示波器的分类.doc

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示波器的分类

电子设备可以划分为两类：

模拟设备和数字设备。

模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。

传统的电唱机是模拟设备，而CD播放器是属于数字设备。

       同样，示波器也能分为模拟和数字类型。

模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。

但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。

作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

模拟示波器

       在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。

示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。

电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。

当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。

在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。

       CRT限制着模拟示波器显示的频率范围。

在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。

在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。

当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。

模拟示波器的极限频率约为1GHz。

       当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。

图13图解出模拟示波器是如何显示被测信号。

设置垂直标度（对伏特/格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。

       随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。

电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。

亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。

正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。

       信号也经过触发系统，启动或触发水平扫描。

水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。

触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。

许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。

如果速度足够高，亮点每秒钟扫过屏幕的次数高到500000次。

       水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。

触发器能够稳定实现重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。

参照图14。

       另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。

为显示“实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。

模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。

在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。

通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。

数字示波器

       与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。

它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。

随后，数字示波器重构波形。

（参看图15。

）

       数字示波器分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

       数字的手段则意味着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。

对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为3dB点。

对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。

为了解更多的细节，请参照性能术语和应用部分的采样率一节。

数字存储示波器

       常规的数字示波器是数字存储示波器（DSO）。

它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。

       数字存储示波器（DSO）便于您捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。

以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。

这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。

波形没有必要是连续的；即使信号已经消失，仍能够显示出来。

与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。

然而，DSO没有实时的亮度级；因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。

组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。

但是，DSO包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。

从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图16所示。

随后将对串行处理体系作讲解。

串行处理体系结构

       与模拟示波器一样，DSO第一部分（输入）是垂直放大器。

在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。

紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。

该处理过程称为信号数字化。

水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。

该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。

       来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。

几个采样点可以组成一个波形点。

波形点共同组成一条波形记录。

创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。

触发系统决定记录的起始和终止点。

DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。

微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。

信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。

       在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。

可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。

目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。

       DSO提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力（参看图17）。

DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。

在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。

数字荧光示波器

       数字荧光示波器（DPO）为示波器系列增加了一种新的类型。

DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力，加速重构信号。

DSO使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如图18所示。

DPO采用ASIC硬件构架捕获波形图象，提供高速率的波形采集率，信号的可视化程度很高。

它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。

随后将对该并行处理体系结构进行阐述。

串行处理体系结构

       DPO的第一阶段（输入）与模拟示波器相似（垂直放大器），第二阶段与DSO相似（ADC）。

但是，在模数转换后，DPO与原来的示波器相比就有显著的不同之处。

       对所有的示波器而言，包括模拟、DSO和DPO示波器，都存在着释抑时间。

在这段时间内，仪器处理最近捕获的数据，重置系统，等待下一触发事件的发生。

在这段时间内，示波器对所有信号都是视而不见的。

随着释抑时间的增加，对查看到低频度和低重复事件的可能性就会降低。

       请注意，由显示的更新速率简单地推断采集到事件的概率是不可能的。

如果只是依靠显示更新速率，就确认示波器能采集到波形的所有相关信息，那么是很容易犯错误的，因为，实际上示波器并没有作到。

数字存储示波器串行处理采集到的波形。

由于微处理器限制着波形的采集速率，所以微处理器是串行处理的瓶颈。

       DPO把数字化的波形数据进一步光栅化，存入荧光数据库中。

每1/30秒，这大约是人类眼睛能够觉察到的最快速度，存储到数据库中的信号图象直接送到显示系统。

波形数据直接光栅化，以及直接把数据库数据拷贝到显存中，两者共同作用，改变了其他体系在数据处理方面的瓶颈。

结果是增加了“使用时间”，增强显示更新能力。

信号细节、间断事件和信号的动态特性都能实时采集。

DPO微处理器与集成的捕获系统一道并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的捕获速度。

       DPO如实地仿真模拟示波器最好的显示属性，并在三维显示信号：

时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化，三者都是实时的。

模拟示波器依靠化学荧光物质，与此不同，DPO使用完全的电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。

针对示波器显示屏幕的每一个点，数据库中都有独立的“单元（cell）”。

一旦采集到波形（即示波器一触发），波形就映射到数字荧光数据库的单元组内。

每一个单元代表着屏幕中的某位置。

当波形涉及到该单元，单元内部就加入亮度信息；没有涉及到则不加入。

因此，如果波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐步累积。

       当数字荧光数据库传送到示波器的显示屏幕后，根据各点发生的信号频率的比例，显示屏展示加入亮度形式的波形区域，这与模拟示波器的亮度级特性非常类似。

DPO也可以显示不断变化的发生频率的信息，显示屏对不同的信息呈现不同的颜色，这一点与模拟示波器不同。

利用DPO，可以比较由不同触发器产生的波形之间的异同，例如，比较某波形与第100号触发器产生波形的区别。

       数字荧光示波器（DPO）突破模拟和数字示波器技术之间的障碍。

它同时适合观察高频和低频信号、重复波形，以及实时的信号变化。

只有DPO实时提供Z（亮度）轴，常规的DSO已经丧失了这一功能。

       对那些需要最好的通用设计和故障检测工具以适合大范围应用的人来说，DPO是一个理想工具。

DPO典型应用有：

通信模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。

数字采样示波器

       当测量高频信号时，示波器也许不能在一次扫描中采集足够的样值。

如果需要正确采集频率远远高于示波器采样频率的信号，那么数字采样示波器是一个不错的选择（参看图21）。

这种示波器采集测量信号的能力要比其他类型的示波器高一个数量级。

在测量重复信号时，它能达到的带宽以及高速定时都十倍于其他示波器。

连续等效时间采样示波器能达到50GHz的带宽。

       与数字存储和数字荧光示波器体系结构不同，在数字采样示波器的体系结构中，置换了衰减器/放大器于采样桥的位置，参照图20。

在衰减或放大之前对输入信号进行采样。

由于采样门电路的作用，经过采样桥以后的信号的频率已经变低，因此可以采用低带宽放大器，其结果，整个仪器的带宽得到增加。

       然而，采样示波器带宽的增加带来的负面影响是动态范围的限制。

由于在采样门电路之前没有衰减器/放大器，所以不能对输入信号进行缩放。

所有时刻的输入信号都不能超过采样桥满动态范围。

因此，大多数采样示波器的动态范围都限制在1V的峰值-峰值。

另一方面，数字存储和数字荧光示波器却能够处理50到100伏特的输入。

       另外，采样桥的前面不能增加保护二极管，否则会限制带宽。

因此，采样示波器的安全输入电压大约只有3V，相对而言，其他示波器可以高达500V。