每一臺數(shù)字示波器都具備四個基本功能模塊 – 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，理解各個模塊的功能至關重要。
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，因為大部分必需的調(diào)節(jié)工作都是由這些功能來完成。垂直功能部分通過控件改變“volts per division”（每格電壓值）數(shù)值來控制信號的衰減或放大，使信號能夠以適當幅度進行顯示。水平控件與儀器的時基有關，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間量。觸發(fā)系統(tǒng)會執(zhí)行信號穩(wěn)定化處理以及示波器初始化等基本功能以進行信號采集，用戶可以選擇并修改具體觸發(fā)類型。而最后的顯示系統(tǒng)則包括顯示器本身和顯示驅動器，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有柵格，用于將屏幕上的可視區(qū)域劃分為 8 個或者 10 個垂直格，每格代表總電壓的一部分。也就是說，對于顯示柵格有 10格的示波器來說，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，為簡單起見通常會選用 10格：10格比 8格更加容易劃分。探頭也會對顯示比例造成影響，有些探頭不會對信號造成衰減（1x 探頭），有些探頭會有 10 倍衰減功能 (10x 探頭)，有些甚至可以達到 1000 倍衰減。探頭的問題會在下文再進行討論。
前面提到的輸入耦合基本上確定了從信號被探頭捕捉，到經(jīng)過線纜傳入儀器的整個過程的信號傳輸。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直接發(fā)送至示波器的縱向增益放大器，由此可以實現(xiàn)最寬帶寬。選擇交流或者直流耦合模式（對應的 1m 歐姆端子數(shù)值）會在縱向增益放大器前方放置一個放大器，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。在前面板上選擇“接地”之后，縱向系統(tǒng)會斷開連接，0-v 的點會顯示在屏幕上。
其它與垂直系統(tǒng)相關的電路還包括一個帶寬限制器，用于在對顯示波形進行降噪時衰減高頻信號成分。許多示波器還利用一個 dsp 任意均衡濾波器（抗混疊濾波器）來擴展儀器帶寬，通過調(diào)整示波器通道的相位和幅值響應使儀器帶寬超出前端的原始響應。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最大基頻的兩倍。為了實現(xiàn)這一點，儀器通常會被鎖定在其最大采樣率，在未禁用濾波器的情況下無法降低采樣率以察看更長的持續(xù)時間。
水平系統(tǒng)
相對于垂直系統(tǒng)，水平系統(tǒng)與信號采集更相關，強調(diào)采樣率、存儲深度以及其它與數(shù)據(jù)采集和轉換直接相關的性能指標。
采樣點之間的時間間隔稱為采樣間隔，樣點值代表保存在存儲器中用于產(chǎn)生波形的數(shù)值。波形點之間的時間間隔稱為波形間隔，由于一個波形點可能建立在多個采樣點的基礎上，因此兩者是相關的，有時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，因為一個通道只能產(chǎn)生一個波形，用戶只能選擇一種采樣類型或者一種波形算法類型。但是，某些示波器可以在一個通道上并行顯示三個波形，而且各個波形都可以對采樣類型和波形算法類型進行組合。典型的模式包括：
采樣模式：對于每個波形間隔，均由一個采樣點來產(chǎn)生一個波形點。
高分辨率模式：對于每個波形間隔，會顯示波形間隔的平均采樣點。
峰值檢測模式：對于每個波形間隔，會顯示波形內(nèi)的最小采樣點和最大采樣點。
rms：顯示波形間隔內(nèi)的采樣點 rms 值。這與瞬時功率成比例。
典型的波形算法模式包括：
包絡模式：基于由至少兩個觸發(fā)事件所捕捉的波形，示波器會生成一個邊界（包絡線）來表示波形的最大值和最小值。
平均模式：根據(jù)多次采樣獲得各個波形間隔樣本的平均值。
觸發(fā)系統(tǒng)
觸發(fā)器是每個數(shù)字示波器的基本單元之一，用于捕捉信號事件進行詳細分析以及提供穩(wěn)定的重復波形視圖。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量信號。如前所述，數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)在測量精度、采集密度以及功能性方面為示波器用戶帶來顯著的優(yōu)勢。
模擬觸發(fā)
示波器的觸發(fā)器（圖 2）確保為重復信號的持續(xù)監(jiān)視提供穩(wěn)定的波形顯示。作為對特定事件的響應，觸發(fā)器在隔離和顯示諸如“矮波”邏輯電平等具體信號特征以及通道之間由串擾、緩慢邊緣或者無效定時所引起的信號干擾時非常有用。觸發(fā)類型的數(shù)量以及觸發(fā)器的靈活性歷年來一直在不斷進步。
圖 2：模擬觸發(fā)系統(tǒng)
“數(shù)字”示波器是指對測量信號進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量的模擬信號，因此稱之為模擬觸發(fā)系統(tǒng)。
輸入放大器對被測信號進行調(diào)節(jié)，使其幅值與 adc 和顯示器的工作范圍相匹配，經(jīng)過調(diào)節(jié)的信號從放大器輸出之后會并行發(fā)送至模-數(shù)轉換器 (adc) 以及觸發(fā)系統(tǒng)。
adc 會通過一條路徑對測量信號進行采樣，數(shù)字化的樣本數(shù)值會被寫入到采集存儲器當中；而在另一條路徑上，觸發(fā)系統(tǒng)會將信號與有效的觸發(fā)事件（比如信號跨越了“邊緣”觸發(fā)的觸發(fā)門限）進行對比。當發(fā)生有效的觸發(fā)條件時，示波器會最終確定 adc 的樣本并處理和顯示所需的波形。測量信號一旦跨越觸發(fā)電平，便會導致一個有效的觸發(fā)事件。然而，為了讓信號能夠在顯示器上準確顯示，必須提供精確的觸發(fā)點定時。否則，所顯示的波形將不會與觸發(fā)點（觸發(fā)電平與觸發(fā)位置的交點）重疊。
而這可能由多種因素所導致。首先，觸發(fā)系統(tǒng)中的信號會通過比較器與觸發(fā)門限進行比較，而比較器輸出端的邊緣時間必須利用時間數(shù)字轉換器 (tdc) 進行準確測量。
如果 tdc 的測量結果不準確，那么所顯示的波形與觸發(fā)點之間出現(xiàn)偏移，并且每個觸發(fā)事件都會改變這一偏移量，導致觸發(fā)抖動。
另一個因素是測量信號的兩條路徑中存在誤差源。信號會經(jīng)過兩條不同的路徑進行處理（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。這導致所顯示的信號與確定的觸發(fā)點之間存在系統(tǒng)錯配。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)器也將無法對有效的觸發(fā)事件作出響應，或者觸發(fā)器會對那些采集路徑無法捕捉和顯示的觸發(fā)事件作出響應。
最后一個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）。而當以數(shù)字觸發(fā)方式來工作的時候，觸發(fā)器將不會出現(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 adc 所采集的樣本進行操作，信號不會被分離為兩條路徑，而是對所需的同一路信號進行處理并顯示出來。于是，將可從根本上避免模擬觸發(fā)系統(tǒng)所存在的信號損傷。為了評估觸發(fā)點，數(shù)字觸發(fā)器將采用精確的 dsp 算法來檢測有效的觸發(fā)器事件，并準確地測量時間戳。執(zhí)行實時信號處理所面臨的挑戰(zhàn)在于需要無縫監(jiān)視測量信號。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 的速率進行采樣，并以 80 gb/s 的速率來處理數(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)，因此可以實現(xiàn) adc 范圍之內(nèi)的信號事件觸發(fā)。對于選定的觸發(fā)事件，信號可以通過比較器與已定義的觸發(fā)門限進行對比。在一個簡單的例子中（邊緣觸發(fā)），當信號在要求的方向上越過觸發(fā)門限，無論是信號的上升沿還是下降沿，該事件都會被檢測到。在數(shù)字系統(tǒng)中，信號由所采集到的樣本來表示，而采樣率必須至少是信號中最高頻率的兩倍。當滿足這一條件，才能實現(xiàn)信號的重構。
完全根據(jù) adc 樣本來進行觸發(fā)判決是不夠的，因為跨越觸發(fā)門限值的過程可能會丟失，因此需要利用內(nèi)插算法提高時間分辨率，使采樣速率達到 20 gs/s。經(jīng)過插入算法之后，比較器會將樣本數(shù)值和已定義的觸發(fā)門限值進行對比，如果檢測到觸發(fā)事件，那么比較器的輸出電平便會發(fā)生變化。
如圖4 所示，通過2倍插入方式將采樣分辨率提高兩倍，從而減少信號的“盲”區(qū)。左圖的波形采樣中并未包含波形圖中過沖部分，并且 基于adc 樣本的觸發(fā)門限無法檢測到過沖發(fā)生。右圖通過插值的方式將波形采樣率提高兩倍，因此過沖能夠引起觸發(fā)。過沖的最高頻率為 3.5 ghz，因此當 adc以10gs/s采樣率工作的時候數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)能夠檢測到高頻分量。
圖 4：減少“盲”區(qū)
由于毛刺以及脈沖寬度等觸發(fā)類型均基于定時條件，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，這是因為它可以實時確定了觸發(fā)門限處的交點。觸發(fā)事件的時間分辨率可以達到為 1 ps，而最小可檢測的脈沖寬度為50ps。
數(shù)字觸發(fā)系統(tǒng)的具體優(yōu)勢如表1 所示。
表一：數(shù)字觸發(fā)的優(yōu)點
觸發(fā)過程
觸發(fā)掃描會在選定的點開始，能夠顯示諸如正弦波和方波等周期信號，還可以顯示非周期信號，比如信號脈沖或者無法以固定頻率重復出現(xiàn)的脈沖等。最常見的觸發(fā)類型是邊緣觸發(fā)，當電壓超過某個設定數(shù)值之后便會“啟動”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間。通常會采用這種方法來嘗試找出隨機發(fā)生或者間歇性發(fā)生的錯誤，因此要找出這些錯誤也是非常困難的。
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，無論是正脈沖還是負脈沖。其優(yōu)點在于用戶可以看到觸發(fā)前后所發(fā)生的事情，因此如果找出一個錯誤，查看觸發(fā)前的情況可以提供更多關于出錯原因的參考信息。如果將水平延遲設為 0，那么觸發(fā)事件會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。
除了上述的類型以外，還有許多其它觸發(fā)類型，這些觸發(fā)類型針對于特定的情況，能夠檢測到感興趣的事件。比如，用戶可以觸發(fā)由幅值、時間（脈沖寬度、毛刺、斜率、建立和保持，以及超時）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，控制何時對這些事件作出響應，以及在特定的時間、狀態(tài)或者過渡之后重置觸發(fā)以再次開始觸發(fā)序列。因此，即便是最為復雜的信號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置觸發(fā)水平位置。通過改變觸發(fā)水平位置，用戶可以捕捉到信號在觸發(fā)事件前的情況。觸發(fā)水平位置確定了觸發(fā)點前后的可視信號長度。示波器的觸發(fā)沿設置可以調(diào)整發(fā)生觸發(fā)的信號點（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(auto)模式。當設置為一般模式時，示波器僅在信號達到指定位置時才會觸發(fā)。而在自動模式中，即使沒有觸發(fā)，儀器也會進行掃描。
觸發(fā)耦合和關斷
某些示波器可以選擇觸發(fā)信號的耦合類型（ac 或者 dc），而某些儀器還能夠設置高頻抑制、低頻抑制以及噪聲抑制等耦合類型。為了避免錯誤發(fā)生觸發(fā)事件，人們設計了更加高級的設定來消除觸發(fā)信號中的噪聲以及其它頻譜成分。要保證示波器在信號的正確位置觸發(fā)有時其實并不簡單，因此大多數(shù)示波器均提供了“觸發(fā)抑制”這種方式來使其變得更加簡單。觸發(fā)抑制是觸發(fā)事件發(fā)生之后的一段可調(diào)時間內(nèi)，示波器無法進行觸發(fā)。該功能在對復雜波形圖進行觸發(fā)時是非常有用的，可以確保示波器僅在需要的點上進行觸發(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。顯示屏的所有標記構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)行的任務都是非常復雜的，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、扁平化的菜單結構以及頻繁使用的功能按鍵。在 r&s?rtm 系列中，按下一鍵測量按鈕即可調(diào)用顯示信號的“快速測量”功能。另外，還具有半透明的對話框、可移動的測量窗口、可配置的工具欄以及實時波形的預覽圖標。