 v。
圖 1：垂直系統(tǒng)
8格、10格或者其它一些柵格在選擇上是隨意的，為簡(jiǎn)單起見(jiàn)通常會(huì)選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會(huì)對(duì)顯示比例造成影響，有些探頭不會(huì)對(duì)信號(hào)造成衰減（1x 探頭），有些探頭會(huì)有 10 倍衰減功能 (10x 探頭)，有些甚至可以達(dá)到 1000 倍衰減。探頭的問(wèn)題會(huì)在下文再進(jìn)行討論。
前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號(hào)被探頭捕捉，到經(jīng)過(guò)線纜傳入儀器的整個(gè)過(guò)程的信號(hào)傳輸。直流耦合提供 1 m歐姆或者 50 歐姆的輸入耦合阻抗。
選擇 50 歐姆的輸入耦合可以將輸入信號(hào)直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實(shí)現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對(duì)應(yīng)的 1m 歐姆端子數(shù)值）會(huì)在縱向增益放大器前方放置一個(gè)放大器，通常在所有情況下均將帶寬限制為 500 mhz。如此高阻抗的好處在于提供了內(nèi)在的高電壓保護(hù)。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)連接，0-v 的點(diǎn)會(huì)顯示在屏幕上。
其它與垂直系統(tǒng)相關(guān)的電路還包括一個(gè)帶寬限制器，用于在對(duì)顯示波形進(jìn)行降噪時(shí)衰減高頻信號(hào)成分。許多示波器還利用一個(gè) dsp 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來(lái)擴(kuò)展儀器帶寬，通過(guò)調(diào)整示波器通道的相位和幅值響應(yīng)使儀器帶寬超出前端的原始響應(yīng)。然而，這些電路要求采樣率滿足奈奎斯特定理 —— 采樣率必須大于信號(hào)最大基頻的兩倍。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，儀器通常會(huì)被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無(wú)法降低采樣率以察看更長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間。
水平系統(tǒng)
相對(duì)于垂直系統(tǒng)，水平系統(tǒng)與信號(hào)采集更相關(guān)，強(qiáng)調(diào)采樣率、存儲(chǔ)深度以及其它與數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)換直接相關(guān)的性能指標(biāo)。
采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為采樣間隔，樣點(diǎn)值代表保存在存儲(chǔ)器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點(diǎn)之間的時(shí)間間隔稱為波形間隔，由于一個(gè)波形點(diǎn)可能建立在多個(gè)采樣點(diǎn)的基礎(chǔ)上，因此兩者是相關(guān)的，有時(shí)也可能具有相同的數(shù)值。
一般示波器的采集模式菜單非常有限，因?yàn)橐粋€(gè)通道只能產(chǎn)生一個(gè)波形，用戶只能選擇一種采樣類(lèi)型或者一種波形算法類(lèi)型。但是，某些示波器可以在一個(gè)通道上并行顯示三個(gè)波形，而且各個(gè)波形都可以對(duì)采樣類(lèi)型和波形算法類(lèi)型進(jìn)行組合。典型的模式包括：
采樣模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，均由一個(gè)采樣點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)波形點(diǎn)。
高分辨率模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形間隔的平均采樣點(diǎn)。
峰值檢測(cè)模式：對(duì)于每個(gè)波形間隔，會(huì)顯示波形內(nèi)的最小采樣點(diǎn)和最大采樣點(diǎn)。
rms：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點(diǎn) rms 值。這與瞬時(shí)功率成比例。
典型的波形算法模式包括：
包絡(luò)模式：基于由至少兩個(gè)觸發(fā)事件所捕捉的波形，示波器會(huì)生成一個(gè)邊界（包絡(luò)線）來(lái)表示波形的最大值和最小值。
平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個(gè)波形間隔樣本的平均值。
觸發(fā)系統(tǒng)
觸發(fā)器是每個(gè)數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號(hào)事件進(jìn)行詳細(xì)分析以及提供穩(wěn)定的重復(fù)波形視圖。觸發(fā)系統(tǒng)的精度及其靈活性決定了如何顯示以及分析測(cè)量信號(hào)。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測(cè)量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來(lái)顯著的優(yōu)勢(shì)。
模擬觸發(fā)
示波器的觸發(fā)器（圖 2）確保為重復(fù)信號(hào)的持續(xù)監(jiān)視提供穩(wěn)定的波形顯示。作為對(duì)特定事件的響應(yīng)，觸發(fā)器在隔離和顯示諸如“矮波”邏輯電平等具體信號(hào)特征以及通道之間由串?dāng)_、緩慢邊緣或者無(wú)效定時(shí)所引起的信號(hào)干擾時(shí)非常有用。觸發(fā)類(lèi)型的數(shù)量以及觸發(fā)器的靈活性歷年來(lái)一直在不斷進(jìn)步。
圖 2：模擬觸發(fā)系統(tǒng)
“數(shù)字”示波器是指對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣并將其保存為離散數(shù)字值的儀器，而一般示波器的觸發(fā)系統(tǒng)則一直用于處理原始測(cè)量的模擬信號(hào)，因此稱之為模擬觸發(fā)系統(tǒng)。
輸入放大器對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其幅值與 adc 和顯示器的工作范圍相匹配，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的信號(hào)從放大器輸出之后會(huì)并行發(fā)送至模-數(shù)轉(zhuǎn)換器 (adc) 以及觸發(fā)系統(tǒng)。
adc 會(huì)通過(guò)一條路徑對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行采樣，數(shù)字化的樣本數(shù)值會(huì)被寫(xiě)入到采集存儲(chǔ)器當(dāng)中；而在另一條路徑上，觸發(fā)系統(tǒng)會(huì)將信號(hào)與有效的觸發(fā)事件（比如信號(hào)跨越了“邊緣”觸發(fā)的觸發(fā)門(mén)限）進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)發(fā)生有效的觸發(fā)條件時(shí)，示波器會(huì)最終確定 adc 的樣本并處理和顯示所需的波形。測(cè)量信號(hào)一旦跨越觸發(fā)電平，便會(huì)導(dǎo)致一個(gè)有效的觸發(fā)事件。然而，為了讓信號(hào)能夠在顯示器上準(zhǔn)確顯示，必須提供精確的觸發(fā)點(diǎn)定時(shí)。否則，所顯示的波形將不會(huì)與觸發(fā)點(diǎn)（觸發(fā)電平與觸發(fā)位置的交點(diǎn)）重疊。
而這可能由多種因素所導(dǎo)致。首先，觸發(fā)系統(tǒng)中的信號(hào)會(huì)通過(guò)比較器與觸發(fā)門(mén)限進(jìn)行比較，而比較器輸出端的邊緣時(shí)間必須利用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (tdc) 進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
如果 tdc 的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，那么所顯示的波形與觸發(fā)點(diǎn)之間出現(xiàn)偏移，并且每個(gè)觸發(fā)事件都會(huì)改變這一偏移量，導(dǎo)致觸發(fā)抖動(dòng)。
另一個(gè)因素是測(cè)量信號(hào)的兩條路徑中存在誤差源。信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)兩條不同的路徑進(jìn)行處理（adc 的采集路徑以及觸發(fā)系統(tǒng)路徑），兩者均含有不同的線性以及非線性失真。這導(dǎo)致所顯示的信號(hào)與確定的觸發(fā)點(diǎn)之間存在系統(tǒng)錯(cuò)配。在最壞的情況中，即便可以在顯示器上看到這些觸發(fā)事件，觸發(fā)器也將無(wú)法對(duì)有效的觸發(fā)事件作出響應(yīng)，或者觸發(fā)器會(huì)對(duì)那些采集路徑無(wú)法捕捉和顯示的觸發(fā)事件作出響應(yīng)。
最后一個(gè)因素是兩條路徑中存在不同的噪聲源，這些噪聲源包括具有不同噪聲等級(jí)的放大器。這將引起延遲和幅值差異，表現(xiàn)在顯示屏上就是觸發(fā)位置出現(xiàn)偏移（抖動(dòng)）。而當(dāng)以數(shù)字觸發(fā)方式來(lái)工作的時(shí)候，觸發(fā)器將不會(huì)出現(xiàn)這些誤差。
數(shù)字觸發(fā)
與模擬觸發(fā)系統(tǒng)相反，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)（圖 3）直接對(duì) adc 所采集的樣本進(jìn)行操作，信號(hào)不會(huì)被分離為兩條路徑，而是對(duì)所需的同一路信號(hào)進(jìn)行處理并顯示出來(lái)。于是，將可從根本上避免模擬觸發(fā)系統(tǒng)所存在的信號(hào)損傷。為了評(píng)估觸發(fā)點(diǎn)，數(shù)字觸發(fā)器將采用精確的 dsp 算法來(lái)檢測(cè)有效的觸發(fā)器事件，并準(zhǔn)確地測(cè)量時(shí)間戳。執(zhí)行實(shí)時(shí)信號(hào)處理所面臨的挑戰(zhàn)在于需要無(wú)縫監(jiān)視測(cè)量信號(hào)。比如，r&s rto 系列示波器中的數(shù)字觸發(fā)器采用了 8 位 adc 以 10gs/s 的速率進(jìn)行采樣，并以 80 gb/s 的速率來(lái)處理數(shù)據(jù)。
圖 3：數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)
由于數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)采用與采集路徑相同的數(shù)字化數(shù)據(jù)，因此可以實(shí)現(xiàn) adc 范圍之內(nèi)的信號(hào)事件觸發(fā)。對(duì)于選定的觸發(fā)事件，信號(hào)可以通過(guò)比較器與已定義的觸發(fā)門(mén)限進(jìn)行對(duì)比。在一個(gè)簡(jiǎn)單的例子中（邊緣觸發(fā)），當(dāng)信號(hào)在要求的方向上越過(guò)觸發(fā)門(mén)限，無(wú)論是信號(hào)的上升沿還是下降沿，該事件都會(huì)被檢測(cè)到。在數(shù)字系統(tǒng)中，信號(hào)由所采集到的樣本來(lái)表示，而采樣率必須至少是信號(hào)中最高頻率的兩倍。當(dāng)滿足這一條件，才能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重構(gòu)。
完全根據(jù) adc 樣本來(lái)進(jìn)行觸發(fā)判決是不夠的，因?yàn)榭缭接|發(fā)門(mén)限值的過(guò)程可能會(huì)丟失，因此需要利用內(nèi)插算法提高時(shí)間分辨率，使采樣速率達(dá)到 20 gs/s。經(jīng)過(guò)插入算法之后，比較器會(huì)將樣本數(shù)值和已定義的觸發(fā)門(mén)限值進(jìn)行對(duì)比，如果檢測(cè)到觸發(fā)事件，那么比較器的輸出電平便會(huì)發(fā)生變化。
如圖4 所示，通過(guò)2倍插入方式將采樣分辨率提高兩倍，從而減少信號(hào)的“盲”區(qū)。左圖的波形采樣中并未包含波形圖中過(guò)沖部分，并且 基于adc 樣本的觸發(fā)門(mén)限無(wú)法檢測(cè)到過(guò)沖發(fā)生。右圖通過(guò)插值的方式將波形采樣率提高兩倍，因此過(guò)沖能夠引起觸發(fā)。過(guò)沖的最高頻率為 3.5 ghz，因此當(dāng) adc以10gs/s采樣率工作的時(shí)候數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)能夠檢測(cè)到高頻分量。
圖 4：減少“盲”區(qū)
由于毛刺以及脈沖寬度等觸發(fā)類(lèi)型均基于定時(shí)條件，因此數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)能夠非常精確地觸發(fā)這些事件，這是因?yàn)樗梢詫?shí)時(shí)確定了觸發(fā)門(mén)限處的交點(diǎn)。觸發(fā)事件的時(shí)間分辨率可以達(dá)到為 1 ps，而最小可檢測(cè)的脈沖寬度為50ps。
數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的具體優(yōu)勢(shì)如表1 所示。
表一：數(shù)字觸發(fā)的優(yōu)點(diǎn)
觸發(fā)過(guò)程
觸發(fā)掃描會(huì)在選定的點(diǎn)開(kāi)始，能夠顯示諸如正弦波和方波等周期信號(hào)，還可以顯示非周期信號(hào)，比如信號(hào)脈沖或者無(wú)法以固定頻率重復(fù)出現(xiàn)的脈沖等。最常見(jiàn)的觸發(fā)類(lèi)型是邊緣觸發(fā)，當(dāng)電壓超過(guò)某個(gè)設(shè)定數(shù)值之后便會(huì)“啟動(dòng)”觸發(fā)。用戶可以選擇上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)。毛刺觸發(fā)讓儀器能夠被脈沖所觸發(fā)，該脈沖的寬度可以大于或者小于某具體的時(shí)間。通常會(huì)采用這種方法來(lái)嘗試找出隨機(jī)發(fā)生或者間歇性發(fā)生的錯(cuò)誤，因此要找出這些錯(cuò)誤也是非常困難的。
脈沖寬度觸發(fā)與毛刺觸發(fā)非常相似，也是要找出特定的脈沖寬度，并且它允許沿著水平觸發(fā)位置指定任意具體寬度的脈沖，無(wú)論是正脈沖還是負(fù)脈沖。其優(yōu)點(diǎn)在于用戶可以看到觸發(fā)前后所發(fā)生的事情，因此如果找出一個(gè)錯(cuò)誤，查看觸發(fā)前的情況可以提供更多關(guān)于出錯(cuò)原因的參考信息。如果將水平延遲設(shè)為 0，那么觸發(fā)事件會(huì)被放置在屏幕的中央，于是便能在屏幕左邊看到觸發(fā)之前的情況，而在屏幕右邊能夠看到觸發(fā)之后的情況。
除了上述的類(lèi)型以外，還有許多其它觸發(fā)類(lèi)型，這些觸發(fā)類(lèi)型針對(duì)于特定的情況，能夠檢測(cè)到感興趣的事件。比如，用戶可以觸發(fā)由幅值、時(shí)間（脈沖寬度、毛刺、斜率、建立和保持，以及超時(shí)）以及邏輯狀態(tài)或者碼型所定義的脈沖。其它觸發(fā)功能包括串行碼型觸發(fā)，a+b 觸發(fā)以及并行或串行總線觸發(fā)。
數(shù)字示波器可以觸發(fā)單一事件以及延遲觸發(fā)事件，控制何時(shí)對(duì)這些事件作出響應(yīng)，以及在特定的時(shí)間、狀態(tài)或者過(guò)渡之后重置觸發(fā)以再次開(kāi)始觸發(fā)序列。因此，即便是最為復(fù)雜的信號(hào)事件也能夠被捕捉到。
數(shù)字示波器具備觸發(fā)位置控件，能夠在波形記錄中設(shè)置觸發(fā)水平位置。通過(guò)改變觸發(fā)水平位置，用戶可以捕捉到信號(hào)在觸發(fā)事件前的情況。觸發(fā)水平位置確定了觸發(fā)點(diǎn)前后的可視信號(hào)長(zhǎng)度。示波器的觸發(fā)沿設(shè)置可以調(diào)整發(fā)生觸發(fā)的信號(hào)點(diǎn)（即調(diào)整為上升沿觸發(fā)或者下降沿觸發(fā)）。
觸發(fā)模式
觸發(fā)模式用于確定示波器是否以及在什么情況下顯示波形。所有示波器均可啟用兩種觸發(fā)模式：一般（normal）模式以及自動(dòng)(auto)模式。當(dāng)設(shè)置為一般模式時(shí)，示波器僅在信號(hào)達(dá)到指定位置時(shí)才會(huì)觸發(fā)。而在自動(dòng)模式中，即使沒(méi)有觸發(fā)，儀器也會(huì)進(jìn)行掃描。
觸發(fā)耦合和關(guān)斷
某些示波器可以選擇觸發(fā)信號(hào)的耦合類(lèi)型（ac 或者 dc），而某些儀器還能夠設(shè)置高頻抑制、低頻抑制以及噪聲抑制等耦合類(lèi)型。為了避免錯(cuò)誤發(fā)生觸發(fā)事件，人們?cè)O(shè)計(jì)了更加高級(jí)的設(shè)定來(lái)消除觸發(fā)信號(hào)中的噪聲以及其它頻譜成分。要保證示波器在信號(hào)的正確位置觸發(fā)有時(shí)其實(shí)并不簡(jiǎn)單，因此大多數(shù)示波器均提供了“觸發(fā)抑制”這種方式來(lái)使其變得更加簡(jiǎn)單。觸發(fā)抑制是觸發(fā)事件發(fā)生之后的一段可調(diào)時(shí)間內(nèi)，示波器無(wú)法進(jìn)行觸發(fā)。該功能在對(duì)復(fù)雜波形圖進(jìn)行觸發(fā)時(shí)是非常有用的，可以確保示波器僅在需要的點(diǎn)上進(jìn)行觸發(fā)。
顯示系統(tǒng)與用戶界面
顧名思義，顯示系統(tǒng)用于控制呈現(xiàn)信號(hào)。顯示屏的所有標(biāo)記構(gòu)成了稱為十字線或者網(wǎng)格線的柵格。數(shù)字示波器及其所執(zhí)行的任務(wù)都是非常復(fù)雜的，因此必須提供廣泛且易于理解的用戶界面。比如，r&s?rto 系列的觸摸屏顯示器采用了彩色編碼的控制按鍵、扁平化的菜單結(jié)構(gòu)以及頻繁使用的功能按鍵。在 r&s?rtm 系列中，按下一鍵測(cè)量按鈕即可調(diào)用顯示信號(hào)的“快速測(cè)量”功能。另外，還具有半透明的對(duì)話框、可移動(dòng)的測(cè)量窗口、可配置的工具欄以及實(shí)時(shí)波形的預(yù)覽圖標(biāo)。