数字存储示波器培训文档格式.docx
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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。
我们将在本书的练习部分（第六章）更详细的讨论上升时间测量的问题。
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。
但是问题睦的是这样简单吗？
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.
顺序采样
采用顺序采样时,采样点的采集是按一个固定的次序进行的,即在屏幕以上左向右的进行采集.每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。
为了填满一个完整的波形记录,记录中有多少个存储位置就需要朋多少个触发事件,（见图27）。
图27顺序采样时显示波形的构成情况
当第一个触发事件到来以后就立即采集第一个采样点,并将其存入存储器.第二个触发事件则用来超动一个定时系统。
此定时系统将产生一个很小的时间延迟Δt,经过这个Δt的延迟时间以后，再采集第二个采样点，在扫迹存储器中的时间分辨率就等于这个小的延迟时间Δt，其值可能小于50微微秒。
第三个触发事件到来后，该定时系统则产生2Δt的延迟时间。
此延迟时间过后再采集第三个采样，并这样进行下去。
这就是说第n个新的采样点的采集是在相对于类似的触发事件延迟了（n-1）Δt的时间以后进行的。
其结果是示波器上显示的波形是由按固定次序出现的采样点而构成的。
即第一个采样点在屏幕的最左边，接着各采样点集资向右构成显示波形。
在顺序采样模式下，采集波形的周期数，即触发事件数等于存储器器的记录长度。
顺序采样可以实现后触发延迟功能，但是不能提供预触发信息。
在快速时基设置之下，填满一个存储器记录所需的时间是很有限的。
其速度比随机采产要快得多。
随机采样
在使用随机采样的示波器中，第一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关，这些采样点之间的时间隔为一已知的时间，由采样时钟来确定，当示波器在在等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存起来。
当一个触发事件到来时示波器内的一个定时系统就从这一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。
由于采样间隔是固定的，因此示波器就能够从此测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置（见图28）。
当第一次采集的所有采样点存贮完毕以后，就开始采集一组新的采样点并等待新的触发事件，新触发事件到来以后，计时系统双进行新的时间测量并计算出这些新的采产点位置。
这些新的采样点落在一次采集的采产点填充位置之间的未填充位置，用这种方法，波形扫迹就由在X轴上的随机位置上出现的一组组采样点所构成。
图28随机采样时扫迹的构成情况
在最快的时基设置之下，使用随机采样的方法填满一个完整的波形记录所花的时间要比顺序采样的方法多很多，因为这时是用统计的方法来填充所有的存储器位置。
随机采样技术的在优点在于可以提供预触发信息以及触发后信息。
电荷耦合器件
有些波器采用电荷耦合器件，或称CCD即一种模拟移位寄存器，来作模拟存储介质。
电荷耦合器件可以看成是一个由很多小单元组成的阵列，每个单元都可以贮存一宣的电荷，此电荷就代表队号的采样值，在时钟信号的命令控制下，这些单元可以按一个固定方向一个接一个的传递电荷，就象救火队员传递水桶一样。
在高速时钟控制下，CCD可以用来移位存入模拟信息，当所有的单元都填满时，快速时钟停止，然后用一个较慢的时钟将CCD中的电荷信息移位取出送入一个标准的模/数变换器。
这样模/数变抽象器就可以以低得多的速度工作。
而波形采集的速度仅仅取决于CCD输入时钟的速度。
如果让采样时钟连续运行，而当触发事件到来时让时钟停止，那么所有CCD的单元中存贮都是触发时刻这前采集的信息，也就是说，整个CCD中填充的都是预触发信息。
这对于研究系统过程的起因是非常宝贵的。
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。
显示类型，光栅扫描与向量扫描
在本书第一章的开头，我们谈到CRT是示波器的心脏。
还谈到在CRT中电子束的偏听偏信转是通过在两个偏转板之间施加电压来实现的。
这种偏转方法称为静电偏转。
这时偏听偏信转系统可以从DC开始直到很宽的频率范围内使用。
在模拟示波器中就采用了这种方法，在模拟示波器中输入信号经过衰减或放大以后，连续地、直接地加到偏转系统。
因此，模拟示波器常常被认为是最可信赖的的信号仪器；
我们在CRT屏幕上所看到的波形就是被套测系统中实际发生的情况。
这时，电子束的偏转是由输入信号和时基来决定的。
这两者一起把电子束偏转到屏幕上需要加亮的位置。
这种类型的显示称为向量扫描显示。
在DSO中，在显示信号波形之前首先要采集波形并存入存储器。
在基本些DSO中使用了另一种类型的CRT，即和PC监视器及电视机所使用的相类侯CRT。
在这些CRT中电子束得由安装在CRT外面的线圈产生的磁场来偏转的。
这种偏转方法称为磁偏转，它只能在一个很有限的偏转频率范围内使用，所以为种显示管采用和TV屏幕完全相同的方法来驱动：
即在屏幕上以固定的频率从左到右一行紧挨一行的车出扫描线。
扫守完整的一屏（一个全场）可能需要500行或者更多的行。
DSO计算出屏幕上的哪些点需要加亮，当扫描系统扫到屏幕上的这种点时，就使电子束加亮。
这种显示方式只能用于DSO，而不能用在模拟示波器中。
这时我们在屏幕上看到的并不是输入信号本身的波形，而是使用早些时刻采集的表示输入信号的数据在屏幕上重建的波形。
近年来使用液晶显示（LCD）的DSO已经问世，这种显示器需要的功率比CRT要小，困此用在便携式示波器上极为理想。
下面在Fluke公司的示波表（ScopeMeter）中我们会看到很好的应用实例。
由于LCD显示器功耗很低，所以一组小型的电池就可以供仪器工作几个小时。
2.2DSO的功能和控制机构
DSO有许多新的特性，这就使得DSO有许多模拟示波器没有的控制机构，下面我们将介绍若干最常见的控制机构。
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。
例如，当一个半导体器件被打开时，其输出信事情的幅度可能很大，我们可以用它来触发示波器，但是，如果我们要研究该半导体器件开始导通的很小的输入信号时，我们就会发现，。
这个信号太小因而不能准确的触发示波器。
这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：
即由一个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器，而示波器显示触动发时刻之前的信号的能力，这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和输出信号，从而看出系统响应的因果关系。
在另一些情况下，你可能想要详细地研究触发事件之后一段时间发生的信号有关部分。
例如在研究一个方波的抖动的大小，就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。
这时可以使用方波的一个沿来触发示波器，而把时基设置成很高的速度以显示抖动，其做法是：
在示波器探测到触发事件时，启动一个后触发延迟计数器。
将此计数器的计数时间设置成大约等于一个信号周期的时间。
当此预先设计的定时时间结束以后，示波器就开始从方波的下一个上升沿好将开始的时刻开始采集。
由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟，它与被测信号无关、独立工作，所以被没方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。
也就是说在各次采集过程中，方波的上升沿将会在相对于触发事件卡拉奇不同时刻（即屏幕上的不同位置）出现。
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。
因此PM3394A示波器就允许用户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置，并且触发位置还是连续可变的。
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
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