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1、第六章 时域测量,本章要点：,示波器的功用、分类、组成和波形显示原理,通用示波器的组成原理、特性与应用,取样技术在示波器中的应用,数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能,本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(Modulation Domain)。下面将分三章介绍三种图示式仪器：时域示波器、频域频谱仪和数据域逻辑分析仪。,6.1 时域测量引论,示波器的功用,1.示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。,2.
2、是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。,3.示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。,4.示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。,6.1.2 示波器的分类,当前常用的示波器从技术原理上可分为：,（1）模拟式通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。,（2）数字式数字存储示波器（采用A/D、DSP等技术实现的数字化示波器）。,
3、（1）中、低档示波器，带宽在60MHz以下。,（2）高档示波器，带宽在60MHz以上，大多在300MHz以下。更高档的有1GHz2GHz以上。,从性能上，按示波器的带宽可分为：,示波器的组成,Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。,X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。,显示屏：主要由阴极射线管组成，常以CRT(Cathode Ray Tube)表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波
4、管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（LCD）已经应用于示波器了。,6.2 显示屏,当前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及荧光屏VFD。本节着重介绍当前应用最广的示波管和TFT液晶屏。,示波管（CRT）,示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。,兰色：电力线红色：等位面,1.电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：,1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。,2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属,3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波
5、器面板上供使用。,当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z轴电路。,4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。,5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。,6.第二阳极A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成电子透镜。,7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。,2.偏转系统,1静电偏转-光点法-用干示波器,2.磁偏转-光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。,比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵
6、敏度是示波管的重要参数。,3.荧光屏,在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。,余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间,小于10s的为极短余辉；,不同荧光材料余辉时间不一样：,10s1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；,1ms0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）；,0.1s1s为长余辉（通常是黄色）；,大于1s为极长余辉（通常是黄色）。,平板显示技术（只简介TFT-LCD）,最为常见的为TFT-LCD（Thin Film Transi
7、stor LCD薄膜晶体管液晶显示器）。,液晶(Liquid Crystal)介于液态与固态之间，具有规则性分子排列的有机化合物，加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。,LCD平板显示器是矩阵式结构，每一个交叉点就是一个像素,行（X）驱动信号由扫描电路产生；列（Y）驱动信号则是将要显示的信号经过数字化以后写入数据存储器，而后再读出用于显示。,6.3波形显示原理,6.3.1 显示随时间变化的图形,1.光点扫描显示原理,光点位置控制：(示波管荧光屏),+,-,-,+,光点在合力作用下移动,.,2.信号与扫描电压的同步,若显示两个正弦波怎么办？,3.连续扫描和触
8、发扫描,连续扫描：一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。,触发扫描：一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。,显示两个变量之间的关系,Ux和Uy配合起来，即能够画出任意的波形。利用这种特点就可以把示波器变为一个XY图示仪。1.李萨如图形：校准频率指示2.逻辑分析仪：0、1显示3.矢量示波器：色坐标,光栅显示原理,光栅显示主要用于电视机和计算机的显示器，通常都是采用磁偏转方式的显像管。,1.光栅显示的原理与实现,电子束先要在行、场（即X、Y）扫描的配合下，从左到右、从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，如图6.12所示（示意图）。,光栅显示是三维（X、Y、Z）坐标显示。X、Y
9、偏转只用于决定光点在屏幕上的位置，而Z轴电路（见示波管第一栅极）则用于控制光点显示的强弱亮暗，这是由被测信号控制的。,6.4 通用示波器,通用示波器的组成,通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。,6.4.2 示波器的Y(垂直)通道,示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上。,1.探头（探极）与耦合,注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz带宽的示波器可能不到50MHz的效果。,1)无源电压探头,输入电阻：1M10M输入电容：180pF18pF展宽了频带分压比：101扩展示波器的
10、量程上限,附加一个RLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了300MHz以上。,2)耦合,2.输入衰减器,对于直流或低频情况：,对于高频情况,当满足 R1C1=R2C2,能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。,示波器的衰减器实际上由一系列RC分压器组成，改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用V/cm加标记。,通常示波器的灵敏度都是按1、2、5步进，例如，10mV/cm20V/cm分11档。,3.延迟线,4.Y放大器,Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。Y放大器应该有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称输出的输出级。,
11、通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。,宽频带、高增益差分放大示波器售价主要决定带宽,主要按钮：垂直（Y）位移-调Y放大器直流电位，使水平基 线上下移动。,寻迹-有时Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”,倍率-若把“倍率”置于“5”,则负反馈减小，,使增益大大降低拉回基线,增益增加5倍，这便于观测微弱信号。,示波器的X通道主要由扫描发生器环、触发电路和X放大器组成（见前第19张幻灯稿：示波器组成框图）,示波器的X(水平)通道,1.触发电路,作用-为扫描门提供触发脉冲,1)触发源选择,“内”触发：利用从Y通道来的被测信号作触发信号，这是最 常用的情况；,“外”触发：是用外接信号作触发信
12、号，但触发信号的周期应 与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触 发信号或比较两个信号时间关系的情况。,“电源触发”：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触 发，以便于与电源同步。,2)触发耦合方式,“DC”直接耦合：用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；,“AC”交流耦合：若用交流信号触发，置AC方式，这时电容 C1（约0.47F）起隔直作用；,“低频抑制”：利用C1、C2（约0.01F）串联后的电容，抑 制信号中大约2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中 的低频干扰；,“HF”高频耦合：利用C1和更小的C3（约1000pF）串联后 只允许通过频率很高的波,3)触发电平与
13、触发极性选择,其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，也就是可以自由选定从信号的某一点开始观测。,2.扫描发生器环（时基电路）,2)积分器（锯齿扫描电压产生，密勒(Miller)积分器）,3)比较和释抑电路,4)触发扫描状态,欲看3个脉冲：1、5号脉冲触发有效2、3号脉冲无用4号脉冲要抑制注意：三个时刻：t1、tp、t2三个时间：tb、th、tw要求：thtb（释抑放电时间大于回扫时间）,实用中只要选定s/cm，扫描环则会自动扫出合适的时基线。（不必调Tn/TS=n同步了）,5)连续扫描状态,予置：E0E1环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up，Ch充电，到E2
14、扫描结束，Ch又放电。当有信号（2号触发脉冲）则环路被信号所同步。,6)结论：,扫描环的巧妙加入，通过调节E0（RW稳定度）可使电路处于：,“常态”触发扫描状态；,“自动”低频连续扫描状态；,“高频”高频连续扫描状态,且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。,说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际 电路更完善更先进。,3.X放大器（见前p17框图）,1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板,2)特点：带宽比Y通道窄5-10倍,XY工作模式-,X扩展-X放大器增益：5；10,6.4.4 示波器的多波形显示,1.多线显示和多踪显示,1)多线显示,两个电子束，两个Y通道相互独立，
15、可以实时看到两个瞬变信号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。,2)多踪显示,工作方式：ABA+BA-B交替断续,注意：由谁触发？A、B各自触发，则不便比较时间关系。A、B共一触发，便于比较时间关系。,(a)“交替”方式,适合观测高频信号,交替描绘A、B两路,非实时（隔周）比较,(b)“断续”方式,适合观测低频信号,多次取样，准实时,波形非连续，可能,漏掉信息,2.双时基扫描,既可看全景，又可看局部（雷达、特写镜头）,工作方式：A工作模式；B加亮A；A延迟B工作,6.4.5 通用示波器的应用,1.通用示波器的主要技术指标,1)带宽、上升时间,Y通道的频带宽度(Bw)，,2)扫描
16、速度,扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是s/cm，或s/div。div(格)一般为1cm。,3)偏转灵敏度,偏转灵敏度Dy反映示波器观察微弱信号的能力。单位为mV/cm或V/div。,4)输入阻抗,示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。,5)扫描方式,示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的 扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫 描、交替扫描等，但此时示波器中要有两套扫描系统。,6)触发特性,为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。,2.通用示波器的选用原则,选用示波器的主要依据
17、是上述各项技术性能指标，但最主要的是带宽。,trx=10+3.5？因两独立变量应均方相加,则,但这样测读太麻烦，最好,这要满足什么条件呢？经误差分析，,可得右图关系：,tx/tr=1时，屏幕读数相对误差,通常要求选用的示波器上升时间要,tx/tr=35,对于一般连续信号,BW/fh=35,这里fh是被测信号中的最高频率分量。,3.通用示波器的基本测量方法,利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。在实验中进行。,提问：,1 观测一个10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？,2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？,3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？,4 测量电视机的高
18、频信号要选什么示波器？,“5倍准则：示波器所需带宽=被测信号的最高频率成分 5。”,30MHz,120MHz,20MHz,3000MHz,6MHz,38MHz,501000MHz,500MHz 示波器,50MHz的方波实际上看起来是什么样呢?,没有足够带宽的影响:波形上升时间慢幅度有衰减,6.5 取样技术在示波器中的应用,以上介绍的通用示波器是“实时示波器”，测量时间(一个扫描正程)=被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的。,但有两点不足:1.BW 1500MHz周期重复信号难以实现取样,2.单次、非周期信号难以观测（拍照）存储,BW再提高受到下列因素的限制：,（1）受到示波管的上限工作频
19、率的限制。,（2）受Y通道放大器带宽的限制；,(3)受时基电路扫描速度的限制。,6.5.1 取样示波器的基本原理,1.实时取样和非实时取样,取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。,同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫“实时取样”。取样信号uo(t)的频谱比原信号ui(t)还要宽。由此可知，实时取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。,非
20、实时取样-不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图6.47所示。,条件：周期信号 连绵不断取样点间隔：mt+nt左图 m=1（每个周期取一点）若 m=10,1000则波形展得更宽,2.显示信号的合成过程,两对偏转板上加什么样的电压呢?因要经过mt+t的停留时间，然后跳至下一点。可见X、Y偏转板上都应该加阶梯波,取样示波器的基本组成,Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把高频信号变为低频信号。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生t步进延迟脉冲送Y轴系统。,取样示波器的参数,取样示波器除具有
21、通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数。,1.取样示波器的带宽,取样示波器的带宽主要决定于取样门（技术关键），因为被测频率越高，要求取样脉冲越窄。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的最高工作频率与取样脉冲底边宽度成反比。通常，取样门最高工作频率可表示为,（6.17）,2.取样密度,取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。,3.等效扫描速度,等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。,应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（Philips）公司最先研制成功的，1969年美国HP公司也研制生产了
22、取样示波器，带宽已达18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：,一是单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限；,二是数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了，现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。,因此，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了，但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。,6.6 数字示波器,数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope，缩写 DSO)。,这类 4441 型示波器，其实时带宽为20或40MHz，最大采样率为10MS/s或25M
23、S/s。,2.单处理器数字示波器,3.多处理器数字示波器（用HP54600系列示波器来说明）,图中包含了三个处理器（主处理器、采集处理器和波形翻译器），现分四部分进行介绍。,1)模拟部分,这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电压，并保持足够长的时间，以便使A/D能完成模数转换。,2)采集处理器,使用随机-重复采样，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放置位置，以便重构波形。该采集处理器使用了HPCMOS技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。,3)波形翻译器,波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形
24、对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些波形的像素位置对应地送至像素存储器。,4)主微处理器,使用68000CPU、ROM、RAM的常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。,由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到1500000 点/秒以上。,力科（LeCroy）的产品，更突出了数字处理和软件的功能。,6.6.2 信号的采集处理技术,1.早期数字示波器的缺点,1)屏幕更新率低,更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率，即每秒可以捕获的波形数目。,早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量
25、，即不能及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，无法满足实时处理的要求。,同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。,例：右图调延迟时间T，要多次反复调整才行。,试验示波器更新率是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如正弦波方波三角波），看屏幕上是否能快速跟上变化。,为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（Tektronix）公司采用InstaVu技术已达到了400000W/S（波形/秒）以上，可以做到“模拟示波器的感觉，
26、数字示波器的性能的效果。,2)有混迭失真,混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。造成混迭失真的原因是欠采样，采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少2倍以上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。,避免混迭失真的措施：,A)过采祥，即提高采样速率，在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；,B)峰值检测（包络检测），以峰值作为基本的采样点，再补上其它的采样点，则不会混迭失真。,上述两个缺点是现代DSO设计和使用中要防止的问题。,2.采样方式,数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样(非实时采样)，等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图
27、6.58所示。,1)实时采样,实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，,2)随机采样,由于实时采样DSO要求采样速率高，例如带宽为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和采集数据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采样DSO价格相当昂贵。而实际上大多数测量的都是重复信号，,3)顺序采样,顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（100 kHz200kHz）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样周期在波形上只取一个样点，如图所示，每次延
28、迟一个已知的mt+nt 时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。,mT+nt,3.采样速率,采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：,用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数。如20MS/s（20106次/秒）。,用采样频率来描述，如20MHz。,用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（bit）的数据。如每秒钟储存160兆位（160Mb/s）的数据，对于一个8位（8bit）的A/D转换器来说，就相当于20MS/s的采样率。,采样速率高可以增大DSO的带宽，但事实上，DSO的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是
29、不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器，其具体定量关系见下述。,4.采集器件,世界各大仪器公司都推出自已的高速A/D技术，有的转换速度已超过10GS/s以上。当前在DSO中主要采用下面两种类型A/D转换技术。,1)并联比较式 A/D转换器（也称flash闪烁或瞬间式）,并联比较式 A/D转换器（及分级型和流水线式A/D转换器）教材P198,2)CCD+A/D技术,采用电荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）作高速模拟存储，然后再慢速进行A/D数字化处理。这种CCD+A/D组合采集的原理如图6.60所示。当前这种单片模拟存储IC的采样速率可达2.5GS/s，并且价格相对便
30、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。,两路组合采集的原理,5.采样存储器,要高速存储器：在DSO中每个新获取的采样数据都必须立即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续接收数据的能力。,采用循环存储结构：采样存储器具有循环存储功能。先进先出，总是存放有最新的nm个采样数据。,预采样：采用循环存储结构，主要是为了能观测触发之前的波形情况，采样过程必须预先进行，一开机就不断地采样。,6.触发功能,“触发”的概念来自模拟示波器，只能观测触发点以后的波形。在DSO中也沿用“触发”叫法，设置了触发功能。但这里触发 信号只是在采样存
31、储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地 选取采样存储器中某部分的波形送至显示窗口。,图6.62中是观测振荡器起振的过程，选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值，触发极性选正（上升沿），负延迟5格，则可在屏幕上同时看到触发前后的情况，即显示了从起振到稳定的全过程。,正延时 是指可以观测触发点以后的被测信号；,负延时 可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可由程序设定，给波形分析带来很大方便。,触发源选择：内触发(可分别由通道1或通道2触发)、外触发、交流电源触发等。,触发模式选择：自动、正态、单次等。,触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发、延迟触发及毛刺触发等。,延迟触发功能也是D
32、SO检测故障的一种手段，可以设法利用故障形成触发信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。,图6.63给出了毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形。有的DSO可捕捉0.6ns的毛刺。,表6.3 触发类型的原理与用途,7.采样速率与记录长度(即存储深度),采样速率fs(MS/s)数据点记录长度L（pts）高速存储器难度,例如，想要在100ms/div的扫速下以1GS/s采样,那将需要1000M的内存。,但习惯用：,扫速 200ps/cm-10s/cm,早期DSO的扫速、采样速率和记录长度之间存在如下近似关系：记录长度采样速率扫速10 L（pts）=fs(MS/s)S（S/div）10（div）（6.20
33、）,扫速S，是扫速变低,500 pts=50MS/s1ms/div10 div这样正好保证了有500个采样点（10ms/20ns=500）。若降低扫速，如10ms/s（这时可看100ms时间的信号），则 5000 pts=50MS/s10ms/div10 div 如果保持采样率不变，采样点太多采样存储器又会溢出。若降低采样率，如5MS/s，则 50 pts=5MS/s1ms/div10 div（每厘米仅5个光点）如果扫速保持不变，采样点太少则保证不了时间分辨率；早期DSO改变扫速则联动改变采样速率(实际上是改变A/D转换速度，即改变控制A/D工作的时钟频率)，基本上维持(6.20)式的平衡。,
34、但这样的设计存在两个缺点：,记录长度太短，不能完整记录一个较复杂的信号。只以一个显示窗口设计记录长度，采样点有5001000点也就够了，但仅1000个样点是难以显示一个较复杂波形的。否则水平方向分辨力很差，丢失波形中一些信息。,不便同时观测快慢信号。只以一个显示窗口设计记录长度，在观测一个含有快慢信号的波形时，例如图6.64所示的一行电视信号时，若以慢信号行频调整扫速，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中快变的电视信调整扫速，则又看不到一行完整的信号。,研究式(6.20)可以发现：,只要左边大于右边，即记录长度长，每次采集存储的样点多，一次就能记录下一个复杂的波形，右
35、边扫速较大范围改变时，采样速率可以保持不变，克服了上述两个缺点。因此，现代DSO都把增加记录长度（即提高存储深度）作为一项重要改进措施，设计超快、超长的采集存储器。现代DSO记录长度已做到多达48M采样点，保证了高的采样率和对复杂波形的捕获。,图6.65给出了几种不同DSO的扫速、采样速率和记录长度的关系曲线。从图中可以看出，一台最高采样率为1GS/s，记录长度为1Kpts的DSO，当扫速提高到100s/cm时，实际采样率已降到1MS/s（A点）！而另一台最高采样速率100MS/s，记录长度1Mpts的DSO，在同样扫速下，仍然保持在100MS/s采样速率（B点）。还有一台500MS/s最高采
36、样速率、120k记录长度的DSO，在相同扫速下，采样速率大于100MS/s（C点）。,采样率,1K记录长度,120K记录长度,1M记录长度,C,B,A,1GS/s,100MS/s,10MS/s,1MS/s,100KS/s,10KS/s,0.01KS/s,1KS/s,0.1KS/s,10ns,100ns,1s,10s,(500MS/s),100s,0.1s,1ms,10ms,1s,10s,(t/div),100s,1ks,10ks,100ks,扫速,图6.65 扫速、取样率和记录长度的关系曲线,结论：记录长度大的DSO，扫速在 较大范围调节时，采样速率不必跟着变化。,由于记录长度长，在此范围内改
37、变扫速，采样率可不变,记录长度短超此小范围改变扫速则要降低采样率否则要溢出,降低扫速必须降低采样率,应当指出，增加记录长度后，一次捕捉的波形样点多了，不用改变扫速就可同时观测高速和低速两种信号。但是屏幕只有10格500点左右像素，若捕获100000点的波形，仅有500点显示在屏幕上，只能看到波形中的某一部分，其余99500点是在屏幕左右看不见的地方。为此，不少厂家又提出多种波形快速缩放技术（如MegaZoom、QuickZoom、X-Stream等）和类似模拟示波器中的多时基显示技术，使用户通过左右移动或多次放大深层次的波形分析，既可看到波形的全貌又可看到局部细节。解决了长记录长度和快速显示处
38、理之间的矛盾。图6.66给出了力科公司采用X-Stream技术对复杂波形多次局部放大的示意图。,记录长度设计 关于记录长度设计主要依据需要采样的时间长度TP和最高采样速率（最小的采样问隔Ts）。即记录长度（存储深度）L：L=TP/Ts 例如：当要求TP=7ms，采样速率500MHz（即TS=2ns），则要求记录长度L=3.5Mb。但这样设计往往对采集存储器提出了过高的要求，因此实际设计中要对采集数据进行抽取和插值处理（见后述），然后权衡各方面因素再确定一个合适的记录长度。,8.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，
39、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比特数来表示DSO的垂直分辨率是不科学的，目前还没有统一
40、的DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法。,6.6.3 波形显示技术,DSO高速采集一个信号波形的数据后如何能在显示器上不失真的重构出来，这是要经过一整套复杂的数据处理之后才能实现的。,用采样率为1000MS观测频率为10Hz的正弦信号，则每个信号周期上100106个采样点,用采样率为1000MSa观测频率为200MHz的正弦信号，则每个信号周期上只有5个采样点。,1.样点抽取技术,2.样点内插技术,通常一个周期要有25个样点才能保证重构的波形失真较小。,DSP技术设计一个“信号重构模块”或称内插器,内插倍数=内插后总点数/原波形样点数,例如，原始采样数据中，一个周期只有4个采样点，示波器屏幕
41、水平方向有480个像素点，若希望在屏幕上看到一个周期的波形，则要求内插倍数（480/4=120）为120倍，即将4个采样点的波形，内插成480个点。,这种技术的原理是：在采样点之间插入曲线段而使显示波形平滑。但是，有时由于过于依赖曲线的平滑性而使用很少的采样点（有时少达每周期4个），因而噪声容易混入数据中。,数据点插入技术（插值、插补、曲线拟合）,DSO中常用一种插入器将一些数据补充到所有相邻的采样点之间。采用插值技术可以降低对采样速率的要求。当前主要有线性插入和曲线插入两种方式。常用的插入技术：,1)矢量式显示（线性插入）,2)正弦内插,3)改进型正弦插入,4)SinX/X插入,实际上仅是内
42、插样点是不够的,3.矩阵像象素点显示技术（不用D/A把点数据还原成模拟电压）,要求将波形对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些波形的像素位置对应地送至视频随机存取储存器（或称屏幕存储器、像素存储器、画面缓冲区，该存储器的存储单元与屏幕像素位置一一对应）相应的存储位置上。光栅-扫描显示器在波形翻译器控制下被视频随机存取储存器刷新，显示与波形对应的各像素。,4.有效存储带宽,DSO的有效存储带宽（USB，useful storage bandwidth）描述的是DSO观测正弦波信号最高频率的能力。实际上USB也用来作为DSO的单次带宽。,前面已经指出，为了避免混
43、淆现象发生，目前实时采样 DSO 的采样频率一般规定为带宽的 45倍，同时还必须采用适当的内插算法才行。如果不采用内插显示，则规定采样速率应为实时带宽的10倍。因此，在DSO中定义USB：,（6.21）,式中：fsmax最高采样速率,k正弦信号每周采样点数,允许每周采样点数要依据厂家采用的数据点内插技术而定。通常，纯点显示k=25，矢量内插k=10，正弦内插k=2.5。因此，USB的宽度与采样速率和波形重组的方法有关。,技术性能指标,1.带宽（BW）,当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下跌3dB时，其下限到上限的频率范围即频带宽度，单位一般是MHz或
44、GHz。,在DSO中通常有两种带宽：,重复带宽（repeat BW）：是指用DSO测量重复信号时的 3dB带宽。由于一般使用了非实时等效采样（随机采样或顺序 采样），故重复带宽（也称等效带宽）可以做得很宽，有的达 几十GHz。,单次带宽（single shot BW）：也称有效存储带宽（USB）。是用DSO测量单次信号时，能完整地显示被测波形的3dB带宽。实际上一般DSO模拟通道硬件的带宽是足够的，主要受到波形上采样点数量的限制。因此，单次带宽一般只与采样速率和波形重组的方法有关，上面6.21式给出了这种关系。,当DSO的采样速率足够高，即高于标称带宽的45倍以上时，它的单次带宽和重复带宽是一
45、样的，称为实时带宽。,2.上升时间（Rise Time）,数字示波器的上升时间和模拟示波器一样都按式(6.6)进行计算。,如果示波器的上升时间比被测脉冲的上升时间快三倍以上，则测量结果的直接读数误差不大于5%，否则需要用公式6.8进行计算，这也和模拟示波器使用情况相同。,扫速不同，采样点间隔不同，则上升时间读数可能不同。因此，使用中应注意选择合适的扫速。,3.垂直灵敏度（Vertical Defection Coefficient）,也称垂直偏转因数，指示波器显示的垂直方向（Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以V/div或V/cm表示。根据传统模拟示波器的习惯，DSO也以125步进方式进行垂直灵
46、敏度调节，也可以进行细调。,垂直灵敏度参数表明了示波器测量最大和最小信号的能力。,4.扫速,或称水平偏转因数（Horizontal Deflection Coefficient）、扫描时间因数、时基。指示波器显示的水平方向(X轴)每格所代表的时间值，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div表示。沿用模拟示波器的传统习惯，数字化示波器也以125步进方式进行调节，也能进行细调。,基本功能,数字示波器有很多传统模拟示波器所不具备的功能，这些功能也是目前数字示波器所必须具备的，具有一定的代表性。,1.自动刻度(Auto Scan),这是一种通过软件自动调定示波器设置的功能。,
47、只须按一下“自动刻度”键，软件就会对输入波形进行计算，使仪器调到合适的扫速、合适的垂直灵敏度、合适的垂直偏转和触发电平，从而得到满意的波形显示。,2.存储/调出（Save/Recall）,这是一种存储或调出前面板设置的功能。,当你需要多次重复使用某几套设置观测几个不同波形或对同一个波形在不同的设置条件下进行测量时，可以预先设置好几套面板参数存储起来。避免了每次测量所需的繁琐设置过程，特别适合于反复进行的测试程序，如生产线上的多种波形的重复测量。有的数字示波器可以存储十套面板设置。,1 10mv/cm 100ps/cm2 50mv/cm 0.5s/cm34510 1v/cm 10ms/cm,3.
48、光标测量(V、T),数字化示波器具有同时显示两个电压光标和两个时间光标的能力。简单地利用前面板的转轮，调整这些光标，能够测量波形上任何一点的绝对电平、离触发参考点的时间值或者直接读出波形上任意两点的电压差(U)、时间差(T)、以及电压与时间的相关特性等。,4.自动顶底(Auto Top-Base),在V菜单下，按“自动顶底”键，仪器的软件将用统计平均算法自动地把两个电压光标分别放在波形的顶部和底部。通过U的读数指示，可以立即准确读出波形幅度值或分别读出顶部或底部的绝对电平值。此外，U光标也能自动放在波形的10-90%、20-80%、50-50%(波形的中间)处，以便作为其它特殊测量使用。图6.
49、70表示一个“自动顶底”的例子。,6.自动脉冲参数测量,能进行的自动脉冲参数测量包括频率f、周期T、占空比（脉冲宽度占有率）、上升时间tr、下降时间tf、正宽度、负宽度、预冲d、过冲b、峰-峰电压、有效值电压等11种，测量方法符合IEEE194-1977标准的规定。,7.可变余辉显示,可变余辉显示是DSO一种显示时间软件控制功能。,模拟示波器余辉是电子束扫过之后荧光保留的时间，在高扫速时测量低重复频率信号，显示波形亮度会严重不足，而低扫速时，由于余辉时间不够会使波形严重闪烁，或只表现为光点的慢慢移动，甚至无法观测波形。,数字示波器能够通过软件控制波形在显示器上保持时间（从存储器中调出多显示几次
50、），改变信号显示时间的长短即所谓显示更新速率，或称余辉时间。可编程的余辉时间调节范围为200ms10s，无论你测量高重复速率信号，还是测量低重复速率信号，只要适当调节余辉时间，都能保持显示波形的亮度不变，也没有波形闪烁现象，并且与你所设置的扫速快慢也几乎没有关系。,8.无限长余辉（Infinite）,无限长余辉是利用磁偏转光栅显示的特点实现的。微处理器把每次采集到的波形数据送往波形RAM中时，不冲掉前一次的内容，显示RAM中的波形数据随着时间不断积累，显示刷新电路也不断的把RAM中的新老数据一起读出，加工成视频信号送往CRT显示，从而实现无限长余辉功能。利用这一功能，人们可以观察正在变化着的信
