数字存储示波器培训讲稿.docx
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数字存储示波器培训讲稿
目录
第一节概述…………………………………………………………………1
第二节示波器的基本组成、基本指标和术语……………………………4
第三节工作原理……………………………………………………………7
第四节主要技术指标………………………………………………………21
第五节主要性能特点和竞争优势…………………………………………24
第六节与同类产品性能对比………………………………………………26
第七节使用和销售中可能遇到的问题……………………………………27
第一节概述
1．1示波器在电子测量领域的地位和作用
示波器是用量最多，用途最广的电子测量仪器之一，在人们的感官和看不见的电子世界之间架起了一道桥梁，成为观察和测量电子波形不可缺少的工具。
除了直接测量电信号外，通过传感器的转换，示波器也能测量非电量信号。
无论是电信号还是非电量信号，都可分为周期性重复信号、非周期重复信号和不可重复的单次信号。
一般来说，对于大多数周期性信号，以及那些虽然不是周期性的，但是能够重复发生且重复速率较高（每秒几十次以上）的信号，使用传统的模拟示波器都能进行较好的观察和测量。
然而，对于不能重复出现的单次信号，以及那些重复周期很长（几秒钟以上）持续时间短的信号，则由于阴极射线管（CRT）荧光粉余辉时间的限制，有时不得不用照相的方法把波形拍摄下来。
但是在单次快速扫描时，显示的波形亮度很低，给观察和拍照带来了困难，也得不到满意的测量结果。
为了更好地观测单次或低重复速率的信号，60年代出现了采用CRT存储管进行波形存储的记忆示波器。
由于记忆示波器显示踪迹模糊、存储时间短（最长7天；连续观察仅几分钟）、CRT寿命短等重要缺点,性能改进已非常有限。
到1972年，出现世界第一台数字存储示波器（DSO），由于当时的器件限制，数字化速率不高，价格昂贵，发展缓慢。
另一方面，早期的DSO取样速率低、单次测量带宽不够高，一时还满足不了某些使用要求（如核实验）。
1979年出现微通道板示波器。
它是在普通模拟示波器的CRT内（荧光屏内侧）加一块称为微通道板的电子倍增器，射向荧光屏的高速扫描电子束经过微通道板电子倍增作用，使轰击荧光粉的电子数量急剧增加，大大提高了单次或低重复速率信号波形的显示亮度，再利用电子快门照相机拍照，能得到满意的记录结果。
这种示波器用于单次测量时，不仅使用麻烦，而且不能象DSO那样立即得到测试结果。
当进行多次试验时，需要耗费大量胶片、精力和时间，不能把全部精力用于信号的分析和研究上。
此外，由于必须附加照相设备，不仅提高了试验成本，也增加了测量的不可靠因素。
随着科学技术的飞速发展，单次信号的捕捉、测量和研究，越来越受到人们的关注与重视。
在核物理学、材料力学、激光、爆炸、电力、机械、冶金、化工、生物工程等各个领域，DSO得到更加广泛的应用；在信息领域，高速计算机、高速数据通讯和高速数字集成电路及其系统内，面临着硬件、软件，以及软硬件共同作用而产生的偶发性故障、软故障等复杂问题的困扰，迫切需要更高速的DSO能得心应手地解决这些难题。
所有这些，为DSO的快速发展提供了最为广阔的市场。
1.2数字化时代要用数字示波器
1.2.1数字示波器与模拟示波器
根据时域测量的基本要求，无论是数字示波器还是模拟示波器，都必须不失真地显示被测波形，这是它们的相同点。
不同的地方主要有两个方面。
①显示技术方面，模拟示波器采用静电偏转示波管，数字示波器采用磁偏转显象管或者是液晶显示。
②信号处理技术方面，模拟示波器不进行任何处理，而数字示波器则把模拟信号转换成数字信号，根据需要采用硬件的或者软件的手段，对采集到的波形数据进行存储、运算、分析变换等技术处理。
由于数字示波器采用的显示技术和信号处理技术与计算机技术紧紧地联系在一起，因此，数字示波器的许多先进功能，如：
单次扑捉、存储和可变余辉、波形运算、FFT分析等，都是模拟示波器所不能比拟的。
模拟示波器的主要优点是它的实时性，波形的变化马上就能反映到屏幕上，扫描间隔时间非常短（电子束的回扫时间），不会漏掉任何偶发的波形变化和事件，可惜的是，因为示波管荧光粉的余辉时间很短，无法记录下这些偶然发生的事件，很难在快速扫描和慢速观察（人眼）之间取得统一,数字示波器能够很好地解决这些问题。
1.2.2电子信息技术飞速发展对电子测试提出的挑战
DSO最早是以模拟+数字存储的组合形式出现的，称为数字存储示波器，现在有人称之为组合示波器。
后来出现全数字化型的DSO，称为数字化示波器。
这两种DSO的原理如图和图1.1和图1.2所示。
从图1.1可以看出，数字存储示波器是以传统的模拟示波器为基础，在垂直通道中前置放大器和Y轴输出放大器之间插入A/D转换器和存储器（RAM），通过开关进行切换，能够以传统模拟和数字存储两种方式工作。
由于显示器采用静电偏转示波管，因此，在数字存储工作方式工作时，还需要把存储在RAM中的数据读出来，经过D/A转换变成模拟信号，再由Y轴输出放大器放大后，加到示波管的Y偏转板，在X偏转板的扫描控制下显示出波形。
这种DSO由于受静电偏转示波管带宽和其它因素限制，功能和性能的提高遇到困难。
图1.2所示数字化示波器取消了传统示波器的模拟工作方式，采用了数据采集与计算机技术相结合的全数字化方案，显示器由磁偏转CRT代替了静电偏转示波管，即由传统的矢量显示改变为光栅显示。
这类DSO采用随机取样技术、精密内插技术，在较低的数字化速率下，能够获得相当高的重复信号测量带宽；也容易利用计算机技术进行数据处理、波形运算和增加各种功能。
因而提高了示波器的性能指标和性能价格比。
随着技术的发展，模拟+数字存储的组合型示波器已逐渐减少。
数字化（DSO）示波器越来越普遍，并且在技术上出现了两种类型。
一种是用flashA/D转换器直接进
行取样数字化。
通过多个A/D交叉复用，使取样速率成倍提高。
例如，用四个500MS/s
的A/D交叉复用，可得到2GS/s的取样率。
这种DSO的记录长度可以做的相当长，目
前最长达8M样点（pts）。
但是交叉复用的结果使电路复杂程度增加，成本相应提高。
另一种，采用高速模拟存储──然后再慢速数字化的技术（类似CCD）。
这种单片模拟存储IC的取样速率可达2.5GS/s，并且价格相对便宜。
四片这样的IC交叉复用，可达到10GS/s！
但是，由于制造技术上的原因，这种DSO的记录长度有限，目前仅能达到1kpts样点。
图1.2数字化示波器简化方框图
从产品性能特点的角度出发，DSO可以分为高带宽型、高采样率型、深存储（记录长度）型、快速更新型、多用型（如万用示波表）等。
从使用的角度，DSO又可以分为台式、便携式和手持式。
总之，DSO用途广泛，品种繁多，各类型DSO都有各自的特长。
由于篇幅有限，本书不能一一介绍，用户应根据使用要求选择更合适的DSO产品。
1.2.3数字示波器的发展现状
与传统的模拟示波器相比，DSO具有许多优点，主要表现在：
1）容易进行单次和低重复速率信号的存储测量和更有效的分析研究；2）容易获得触发前或触发后的信息；3）通过软件实现自动参数测量，并且测量精度高，不受人为因素影响；4）灵活多样的触发和显示，增加了捕捉和测量能力；5）容易进行波形存储、比较和后处理；6）容易实现硬拷贝输出；7）容易组成自动测试系统或远地控制等。
正因为如此，DSO的发展受到世界各大仪器公司的重视，纷纷投入巨资，不断开发新产品。
尤其是HP公司，早在80年代中期率先停止了模拟示波器的生产，TEK、LeCroy、GOULD、philips等公司紧随其后，竞争日益激烈。
随着微电子技术、高速数字化技术和高速存储技术等客观条件的不断成熟，使DSO的成本不断下降，带宽、取样速率、存储深度不断扩展。
目前重复测量带宽最高的是HP54750A和TEK11801B，它们采用200KS/s的顺序采样技术，重复带宽达50GHz。
单次带宽最高的是HP54720D，它采用8GS/s实时采样方式，单次带宽达2GHz。
LeCroy公司的9362A利用模拟存储IC和交叉复用技术，使最高取样率达10GS/s。
该公司还在记录长度方面保持领先，9384和9354等L型产品的最长记录都达到8Mpts。
在100MHz以上带宽范围，DSO已经完全取代了模拟示波器，并开始向100MHz和100MHz以下通用示波器领域进军，HP和TEK各自推出了以取代模拟示波器为主要目标的DSO产品。
如HP54600B、HP54603B，取样速率20MS/s，带宽分别为100MHz和60MHz，记录长度2KB（可选25KB）。
具有类似模拟示波器的操作界面，容易使用。
TEK公司与杨中电子仪器厂合资生产的TDS210、TDS220，取样速率1GS/s，带宽分别为60MHz和100MHz，记录长度2.5KB。
采用液晶显示器，体积相当小，价格便宜。
这些DSO不愧是传统模拟示波器强有力的竞争者。
DSO在发展过程中，也不断地克服自身的缺点和弱点。
TEK公司采用称做“数字荧光”的获取技术，使TDS系列DSO的波形获取速度达到每秒40万个波形，大大减少了由于数据处理占去的死区时间（deadtime），有效地提高了捕获偶发事件的概率，节省了测量等待时间。
HP公司则采用多处理器和MegZoom技术，使HP54645A能够同时观测高速和低速信号，并且在快速响应操作和显示更新方面都得到很大改善。
HP54654D型还增加了逻辑分析通道，更适合于模拟和数字两种信号的同时测量，称为混和信号示波器。
LeCroy公司则以超长存储器技术和高取样速率，来避免混淆（aliasing）现象产生，并使测量更精确。
总之，随着技术的发展，DSO的性能不断改善，缺点被克服，DSO完全取代模拟示波器已经成为大势所趋。
国内从80年代末开始DSO的研制开发工作，主要产品有HH4440、AV4441、AV4442、AV4443、AV4444、AV4451等。
随机取样技术取得突破，重复信号测量带宽最高到1GHz，取样速率最高1GSa/s。
通用AV4445长记录型100MHzDSO,存储深度达到1MB/ch，并具有类似模拟示波器的操作界面、显示更新快速，以及双时基等特点，有可能成为通用模拟示波器的替代者。
但是，在高档DSO方面，与国外水平相比，还有很大差距，有待加大科研投入力度，争取早日改变落后局面，以满足军工科研与生产的需要。
第二节示波器的基本组成、基本指标和术语
2．1示波器的基本组成
模拟示波器主要由四个电路部分组成：
垂直（Y轴）系统、水平（X轴）系统、触发系统、示波管及其供电系统、整机电源。
信号经过垂直系统放大后直接加到示波管的垂直偏转板，水平系统产生的锯齿波扫描电压，直接加到水平偏转板上，触发系统根据垂直系统信号的跳变沿，决定何时启动水平扫描锯齿波。
示波管及其供电系统为显示波形提供聚焦良好、有足够飞行速度的电子束，以及能够由电子束打击发光的荧光粉靶面。
在垂直、水平、触发这三个基本系统要素的结合作用下，使我们能够看到稳定的信号波形显示（见图2.1）。
数字示波器也有垂直、水平和触发系统三个基本系统要素，但是，只有垂直系统与模拟示波器类似，水平和触发系统都是完全数字化的。
数字示波器的显示系统与模拟示波器有很大不同，采用磁偏转CRT进行显示，电子束在垂直和水平偏转线圈的作用下，在荧光屏上扫描出光栅，信号波形或其他信息是以打点（像素）的方式，通过Z轴对电子束进行调辉，改变光点的亮度，一些连续加亮的光点形成被测的电子波形（见图2.2）。
为了产生波形像素以及波形存储和分析，数字示波器还必须有A/D转换（数字化器）与采集存储系统、微处理器和显示处理系统。
此外，数字示波器通常都具有GP-IB、RS-232等接口系统。
目前数字示波器的显示系统有向液晶显示方向发展的趋势，它以数字液晶板代替光栅显示CRT，原理如图2.3所示。
用的最大好处是体积小、功耗低。
缺点是，单色液晶显示不够清晰明亮、视角偏小，高质量彩色液晶的价格偏高。
2．2基本指标和术语
1）带宽
示波器的带宽表征了它的垂直系统的频率特性（见图2.4），通常是指被测正弦波形幅度降低3dB时的频率点，一般是指上限带宽，如果使用交流耦合方式，还存在下限带宽。
2）上升时间
示波器的上升时间指标表明了它的垂直系统对快速跳变信号反映的快慢程度，通常用测量阶跃信号时，从幅度10%到90%的跳变时间来表示（见图2.5）。
上冲
在给出示波器的上升时间指标时，有时还一起给出上冲量的大小，如果没有给出上冲指标，应该视为上冲小于5%。
通常在广告中给出的上升时间指标，都是根据公式（带宽与上升时间关系经验公式）计算出来的，而非实际测量值。
当示波器通道的频率特性平坦，并满足以高斯型下降时，带宽与上升时间的关系能够表示如下。
……………………………………………………………..
（1）
其中：
f-3dB-------示波器的-3dB带宽；MHz
tr-------示波器的上升时间；ns
3）垂直偏转因数—垂直灵敏度
垂直灵敏度指标表明示波器测量最大和最小信号的能力，用显示屏幕垂直方向（Y轴）上每个格所代表的波形电压幅度来表达，通常以mV/div和V/div表示。
根据模拟示波器的传统习惯，数字示波器的垂直灵敏度也是主要以1、2、5步进的方式进行调节。
4）垂直偏转因数误差
垂直偏转因数误差表达了示波器测量信号幅度时的准确程度。
5）水平偏转因数—扫描时间因数或扫速
示波器的扫描时间因数表示显示屏幕水平方向（X轴）每个格所代表的时间值，以s/div、ms/div、ns/div、ps/div表示。
同样，沿用模拟示波器的传统习惯，数字示波器的扫描时间也是主要以1、2、5步进的方式进行调节。
6）水平偏转因数误差
水平偏转因数误差表明示波器测量波形时间量（如周期、频率、脉冲宽度）的准确程度。
7）触发灵敏度
触发灵敏度是指示波器能够触发同步并稳定显示波形的最小信号幅度，通常与信号的频率有关，信号的频率越高，为了触发同步并稳定显示波形所需要的信号幅度越大，即触发灵敏度越低，这个指标常常按频率分段给出。
8）触发晃动
触发晃动是示波器触发同步稳定程度的一种表达，如果触发晃动大，在最快速扫描时间档上，波形跳变沿会显得粗而模糊，并使时间测量误差增大。
触发晃动通常用波形沿水平方向抖动的时间（峰峰值或有效值）来表示（见图2.6）。
9）数字示波器的特有指标
1实时带宽、重复带宽（等效带宽）和单次带宽
数字示波器的取样方式有两种：
实时取样和等效取样。
等效取样又可分为随机取样和顺序取样两种方式（原理见第三节）。
当数字示波器的取样速率大于它实际带宽的4～5倍，并且数字化之后的样品点之间不加内插数据时，即可认为该取样是实时的，其实时带宽是取样速率的1/4～1/5。
如果数字示波器采用随机取样方式，尽管它的取样速率很低，只要被测信号是重复的，经过多次采集积累和信号重组，就能够准确地恢复出原来的信号，并得到比取样速率高得多的带宽，称为重复带宽，有时也称等效带宽。
顺序取样也是等效取样的一种，与随机取样的差别仅仅在于取样点与触发点之间的时间△t是如何得到的。
采用随机取样方式，△t是测量出来的，而顺序取样的△t是由软件或硬件预先设置的。
顺序取样的取样频率常常设计的很低，达几百kHz，而等效带宽能够实现几十GHz。
数字示波器处于实时取样方式时，它的单次带宽就等于实时带宽。
如果是随机取样或顺序取样方式，其单次带宽应该根据取样速率大于信号带宽4～5倍的关系进行计算。
2最高取样率
数字示波器进行数字化（把模拟信号转换成数字信号）时，能够达到的最大转换速率。
3存储深度—记录长度
存储深度亦称记录长度，表明被测信号经过数字化之后，一次性存在采集存储器中的样品点数目。
第三节工作原理
3.1基本原理
3.1.1取样方式
数字化示波器的取样方式有：
实时取样和等效取样,而等效取样又可分为随机取样和顺序取样。
（见图3.1）
（1）．实时取样
采用实时取样的DSO，对每个采集周期的取样点按时间顺序进行简单排列就能表达一个波形（图3.1a）。
这种示波器测量重复信号和测量单次信号具有相同的带宽，也称实时带宽（Real-TimeBW）。
为了提高带宽，必须提高取样速率。
根据奈奎斯特取样定理，采样频率至少必须两倍于被测信号的上限频率。
但是，由于示波器的频带宽度的定义，是指当示波器输入不同频率的等幅正弦信号，屏幕上显示的幅度相对于基准频率下降3dB时，其下限到上限的频率范围。
也就是说，在频率上限以外可能存在被测信号的高频分量。
所以，如果规定DSO的实时带宽等于取样速率的1/2，显然被测信号的高频分量违背了奈奎斯特准则，在使用中将会产生混淆现象。
为了避免混淆现象发生，目前，实时取样DSO的取样频率一般规定为带宽的4～5倍，同时还必须采用适当的内扦算法才行。
如果不用内扦显示，则规定取样速率应为实时带宽的10倍。
图3.1a实时取样
图3.1b随机取样
图3.1c顺序取样
图3.1DSO取样方式示意图
（2）.随机取样
由于实时取样DSO要求取样速率高，如果带宽100MHz就要求A/D器件的转换速度不能低于400MS/s，这样高速的A/D和样品存储器价格都比较高。
因而目前高带宽并且记录长度长的实时取样DSO，其价格还相当昂贵。
而大多数测量都是重复信号，为了以较低的取样速率获得高的重复信号测量带宽，必须采用随机取样或顺序取样技术。
事实上，目前大多数DSO都同时具备实时取样和随机取样两种取样方式。
所谓随机取样，是指每个采集周期采集一定数量的样品，经过多个采集周期的样品积累，最终恢复出被测波形（图3.1b）。
由于信号与取样时钟之间是非同步的，使得每个采集周期的触发点（由信号沿产生）与下一个取样点之间的时间间隔是随机的；又因为信号是周期的，可以将每个采集周期的取样等效为对由触发点确定的“同一段波形”的取样。
因而通过多个采集周期后，以触发点为基准将各采集周期的样点拼合，可以得到一个重复信号的由触发点确定的一段波形的密集的样点，这样就恢复出了这段波形。
每个采集周期，触发点与下一个取样点之间的时间由触发精密内插器测量，恰当地设计触发内插器，能够大大提高示波器的时间测量分辨率。
如果样点间隔为10ps，则等效取样率为100GS/s。
这种DSO的重复信号测量带宽主要取决于模拟通道和取样器，而取样器的带宽又与取样窗口的时间有关。
根据模拟取样示波器原理，取样器的带宽与取样窗口的关系近似为：
（1）
其中：
f─取样器带宽；MHz
τ─取样脉冲有效底宽；us
由于随机取样DSO能以较低的取样速率获得相当高的重复带宽，因此，具有很高的性能价格比。
例如，HP54600B、HP54610B和AV4451等，都是以20MS/s采样的，获得的重复带宽分别为100MHz和500MHz，而价格都较便宜。
（3）.顺序取样
顺序取样又称等时取样，主要用于数字取样示波器中，能以极低的取样速率（100kHz或200kHz）获得极高的带宽（高达50GHz），并且垂直分辨率一般在10bit以上。
由于这种示波器每个采集周期在波形上只取一个样点，每次延迟一个已知的△t时间，要想采集足够多的样品，需要更长的时间才行。
不能进行单次捕捉和予触发观察，也是它的缺点。
3.1.2取样速率与记录长度
记录长度决定着DSO所捕捉信号的持续期或者时间分辨率。
一个长的记录长度可能为更复杂的波形提供更好的描述，允许用户去捕捉更长持续期内有问题那段数据中的事件。
但是由于高速存储器制造技术上的限制，目前DSO的记录长度（采集RAM的容量）还不可能无限加长。
因此，DSO也不可能总是以最高取样速率工作,而是与设置的扫速、以及记录长度有关。
当测量周期性重复信号时，DSO可以工作于随机取样方式，这时取样速率和记录长度不会给测量带来多少影响。
可是，当用于捕捉单次信号，或者同时观测高速和低速两种信号以及时间相距较远的事件时，记录长度就显得十分重要了。
DSO的扫速、取样速率和记录长度之间存在如下近似关系：
其中：
fs----------取样速率；MHz
t/div------扫描时间因数；ns
N----------记录长度
图3.2扫速、取样速率和记录长度关系曲线
图3.2表示了几种不同DSO的扫速、取样速率和记录长度的关系曲线。
从图中可以看出，一台最高取样速率为1GS/s、记录长度为1kpts的DSO，当扫速为100us/div时，实际取样率已降到1MS/s（A点）！
而另一台最高取样速率100MS/s，记录长度1Mpts的DSO，在同样扫速下，仍然保持在100MS/s取样速率（B点）。
还有一台500MS/s最高取样速率、120k记录长度的DSO，在相同扫速下，取样速率大于100MS/s（C点）。
3.1.3.有效比特分辨率
模拟示波器的垂直分辨率以示波管良好聚焦情况下每格多少线来表示，而DSO的垂直分辨率是以比特数来表示的，所以叫比特分辨率。
当前各公司给出DSO的比特分辨率都是DSO内A/D转换器的比特数，一般是8比特。
实际上，A/D转换器的真正比特分辨率──即有效比特分辨率（EBR），与被转换的信号频率有关系。
当输入信号频率提高时，其比特分辨率减小。
并且不同厂家生产的A/D，其比特分辨率减小的多少也是不一样的。
例如同样是200MS/s、8bitA/D，AD770和CXA1076，在输入100MHz满刻度信号时，前者不足5bit，而后者不到4bit。
在DSO的整机中，通道噪声、非线性、时基抖动、代码丢失都会引起A/D转换器的有效比特分辨率降低。
因此，简单地用A/D的比特数来代表DSO的垂直分辨率，是不科学的。
然而，目前还没有统一的DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法。
对此，用户应有所了解。
3.2AV4445工作原理
整机主要由模拟板、数字板、接口板、键盘板，以及电源、CRT组件等组成。
整机原理框图见图3.3。
3.2.1模拟板（图3.4）
1）垂直通道
两个垂直通道的电路原理是相同的。
主要由20倍输入衰减器、交直流耦合及偏移控制器、阻抗变换器、x1/x5倍放大器、1/2/5/10/20倍可变衰减器、可编程压控增益放大器、带宽限制滤波器及5倍增益缓冲放大器等电路组成。
2）外触发通道
外触发通道由5倍衰减器、阻抗变换器、触发源选择器、交直流耦合控制器、频带和噪声抑制电路、缓冲器及比较器等电路组成。
3）通道控制和DAC部分
通道控制电路包含四个串行移位寄存器，由CPU编程的两个数据串经四个寄存器锁存，控制两个垂直通道的20倍衰减器、5倍放大器、1—20倍可变衰减器、交直流耦合、带宽限制器、控制触发源选择、触发耦合方式、触发滤波和噪声抑制。
DAC有8个输出通道，两个用于通道1、通道2的垂直偏移调节，两个作为通道1、通道2的垂直增益校准，其余一个内触发电平调节，一个外触发电平调节，一个精密内插校准和一个用于直流校准（从机器的后面板输出）。
3.2.2数字板（图3.5）
1）采集时钟发生器
晶体振荡器产生50MHz参考时钟，经四分频为12.5MHz，加给MC12429数字合成时钟发生器。
MC12429输出200MHz采集时钟，再由时钟驱动器送到A/D转换器作为转换时钟。
200MHz时钟经二分频后给降速处理器，作为该处理器的锁存和数据处理时钟。
2）A/D转换和降速处理器
A/D转换器是一个8比特、200MHz单片IC，输入信号幅度范围为2～3V，内部提供2.5V参考。
转换后的数据经过内部降速，变成两个并行8比特数据，由A口和B口输出。
这个16比特100MHz数据流送到降速处理器。
在常态采集方式下，100MHz数据流被降至32比特（四个8比特）50MHz并行数据流，
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