数字示波器基础知识.docx
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数字示波器基础知识
数字示波器基础知识
耦合
耦合控制机构决定输入信号从示波器前面板上的BNC输入端通到该通道垂直偏转系统其它部分的方式.耦合控制可以有两种设置方式,即DC耦合和AC耦合。
DC耦合方式为信号提供直接的连接通路.因此信号提供直接的连接通路.因此信号的所有分量（AC和：
DC）都会影响示波器的波形显示。
AC耦合方式则在BDC端和衰减器之间串联一个电容。
这样，信号的DC分量就被阻断，而信号的低频AC分量也将受阻或大为衰减。
示波器的低频截止频率就是示波器显示的信号幅度仅为其直实幅度为71％时的信号频率。
示波器的低频截止频率主要决定于其输入耦合电容的数值。
和耦合控制机构有关的另一个功能是输入接地功能。
这时,输入信号和衰减器断开并将衰减器输入端连至示波器的地电平。
当选择接地时,在屏幕上将会看到一条位于0V电平的直线。
这时可以使用位置控制机构来调节这个参考电平或扫描基线的位置。
输入阻抗
多数示波器的输入阻抗为1MΩ和大约25pF相关联。
这足以满足多数应用场合的要求，因为它对多数电路的负载效应极小。
有些信号来自50Ω输出阻抗的源。
为了准确的测量这些信号并避免发生失真，必须对这些信号进行正确的传送和端接。
这时应当使用50Ω特性阻抗的电缆并用50Ω的负载进行端接。
某些示波器，如PM3094和PM3394A,内部装有一个50Ω的负载,提供一种用户可选择的功能.为避免误操作，选择此功能时需经再次确认。
由于同样的理由,50Ω输入阻抗功能不能和某些探头配合使用。
相加和反向
简单的把两个信号相加起来似乎没有什么实际意义.然百，把两个有关信号之一反向,再将二者相加，实际上就实现了两个信号的相减。
这对于消除共模干扰（即交流声），或者进行差分测量都是非常有用的。
从一个系统的输出信号中减去输入信号，再进行适当的比例变换，就可以测出被测系统引起的失真。
由于很多电子系统本身就具有反向的特性，这样只要把示波器的两个输入信号相加就能实现我们所期望的信号相减。
带宽
示波器最生根的技术指标就是带宽。
示波器的带宽表明了该示波器垂直系统的频率响应。
示波器的带宽定义为示波器在屏幕上能以不低于真实信号3dB的幅度来显示信号的最高频率。
图5表示出一个100MHz示波器的典型频率响应曲线。
图5一台典型为100MHz示波器的频率响应曲线（简化的曲线和实际的曲线）
出于现实的理由，通常把带宽想象成为频响曲线一直平坦延伸至其截止频率，然后从该频率以－20dB/+倍频程的斜率下降.当然,这是一种简化的考虑。
实际上，放大器的灵敏度从较低的频率就开始下降,百在其截止频率达到－3dB。
图5中中同时给出了简化的频率响应曲线和实际的频率响应曲线。
数字存储
你可能还记得,第一章中我们谈到，普通模拟示波器CRT上的P31荧光物质的余辉时间小于1ms。
在有些情况下,使用P7荧光物质的CRT能给出大约300ms的余辉时间。
只要有信号照射荧光CRT就将不断显示信号波形。
而当信号去掉以后使用P31材料的CET上扫迹迅速变暗，而使用P7材料的CRT上扫迹停留时间稍长一些.
那么,如果信号在一秒钟内只有几次,或者信号的周期为数秒至珍长,甚至于信号只发生一次,那又将会怎么样呢？
在这种情况下，使用我们上面介绍过的模拟示波器则几乎乃至于完全不能观察这些信号。
因此我们需要找到在荧光物质上保持信事情轨迹的方法.为达到这一目的而采用的一种老式方法是使用一种称为存储示波管的特殊CRT。
这种示波管的荧光物质后面装有栅网,通过在栅网上充载电荷的方法存贮电子束的路径。
这种示波管价格很昂贵又比较脆弱,并且只能耐有限的时间内保持轨迹.
数字存储的方法克服了所有这些缺点，并且还带来了很多附加的特色,下面列出部分特点:
·可以显示大量的预触发信息.
·可通通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动的测量。
·可以长期贮存波形。
·可以在打印机或绘图仪上制作硬考贝以供编制文件之用.
·可以翻新采集的波形和操作人员手工或示波器全自动采集的参考波形进行比较。
·可以按通过/不通过的原则进行判断。
·波形信息可用数学进行处理。
何谓数字存储
从字意上不难看出，所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。
当信号进入数字存储示波器，或称DSO以后，在信号到达CRT的偏转电路之前（图18）,示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。
然后用一个模/数变换器（ADC）对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。
这个过程称为数字化。
图18数字存储示波器的方框图
获得的二进制数值贮存在存储器中。
对输入信号进行采样的速度称为彩样速率。
采样速率由采样时钟控制.对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒20兆次（20MS/s）到200MS/s。
存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。
所以，在DSO中的输入信号接头和示波器CRT之间的电路不只是仅有模拟电路。
输入信号的波形在CRT上获得显示之前先要存贮到存储器中去我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连接的波形显示。
采样和数字化
数字存储分两步来实现。
第一步，获取输入电压的采样值。
这是通过采样及保持电路来完成的，见图19。
图19基本的采样保持电路
当开关S闭合时，输入放大器A1,通过开关S对保持电容进行充放电，而当开关S断开时保持电容上的电压就不再变化，缓冲放大器A2将此采样值送往模/数变换器（ADC），ADC则测量此采样电压值,并用数字的“字”的形式表示出来。
模/数字变换器围绕一组比较器而构成，见图20,每一个比较器都检查输入睬样电压是高于或低于其参考电压。
如果高于其参考电压则该比较器的输出为有效;反之则输出为无效.
图20模数变换器基本电路
各个比较器的参考电压彼此略有不同,这此参考电压都是用一个电阻链从一个基准电压源而得到的。
对于某一采样电压值来说,若干个比较器输出为有效，而其余的比较器输出为无效，接着ADC中的编码变换器就把该采样电压值变为一个“数字"，并将其送往数字存储器。
这种类型的ADC称为闪其速式（flash）模/数字变换器。
因为它能在“一闪”间把一个模拟输入电压变换为一个“数字”。
除此之外,还可以使用其它类型的模/数变换器，。
其模/数变换是由几步动作来完成的，但是其缺点是完成一个采样压的变换所需时间较长。
模/数变换器和垂直分辨率
ADC通过把采样电压和许多参考电压进行比较来确定采样电压的幅度.构成ADC所用的比较器越多，其电阻链越长，ADC可以识别的电压层次也赵多。
这个特性称为垂直分辨率，垂直分辨率越高，则示波器上的波形中可以看到的信号细节越小（见图21）.
图21垂直分辨对显示波形的影响
垂直分辨率用比特来表示，垂直分辨率就是构成输出的字的总比特数（即数字输出字的长度大小）。
这样ADC可以识别并进行编码的电压层次数可以用下式来计算：
层次数=2比特数
多数示波器使用比特的模/数变换器,所以能够按28=256个不同的电压层次来表示信号电平，这样就能够提供足够的细节以便研究信号和进行测量，在这种垂直分辨率下，可以显示的最小分辩率号步进值大约和CRT屏幕上光点的直径大小相同，代表采样电压值的一个ADC输出字包含8个比特,并称为一个字节。
在现实当中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本问题，在制造ADC时,输出字每多增加一个比特，就需要将所用的比较器数增加一倍并使用更大的编码变换器,这样一来就使得ADC电路在电路板上占据大一倍的芯片空间,并消耗多一倍的功率（这又将进一步影响周围电路）结果，增加垂直分辨率又带了价格的提高。
时基和水平的分辨率
在数字存储示波器中，水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值,并且每个采样值取自正确的时刻,和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（s/格）。
构成一个波形的组全部的采样叫作一个记录，用一个记录可以重建一个或多个屏莫的波形,一个示波器可以贮存的采样点数称为记录长度或采集长度，记录长度用字节或千字节来表示，1千字节（1KB）等于1024个采样点.
通常,示波器沿着水平轴显示512采样点,为了便于使用，这些采样点以每格50个采样点的水平分辨率来进行显示,这就是说水平轴的长为512/50=10。
24格。
据此,两个采样之间的时间间隔可按下式计算：
采样间隔=时基设置（s/格）/采样点数
若时基设置为1ms/格，且生格有50个采样,则可以计算出采样间隔为:
采样间隔=1ms/50=20us
采样速率是采样间隔的倒数:
采样速率=1/采样间隔
通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的，因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时时设置之下才是有效的。
在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低.
设有一台示波器,其最大采样速率为100MS/s那么示波器实际使用这一采样的速率的时基设置值应为
时基设置值=50样点×采样间隔
=50/采样速率
=50/（100×106）
=500ns/格
了解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置,使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。
此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实进采样速率”进行工作。
这个采样速率也就是在示波器的技术指标中所给出的采样速率。
实用上升时间
在很多示波器应用场合，都要进行信叼开关我的测量,即测量上升时间和下降时间。
从第一章我们已经知道，示波器的上升时间决定了该示波器能够精密进行测量的最快瞬变我对于模拟示波器来说，上升时间特性。
对于模拟示波器来说，上升时间特性完全取决于示波器的模拟电路.
如果DSO,则示波器可以采集到的最快的瞬变特性不仅取决于其模拟电路，也取决于其时间分辨率。
为了正确的进行上升时间的测量,必须在我们关心的信号边缘上采集到足够的细节信息,这就是说,在瞬变期间必须采集很多采样点。
这个上升时间称为DSO的有用上升时间。
并且其时间值是时基设置值的函数。
最大捕捉频率及香农（Shannon）采样准则
当人们最初探索将信号进行数字化的时候研究工作就已揭示，为了很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍，这个要求通常称为香农采样定理。
然而,这项研究工作是针对通信应用领域而并非针对示波器为进行的,现在来看图22.从图中看出。
当使用两倍于信号频率的采样时钟时。
信号频率确实可以恢复。
使用恰当的波形重建装置我们就可可得到和原始的波形十分相象的波形。
但是问题目的是这样简单吗？
现在我们设想在进行波形的数字化时仍然使用相同的采样时钟，但是将采样点选在和原来略为不同的时刻，不定在信号的峰值点，这样一来，信号的幅度信息就会严重失误，甚至可能完全丢失，事实上。
如果采样点准确地取在信号地过零零碎碎点（见图22下图）那么由于所有的采样取到的采值均为零零碎碎，我们将完全观测不到信号。
图22用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样。
分别示出采样点位于信号峰值点和采样点接近信号过零零碎碎点两种情况
示波器是用来研究信号的，为了很好的研究主事情不仅要求正确的表示信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度。
从图23可以看出，如果每个周期用三个采样点对信号进行采样。
则再现的波形也会发生很大的失真。
图23以每周期约三个采样点进行采样的信号波形
根据经验通常认为每周期最小要了十个采样点才能给出足够的信号细节。
在有些情况下，对信号怕细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出有关信号的特性（见图24）。
这样，对于一个最大样率为200Ms/s的示波器来说，能够准确采集的最大信号频率即为20于40MHz。
在这种情况下，还可以使用特殊的显示系统来提高显示波开有的保真度.其方法是通过各个采样点画出最佳拟合的正弦曲线。
这种方法称为正弦内插。
图24以每周期五个采样点进行采样的信号波形
假象（Aliasing）现象
我们已经知道，为了重建一个波形，至少需要一定数量的采样点,而且在任何情况下采样时钟的频率都必须比信号频率高五至十倍。
如果采样时钟频率比信号频率代,那么我们将会得到不可预料的结果.
让我来看一下图25所示的情况。
如图所示，我们从信号波形的不同周期连续获到采样点，然而。
每一个新的采样点的采集都发生在相对信号过零点的时间间隔略为长一点的时刻。
如果我们现在来显示这些采样点并用它来重建信号波形，则显示出的仍然是一个正弦波.但是这个正弦波的频率和原来输入信号的频率完全不同。
这种现象称为假象信号或者不正确频率的幻影信号。
然而，它却可能表示出正确的波形形状,而且往往还具有正确的波度幅度。
图25假象信号正弦波
多数现代示波器都调用有所谓自动设置功能，一旦输入信号连好以后，示波器就能自动地造反适当的偏转系数和时基设置值。
这种自动设置功能也能帮助避免假象现象.
在有些情况下，信号的频率变化得非常快，以致于在某一时刻选定的时基设置是正确的，而在另一时刻（或者对于信号的另一部分而言）示波器又显示出假象信事情，这时可以用峰值检测功能（见2.2节）来发现任何时刻信号的真正幅值。
为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用组合示波器的模拟方式来观察信号，归要结底,模拟方式是不可能发生假象现象的。
实理采样和等效时间采样
到现在为止我们所介绍的波形数字化方法称为实时采样。
这时所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的.这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。
只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作.
在很多多应有和场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要求，在这些应用场合中,要观察的信号常常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重复地出现.
图26实时采样
对于这些信号来说，示波器可以从若干连续的信号周期中采集到的多组采样点来构成波形,第一组新的采样点都是由一个新的触发事件来启动采集的.这称为等效时间采样,在这种模式下，一个触发事伯到来以后,示波器就采集信号波形的一部分,例如采集五个采样点并将它们存入存储器。
另一个触发事件则用来采集另外的五个采样点，并将其存贮在同一存储器的不同位置，如此进行下去经过若干次触发事伯以后，存储器内存贮的足够的采样点，就可以在屏幕上重建一个完整的波形，等效时间采样使得示波器在高时基设置值之下给出很高的时间分离率，这样一来，就好象示波器具有了比共实际要样速率要高得多的一个虚拟采样速率或称等效时间采样速率。
等效时间采样速率
等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的波形，这样就提高了示波器的时间分辨率.
举例来说，有一台DSO的时基设置值为5ns/格,每格显示50个采样点，则可以求出等效时间采样速率为：
等效时间采样速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s
等效时间采样速率是在高进基设置之下表示示波器不平分辨率的一种间接的方法。
它也表明假如使用实时采样的方法要获得相同的时间分辩集约所需要的采样速率,等效时间采样速率比现今能够达到的实时采样速率要高得多。
可以采用两种不同的技术来实现等效时间采样,即顺序采样和随机采样。
单次捕捉应用
模拟示波器和DSO的主要区别在于DSO能够存贮波形信息。
这使得DSO在研究低重复速率的现象或者研究完全不重复的现象即所谓单冲信号的工作中具有特别宝贵的价值。
这种应用情况的例子包括诸如测量一个电系统的冲击电流、破坏性试验中只能进行一次测量,事实上，非重复性信号或单位信号在很多系统中都可以见到。
虽然很多模拟示波器也常常有单次测量能力，即可以产生单次的进基扫描。
但是DSO在采集波形细节方面则是首屈一指的。
在进行单次采集时,示波器首先诮进行触发准备（armedfortrigering）.通常用一个标有“单次”或者“单次复位"的传门控制机构来提供此项功能。
触发位置
具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小，这可以用触发位置控制机构来完成.这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。
在有些示波器中，触发位置只能设置为几个预先规定的数值，例如在采集的信号记录的开关、中间和结尾。
但如示波器具有很宽的触发位置控制范围，使用起来将会是很方便的
预触发和后触发
在第一章中我们谈到，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。
这样一来我们就只通用性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。
在很多应用场合,我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面,而是在触发以后一段时间，或者甚至可能在触发这前。
毛刺捕捉
图29所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。
产生这种波形的原因可能是由于其它电路的干扰，也可能是由于连线离被测系统过近的缘故.这些毛刺常常会引起系统发生误动作。
那么，我们能用示波器来发现这些毛刺吗？
图29叠加了毛刺的正弦波
如果我们使用模拟示波器来观察，只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号（即这个例子中的正弦波）同步时，我们才能看到毛刺信号。
或者，如果我们的运气好，出现了很多的毛刺的朦胧形象。
由于毛刺源于其它的电路系统，所以这些毛刺通常只是偶尔发生，并且和主信号不同步。
那么，如果DSO，我们能发能这些毛刺吗？
未必，首先我们必须确保示波器已准备好去捕捉这些快速毛刺.
我们知道，DSO在特定时刻对输入信号进行采样,如本章开头所述，采样点之间的时间间隔取决于时基设置.如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运气如何了。
为了能够捕捉到毛，我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉.
彩峰值检测的方法时,示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器将信号的峰值幅度暂地存贮起来.当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零.这样在示波器上就用检测到的信号的正,负峰值代替了原来的采样点数值。
因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。
峰值检测的方法对于捕捉调制信号,例如图30所示的AM波形，也是非常有用的.为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置得和调制信号在频率相配合，而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为455KHz或者更高。
在这种情况下，不使用行刺捕捉功能,就不能正确地采集信号，而使用了毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。
图30使用和不使用峰值检测模式两种情况下捕捉到AM调制信号波形
示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的,模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存贮信号的峰值，这种缺点是速度比较慢,它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。
数字式峰值检测器围绕ADC而构成，这时ADC将以可能的最高采样速率连续对信号进行采样,然后将峰值存贮在一个专用的存储器中，当要显示采样点的值时，贮存的峰值就作为该时刻的采样值来使用.数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快，本书中用作示例的示波器PM3394A就能够在很低的时基速率设置下，如1秒/格，以正确的幅度采集到窄至5ns的毛刺.
滚动模式
至此，我们已经知道DSO能用和模拟示波器类似的方式显示波形,从触发事件开始，示波器采集信号的采样点，并将其存于采集在储器中的连续位置中.一旦新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后，采集过程既告结束，示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去在此时期示波器不再采集新的数据，就像模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一样。
对于低频应用的场合,信号的变化周期可达分钟量级而远不只是微秒的量级，这时DSO可以应用于一种全连续的显示方式:
滚动模式。
而这种背后的极样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动（见图31）。
老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。
这样一来示波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。
图31滚动模式
由于有了这种滚动模式，我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等.
波形存贮
被测信号的波形形存入存储器以后,可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中，供以后进行分析或作参考及比较的目的使用,DSO中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的方式设置，这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮，也可将后务存储器设置为记录存储器,这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。
示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是很方便的。
这时工程师可以把现场测量期间所有有关的波形都存贮下来，以便以后生成硬考贝,或将这些波形传往计算机再作进一步的分析。
显示算法，内插和点连接
我们在DSO屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。
这时示波器在屏幕上显示出这些采样点,并在这些采样点之间画出连线，这种波形显示的工作可以按几种方法来作，最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接，这种京都我为线性内差，只要各采样点之间告得很近，例如每格50个采样点,用这种方法就能获得足够的重建波形,如果在信号跳变沿前后都采集了采样点,那么用这种方法就可以观察领事的沿，如果将显示的波形在水平方向放大,使得采集的采样点之间的距离变大,那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低,所以,示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高，当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时，在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连接要好得多，为此可用使用正弦内插法。
采用这种方法时，在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。
采用了内插的方法以后，既使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。
采用平均的方法来提高分辨率
平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起，采用平均的方法可以减少叠加在信号上的噪音，经过平均处理以后的波形的第一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置的采样值通过平均运算而获得的。
由于噪音的本质所决定，噪音对每次新的采集来说都是不同的，所以各次连续采集波形的采样值就会略有不同,通过平均减少了这种差别,获得了更加平滑的波形，但是并不影响带宽，然而，当使用平均的方法时,示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。
多数DSO的垂直分辨率为8比特。
这就是说，采集的波形完全由256个不同的电压电平来表示,通过对各次连续采集的波形进行平均可以提高分辨率，进行平均计算时所用的连续采集波形数越多，垂直分辨率就越高。
每当所用的连续采集波形数增加一倍时，垂直分辨率就增加一个比特。
数字滤波
对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以咸小波形带宽的得理过程.“滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果.
数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波表记录中与该点相邻的若干采样点进行平均来实现的。
这样作的结果减小了信号的噪音，但同时也减少了带宽的目的是为了减小噪音。
数字滤波也可用于单次信号的
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