第六章信号显示与测量

1、第六章第六章 信号的显示和测量信号的显示和测量6.1 引言引言1.1.显示信号的必要性显示信号的必要性 示波器将电信号作为时间的函数显示在屏幕上示波器将电信号作为时间的函数显示在屏幕上, ,从而可以观察波形从而可以观察波形, ,测量一些参数测量一些参数, ,还能测量两个信号还能测量两个信号的时间和相位关系的时间和相位关系. . 广义上广义上, ,示波器是一种能够表现两个相互关联的示波器是一种能够表现两个相互关联的X-YX-Y坐标图形的显示仪器坐标图形的显示仪器. . 数字存储示波器的关键技术数字存储示波器的关键技术( (数据的采集和存储数据的采集和存储) )是连接模拟和数字测量的基本技术是连接

2、模拟和数字测量的基本技术. . 2.示波器的发展和现状示波器的发展和现状 19341934年年B.B.杜蒙发表杜蒙发表137137型示波器型示波器现代示波器雏形现代示波器雏形 七十多年来示波器的技术进程分为三个阶段七十多年来示波器的技术进程分为三个阶段: : (1)20 (1)20世纪世纪3030到到5050年代是通用示波器的诞生和实年代是通用示波器的诞生和实 用化并且品种缤纷的阶段用化并且品种缤纷的阶段. . (2)20 (2)20世纪世纪6060年代示波器技术不断提高年代示波器技术不断提高, ,表现为带表现为带 宽的不断上升宽的不断上升. . (3)20 (3)20世纪世纪7070年代以后

3、，年代以后，19791979年示波器的带宽达到年示波器的带宽达到 1GHz,1GHz,创造了通用示波器的带宽高峰创造了通用示波器的带宽高峰. . 1983 1983年，带宽为年，带宽为50KHz50KHz的的数字存储示波器（数字存储示波器（DSODSO）问世问世 1998 1998年，年，TEKTEK公司推出了公司推出了数字荧光示波器（数字荧光示波器（DPODPO）3.3.示波器的分类示波器的分类(1)(1)通用示波器通用示波器模拟示波器模拟示波器数字示波器数字示波器 数字存储示波器数字存储示波器-DSO, -DSO, 数字荧光示波器数字荧光示波器-DPO -DPO 取样示波器取样示波器 采用

4、取样技术将高频周期信号转化为低频信号采用取样技术将高频周期信号转化为低频信号. .(2)(2)特种示波器特种示波器v第一代第一代 模拟示波器（模拟示波器（ARTART） 优点：优点：实时实时显示、显示、灰度灰度荧光显示荧光显示 缺点：不能进行波形存储、波形分析缺点：不能进行波形存储、波形分析v第二代第二代 数字存储示波器（数字存储示波器（DSODSO） 优点：能进行波形存储、波形分析优点：能进行波形存储、波形分析 缺点：缺点：非实时非实时显示、不能用亮度表示信号频度显示、不能用亮度表示信号频度v第三代第三代 数字荧光示波器（数字荧光示波器（DPODPO）结合了结合了ARTART和和DSODSO

5、的优点，摒弃其缺点。的优点，摒弃其缺点。 准实时准实时显示、显示、数字数字荧光显示荧光显示TEK DPO4104开发的开发的DPO样机样机示波器最新产品示波器最新产品v泰克泰克混合域示波器（混合域示波器（MDO4000MDO4000系列）系列）vMDO4000MDO4000系列系列混合域示波器是由美国泰克公司混合域示波器是由美国泰克公司20112011年年9 9月推月推出的世界首创也是唯一的集出的世界首创也是唯一的集数字荧光示波器数字荧光示波器、频谱分析仪频谱分析仪、逻辑分析仪逻辑分析仪、总线协议分析仪总线协议分析仪、调制域分析仪调制域分析仪五种仪器五种仪器功能于一身的功能于一身的跨域分析示波

6、器跨域分析示波器。v该系列示波器是近二十年来示波器市场中最富革命性的一该系列示波器是近二十年来示波器市场中最富革命性的一个新产品、新品种、新技术。自它诞生之日起，已经获得个新产品、新品种、新技术。自它诞生之日起，已经获得国内外国内外十多个最佳创新奖项十多个最佳创新奖项。v利用创新性的利用创新性的时域、频域、调制域时域、频域、调制域时间相关的跨域分析技时间相关的跨域分析技术，可以发现传统测量手段无法发现的嵌入式系统、无线术，可以发现传统测量手段无法发现的嵌入式系统、无线系统，基带与射频电路的各种硬件、软件与系统问题。系统，基带与射频电路的各种硬件、软件与系统问题。 主要性能指标：主要性能指标：v

7、四通道四通道1GHz 1GHz 带宽、带宽、5Gsps5Gsps最高采样率、最高采样率、20M20M存储深度、存储深度、4040万帧万帧/ /秒最高捕获更新率的秒最高捕获更新率的数字荧光示波器数字荧光示波器的功能；的功能；v具有具有 16 16 通道通道60.660.6 ps ps 的精细定时分辨率的精细定时分辨率逻辑分析仪逻辑分析仪；v具有多种串行总线、以太网、具有多种串行总线、以太网、USBUSB、音频等串行触发与分、音频等串行触发与分析的析的总线分析仪总线分析仪的功能；的功能；v具有具有50KHz50KHz至至6GHz6GHz频率范围的频率范围的频谱分析仪频谱分析仪的功能；的功能；v具有

8、大于等于具有大于等于1GHz 1GHz 带宽的带宽的调制域分析仪调制域分析仪的功能的功能 v安捷伦安捷伦Infiniivision 4000 xInfiniivision 4000 x系列系列像平板电脑一样易用；可在任何波形触发；可升级像平板电脑一样易用；可在任何波形触发；可升级 主要性能主要性能： 超凡速度：超凡速度： v100100万帧波形万帧波形/ /秒的更新速率（超越同档产品秒的更新速率（超越同档产品2020倍）倍）v完美的完美的 MegaZoom IV MegaZoom IV 智能存储器技术智能存储器技术 v标配的分段存储器标配的分段存储器 超凡可用性：超凡可用性： v业界最大的业界

9、最大的 12.1 12.1 英寸电容触摸屏英寸电容触摸屏 v触摸式界面触摸式界面 v创新的创新的 InfiniiScan Zone InfiniiScan Zone 硬件触摸触发技术硬件触摸触发技术 只需在指定信号周围绘制一个方框，示波器便可在只需在指定信号周围绘制一个方框，示波器便可在这些信号上进行触发。因此只要能看见波形，便可这些信号上进行触发。因此只要能看见波形，便可在其上进行触发。在其上进行触发。 超凡综合性：超凡综合性： 五位一体的综合性仪器，包括带宽在五位一体的综合性仪器，包括带宽在内的特性均可进行升级内的特性均可进行升级 v示波器示波器 v逻辑分析仪（逻辑分析仪（MSOMSO）

10、vUSB USB 端口串行协议分析仪（可选）端口串行协议分析仪（可选） vWaveGen 20MHz WaveGen 20MHz 双通道双通道函数函数/ /任意波形发任意波形发生器生器（可选）（可选） v可提供可提供 3 3 位电压和位电压和 5 5 位频率计数器测量位频率计数器测量的的数字电压表数字电压表（DVMDVM）选件）选件 v力科力科高分辨率示波器（高分辨率示波器（HDO6000HDO6000系列）系列） Key Featuresv12-bit ADC resolution, up to 15 bits with enhanced resolution v350 MHz, 500 M

11、Hz and 1 GHz bandwidths vLong Memory - up to 250 Mpts/Ch v12.1 Multi-touch screen display with small footprint vSpectrum Analyzer Mode standard vWaveScan - Advanced Search and Find vHistory Mode - Waveform Playback vPower Analysis Software vJITKIT Clock-Data Jitter Analysis vSerial Data Trigger and

12、Decode vLabNotebook Report Generation vAdvanced Trigger Tools including TriggerScan and Software Assisted Triggerv力科力科高分辨率示波器（高分辨率示波器（HDO6000HDO6000系列）系列）6.2 模拟示波器工作原理模拟示波器工作原理信号显示原理信号显示原理 显示器件是示波管显示器件是示波管, ,它可以同时接受两个信号的作用它可以同时接受两个信号的作用. .被被测信号的电压和扫描电压同时作用于示波管测信号的电压和扫描电压同时作用于示波管, ,驱动其电子束运驱动其电子束运动动,

13、,使之在屏幕上产生二维坐标的显示。如图使之在屏幕上产生二维坐标的显示。如图6-16-1所示。因此，所示。因此，示波器能够显示被测信号随时间变化的波形。示波器能够显示被测信号随时间变化的波形。 示波器原理示波器原理 示波器是以示波管为核心的电子仪器，其原理结构图如示波器是以示波管为核心的电子仪器，其原理结构图如图图6-26-2所示。一个较为实用的示波器基本组成图如图所示。一个较为实用的示波器基本组成图如图6-3(a)6-3(a)所所示。示。 垂直输入电路垂直输入电路包括输入衰减器、前置放大器，对各种幅度包括输入衰减器、前置放大器，对各种幅度的被测信号进行衰减或放大。的被测信号进行衰减或放大。 垂

14、直末级放大器垂直末级放大器对信号进一步放大，以满足对信号进一步放大，以满足Y Y偏转板的要求。偏转板的要求。 触发电路触发电路产生触发脉冲启动时基发生器工作。产生触发脉冲启动时基发生器工作。 时基发生器时基发生器是扫描电路的核心，由它产生扫描电压。是扫描电路的核心，由它产生扫描电压。 水平末级放大器水平末级放大器对扫描电压进行放大，以满足对扫描电压进行放大，以满足X X偏转板的要偏转板的要求。求。 Z Z电路电路控制荧光屏显示的亮暗程度控制荧光屏显示的亮暗程度 延迟级延迟级是为了能在屏幕上观测到被测信号的起始部分，因是为了能在屏幕上观测到被测信号的起始部分，因为水平通道的延迟时间比垂直通道的延

15、迟时间要长，所以要为水平通道的延迟时间比垂直通道的延迟时间要长，所以要在在Y Y通道加一延迟级以推迟被测信号到达通道加一延迟级以推迟被测信号到达Y Y偏转板的时间。偏转板的时间。 图图6-3(b)6-3(b)为电路各点的波形。为电路各点的波形。 模拟示波器的主要技术指标模拟示波器的主要技术指标: (1)Y通道的带宽和上升时间通道的带宽和上升时间hlBWffY通道的带宽高端频率低端频率0lf 时时hBWf0.35rtBW 上升时间上升时间tr和带宽和带宽BW相互关联相互关联, 当当Y Y通道频响通道频响等效为一阶等效为一阶RCRC特性时，特性时，它们有如下的关系它们有如下的关系: 影响垂直通道带

16、宽的因素影响垂直通道带宽的因素:（1）垂直通道的增益）垂直通道的增益fyyDAD（2）多级小信号放大器的带宽和增益）多级小信号放大器的带宽和增益 Y 通道由多级放大器组成，总的增益为通道由多级放大器组成，总的增益为12nAAAA垂直通道的带宽取决于各级放大器的带宽垂直通道的带宽取决于各级放大器的带宽222121111()()()nBWBWBWBW 由上式可见，由上式可见，示波器的带宽示波器的带宽小于小于Y通道中通道中任何任何一级放大器的带宽一级放大器的带宽。 Y通道通道放大器为多级时放大器为多级时，其频响，其频响不能等效为一不能等效为一阶阶RC特性特性，乘积也就不是，乘积也就不是0.35了，具

17、体见了，具体见表表6-3表表6-3 y通道不同频响时带宽和上通道不同频响时带宽和上升时间的乘积升时间的乘积 若被测信号的上升时间为若被测信号的上升时间为ts, ts, 屏幕显示波形的屏幕显示波形的上升时间为上升时间为trd, trd, 则则 （式式6-4） 示波器的探头示波器的探头等效为等效为RC电路，因此，它也要电路，因此，它也要影响示波器测量的带宽和上升时间影响示波器测量的带宽和上升时间，这时测量波形，这时测量波形的上升时间为的上升时间为trd 示波器包括探头在内的总的上升时间示波器包括探头在内的总的上升时间式中式中 trp 探头的上升时间探头的上升时间222trptrstr trd22s

18、rrdttt 带宽指标的选择依据：带宽指标的选择依据： 5 5倍带宽法则倍带宽法则选择示波器的带宽为被测信号最选择示波器的带宽为被测信号最 高频率分量的高频率分量的5 5倍倍 非正弦信号非正弦信号，例如方波，由于其陡峭前后沿具有丰，例如方波，由于其陡峭前后沿具有丰富的富的高次谐波分量高次谐波分量，如果示波器的带宽选择不当，就，如果示波器的带宽选择不当，就有可能得到错误的测量结果。有可能得到错误的测量结果。 图图6-186-18表示表示33MHz33MHz时钟信号分别用时钟信号分别用100MHz100MHz和和500MHz500MHz带宽示波器测量得到的不同结果。带宽示波器测量得到的不同结果。

19、观测观测方波方波时一般要考虑到时一般要考虑到5 5次谐波次谐波，所以要选择基频，所以要选择基频2525倍带宽倍带宽的示波器。的示波器。 对于对于数字逻辑器件的测量数字逻辑器件的测量，不同类型的器，不同类型的器件应该选择件应该选择示波器的带宽示波器的带宽如下表所示：如下表所示：(2)(2)偏转灵敏度和偏转因数偏转灵敏度和偏转因数 示波器的示波器的偏转灵敏度偏转灵敏度为为: :在单位输入信号电压的作用下屏幕在单位输入信号电压的作用下屏幕上光点在垂直方向的偏转距离（上光点在垂直方向的偏转距离（cm/v, div/v)cm/v, div/v) 偏转因数偏转因数为偏转灵敏度的倒数（为偏转灵敏度的倒数（v

20、/cm, v/divv/cm, v/div） 一般一般: : 几几mv/div 5v/div(3)(3)输入耦合方式输入耦合方式：直流耦合、交流耦合；：直流耦合、交流耦合； 输入阻抗：输入阻抗：1M1M、5050(4)(4)扫描速度和时基因数扫描速度和时基因数 扫描速度扫描速度是示波器屏幕上光点在水平方向移动的速度是示波器屏幕上光点在水平方向移动的速度, ,单位单位为为cm/scm/s或或div/s, div/s, 其中通常其中通常 1div=0.8cm1div=0.8cm。 时基因数时基因数是扫描速度的倒数，是扫描速度的倒数，与带宽有关。与带宽有关。 通常，通常，一个信号周期一个信号周期在水

21、平坐标上占在水平坐标上占 2 25 5格格 较适宜。较适宜。若若f fh h=100Mhz, =100Mhz, 周期周期=10=10ns,ns,则时基因素则时基因素 = = 2ns2ns5ns/div5ns/div较适宜。较适宜。(5)扫描方式扫描方式 正常方式、自动方式、单次扫描正常方式、自动方式、单次扫描(6)触发特性触发特性 包括触发源：内触发、外触发、电源触发等包括触发源：内触发、外触发、电源触发等 触发耦合：触发耦合：DC耦合、耦合、AC耦合、高频抑制、低频抑制耦合、高频抑制、低频抑制 触发极性：正极性（上升沿）、负极性（下降沿）触发极性：正极性（上升沿）、负极性（下降沿） 触发电平

22、触发电平(7)示波管性能（略）示波管性能（略） 带宽、带宽、X、Y偏转灵敏度等偏转灵敏度等 扫描电压的要求：扫描电压的要求：（1）周期性）周期性 ：为了显示连续信号：为了显示连续信号 （2）线性）线性 ：为了保证时间坐标是等间隔的：为了保证时间坐标是等间隔的 （3）同步性：为了显示稳定的波形）同步性：为了显示稳定的波形 扫描电压的产生（略）扫描电压的产生（略） 示波器水平通道组成框图（简介）：示波器水平通道组成框图（简介）：扫描控制扫描控制（1 1）正常方式（触发扫描）正常方式（触发扫描） 在触发信号的作用下产生扫描电压在触发信号的作用下产生扫描电压 波形见图波形见图6-8(a) 6-8(a)

23、 （2）自动）自动方式方式 在一定时间内（如在一定时间内（如20ms），如果等到触发信），如果等到触发信号，则按正常触发扫描，若没等到触发信号，则强号，则按正常触发扫描，若没等到触发信号，则强制进行自动触发产生扫描。制进行自动触发产生扫描。（3）单次扫描）单次扫描 非周期信号非周期信号必须采用单次扫描。而且扫描必必须采用单次扫描。而且扫描必须由单次信号本身或者由与单次信号有关的事件须由单次信号本身或者由与单次信号有关的事件触发产生，每次观测只进行一次扫描放电过程。触发产生，每次观测只进行一次扫描放电过程。释抑（释抑（holdoffholdoff）时间）时间 在释抑时间在释抑时间thth内，抑制

24、触发产生，从而停止扫描；内，抑制触发产生，从而停止扫描；释抑时间释抑时间thth过后，自动释放抑制，恢复扫描。过后，自动释放抑制，恢复扫描。 其作用如下图所示：其作用如下图所示：图图6-9 6-9 调节释抑时间调节释抑时间抑制无用的触发同步脉冲抑制无用的触发同步脉冲图图6-10 6-10 调节释抑时间调节释抑时间观察脉冲序列观察脉冲序列 外触发的作用外触发的作用6.3.6.3.取样技术取样技术 取样技术是数字存储示波器的关键技术。取样技术是数字存储示波器的关键技术。 取样技术分取样技术分实时取样实时取样和和等效时间取样等效时间取样两种。两种。一、一、 实时取样实时取样 实时取样是在一次触发后采

25、集一个记录的所有样点，如实时取样是在一次触发后采集一个记录的所有样点，如图图6-6-2020所示。类似于模拟示波器一次触发后产生一次扫描并显示一个所示。类似于模拟示波器一次触发后产生一次扫描并显示一个波形。波形。 优点：优点：能采集非重复的单次波形。能采集非重复的单次波形。1 1、取样率的选择、取样率的选择 据奈奎斯特取样定理，据奈奎斯特取样定理，fs2fhfs2fh，可精确重现被测信号可精确重现被测信号, ,实际不实际不够，够，因为奎斯特取样定理假设有无限记录长度。因为奎斯特取样定理假设有无限记录长度。 有限取样率下插值引入的误差见有限取样率下插值引入的误差见表表6-46-4。 由表可见，当

26、由表可见，当fs/fh = 2 fs/fh = 2 时幅度误差达时幅度误差达100%100%。此。此误差情况可由图误差情况可由图6-216-21说明，此时采到全零的样点，误说明，此时采到全零的样点，误差达差达100%100%。 Sinx/xSinx/x内插时内插时，fs/fh = 4fs/fh = 4, , 则误差为则误差为4%4%；要达；要达到相等精度，到相等精度，线性插值线性插值的情况，的情况，fs/fhfs/fh要达到要达到6 6。 对基频为对基频为f0f0的的方波信号方波信号，忽略，忽略7 7次以上谐波，其次以上谐波，其最高频率分量最高频率分量fh 5f0, fh 5f0, 则则fs

27、= 5fh = 25f0fs = 5fh = 25f0，即取即取样率要为方波基频的样率要为方波基频的2525倍。倍。 假设示波器的假设示波器的采样频率采样频率为为100100MSPSMSPS, , 则能保真度则能保真度较高地观察较高地观察基频为基频为4 4MhzMhz的方波的方波。2 2、数字示波器中的上升时间、数字示波器中的上升时间 数字示波器测出的上升时间数字示波器测出的上升时间与与取样点的位置取样点的位置有关（见有关（见图图6-226-22）数字示波器测出的上升时间与数字示波器测出的上升时间与扫速扫速也有关也有关（见表（见表6-56-5）。）。 因数字示波器的实际取样率随扫速下降而下降，

28、因此测因数字示波器的实际取样率随扫速下降而下降，因此测上升沿的误差也随扫速下降而增加。上升沿的误差也随扫速下降而增加。表表6-56-5为为TDS520BTDS520B数字数字示波器在改变时基因数时测量某波形的上升时间值。示波器在改变时基因数时测量某波形的上升时间值。 由表可见，不同由表可见，不同时基因数时测得的上升时间值相差甚时基因数时测得的上升时间值相差甚远，因此，远，因此，使用数字示波器时使用数字示波器时不能不能根据测出的波形上升时间根据测出的波形上升时间的值来反推信号的上升时间。的值来反推信号的上升时间。 为使为使DSODSO较好地复现信号边沿，在较好地复现信号边沿，在边沿上应至少有边沿

29、上应至少有2-32-3个采样点个采样点。如。如图图6-236-23所示。所示。3 3、实际取样率、实际取样率 通常，通常，DSODSO标注的为最高采样率标注的为最高采样率。 实际取样率会随扫速而变化。实际取样率会随扫速而变化。 fs = fs = 每格取样点数每格取样点数/ /时基因数时基因数例如例如，时基因数为，时基因数为200200ns/div, ns/div, 每格采样每格采样5050点，点，则，则，fs = 50/200ns = 250Mspsfs = 50/200ns = 250Msps。 当时基因数降到当时基因数降到20ms/div20ms/div时，时， fs = 50/20ms

30、 = 2.50Kspsfs = 50/20ms = 2.50Ksps。4 4、防止混叠、防止混叠 当当DSODSO的取样率下降到不满足取样定理时，的取样率下降到不满足取样定理时，会发生混叠失真。此时，显示的波形可能是混乱会发生混叠失真。此时，显示的波形可能是混乱不定的波形，也可能是一个频率不同、不很稳定不定的波形，也可能是一个频率不同、不很稳定的伪波形，见的伪波形，见图图6-246-24。防止混叠的措施：防止混叠的措施：（1 1）调整扫速）调整扫速 从高往低逐步调整，屏幕显示波形个数也应从高往低逐步调整，屏幕显示波形个数也应从少变多增加，如不符合此规律，则可能发生混从少变多增加，如不符合此规律

31、，则可能发生混叠，应调高扫速。叠，应调高扫速。（2 2）采用）采用“自动设置自动设置”功能功能（3 3）采用）采用“峰值检测峰值检测”功能功能 “峰值检测峰值检测”方式下，当产生混叠时，屏幕方式下，当产生混叠时，屏幕将显示模糊波形或一条光亮带，而不会产生伪波将显示模糊波形或一条光亮带，而不会产生伪波形。形。二、等效时间取样二、等效时间取样 实时取样实时取样的最大缺点：取样率的最大缺点：取样率445 5倍信号带宽。倍信号带宽。 等效时间取样无此缺点，但等效时间取样无此缺点，但等效时间取样等效时间取样的被测信的被测信号必须是号必须是周期信号周期信号。 等效时间取样分等效时间取样分顺序取样顺序取样和

32、和随机取样随机取样两类。两类。1 1、顺序等效取样、顺序等效取样 顺序等效取样是从被测信号的许多相邻波形上取得样顺序等效取样是从被测信号的许多相邻波形上取得样点，以表示一个信号波形，又称为非实时取样。取样时点，以表示一个信号波形，又称为非实时取样。取样时可以每隔可以每隔1010个、个、100100个甚至更多个波形上取一个样点，这个甚至更多个波形上取一个样点，这样有利于观测高速信号。样有利于观测高速信号。 因此，因此，非实时取样可以将重复的高频信号变换为低频非实时取样可以将重复的高频信号变换为低频进行测量进行测量。见下图（。见下图（图图6-266-26）。图图6-26 对被测信号进行取样对被测信

33、号进行取样 图图6-266-26中，中，为被测信号，为被测信号，为取样信号，为取样信号，为为取样点，取样点，为屏幕上显示的波形。如果要求在每一个为屏幕上显示的波形。如果要求在每一个波形上取一个样点，当信号周期为波形上取一个样点，当信号周期为T T时，取样脉冲的时，取样脉冲的周期周期TsTs应该为应该为 Ts = T + Ts = T + t t 式中，式中，t t为取样脉冲的步进时间，称为为取样脉冲的步进时间，称为等效取样时等效取样时间。间。 等效取样率等效取样率=1/=1/等效取样时间（举例）。等效取样时间（举例）。 为使整个取样过程中取样点可以遍布于信号波形为使整个取样过程中取样点可以遍布

34、于信号波形的整个周期，达到显示原信号波形的目的。因此，步的整个周期，达到显示原信号波形的目的。因此，步进时间进时间t t必须很小，应满足如下关系：必须很小，应满足如下关系： 式中，式中，fhfh为被测信号的最高频率分量为被测信号的最高频率分量)2(1hft 假设被测信号周期为假设被测信号周期为T T，每隔，每隔m m个波形取一个样点，则取样个波形取一个样点，则取样后信号周期后信号周期 T T为为: : 假设被测信号频率为假设被测信号频率为F F，则取样后信号频率，则取样后信号频率F F为为 采用顺序取样技术，可用很低的实际取样率得到很高的带宽。采用顺序取样技术，可用很低的实际取样率得到很高的带

35、宽。缺点：不能实现预触发缺点：不能实现预触发（即不能获得触发前的数据），（即不能获得触发前的数据）， 因此，现代因此，现代DSODSO大多采用随机采样大多采用随机采样。T) 1tmT(tTt)mT(T1T) 1(1T1 FtmTFtmT1tmTNm减慢因子减慢因子 2 2、随机等效取样、随机等效取样 随机取样原理随机取样原理 随机取样中，随机取样中，每次取样相对于触发点的延迟是随机产生每次取样相对于触发点的延迟是随机产生的的，如下图（，如下图（6-276-27）所示。采样时，）所示。采样时，ADCADC以某一以某一固定取样率固定取样率连连续取样。触发信号来时，续取样。触发信号来时， 记取从记取

36、从触发触发到到触发后第一个取样时触发后第一个取样时钟钟的时间差的时间差t t, , 以此为参考点，触发前后若干个取样值构成以此为参考点，触发前后若干个取样值构成一个取样序列，存在存储器中，一个取样序列，存在存储器中，地址由相应的地址由相应的t t决定决定。 若将若将取样周期取样周期T T等分为等分为M M段段，每段分别对应，每段分别对应0 0M-1M-1间的一个间的一个值。则经若干轮取样后，值。则经若干轮取样后，t t可以可以遍取遍取T T内所有内所有M M值值。 若输入若输入周期信号周期信号，则可用，则可用多轮取样数据序列重建原信号多轮取样数据序列重建原信号波波形。图形。图6-276-27中

37、，中，M=4, M=4, 四轮取样四轮取样。图图6-27 随机等效取样随机等效取样触发到触发后第一个取样时钟的时间差触发到触发后第一个取样时钟的时间差t随机取样电路示例随机取样电路示例 等效取样率等效取样率 = = 实际取样率实际取样率M M。例例 某数字示波器中，某数字示波器中，ADCADC的最高采样率为的最高采样率为500Msps500Msps，其，其屏幕波形水平显示为屏幕波形水平显示为500500点，共点，共1010格。格。 如果该示波器的最高扫速档为如果该示波器的最高扫速档为1ns/div,1ns/div,并且采用随并且采用随机采样方式进行采样、重组波形，机采样方式进行采样、重组波形，

38、请问：请问：1 1）该示波器的最高等效采样率为多少？）该示波器的最高等效采样率为多少？2 2）采用随机采样方式进行采样、重组波形时，至少采）采用随机采样方式进行采样、重组波形时，至少采样多少轮，才能组满一屏波形？样多少轮，才能组满一屏波形？答：答：1 1）fsfs等效等效 = 1ns/50= 1ns/50点点 = 50Gsps= 50Gsps 2 2）50Gsps/500Msps = 10050Gsps/500Msps = 100（轮）（轮） 峰值检测与毛刺捕捉峰值检测与毛刺捕捉峰值检测用于检测混叠峰值检测用于检测混叠用峰值检测捕捉毛刺用峰值检测捕捉毛刺峰值检测两种实现方法峰值检测两种实现方法

39、：（：（图图6-33）6.4 6.4 数字存储示波器数字存储示波器1.1.信号存储的必要性信号存储的必要性 有时为了研究不能重复产生的信号，如雷电，核爆炸有时为了研究不能重复产生的信号，如雷电，核爆炸等信号。另一方面，还有一些周期很长的信号，例如等信号。另一方面，还有一些周期很长的信号，例如重复频率很低地窄脉冲。都要用到信号存储技术。重复频率很低地窄脉冲。都要用到信号存储技术。2.2.信号的模拟存储（略）信号的模拟存储（略） 最常用的信号模拟存储手段是示波管，称为最常用的信号模拟存储手段是示波管，称为记忆示波记忆示波管管。通常将具有这种示波管的示波器称为。通常将具有这种示波管的示波器称为记忆示

40、波器记忆示波器，国外称为国外称为CRTCRT存储示波器存储示波器。3.3.信号的数字存储信号的数字存储数字存储显示基本原理数字存储显示基本原理 在数字存储示波器中用于存储数字化波形的器件可以是在数字存储示波器中用于存储数字化波形的器件可以是FIFOFIFO、RAM(SRAMRAM(SRAM、SDRAM(SDRSDRAM(SDR、DDRDDR、QDR)QDR)等等) )，以下简称存储器。被测，以下简称存储器。被测信号经量化后才能存入信号经量化后才能存入存储器存储器，如图，如图6-306-30所示。所示。信号调理电路信号调理电路A/D存储器存储器控制电路控制电路图图6-30 6-30 模拟信号的量

41、化和存储模拟信号的量化和存储数字存储示波器数字存储示波器(DSO)(DSO)的基本组成如下图所示的基本组成如下图所示。数字存储示波器的特点数字存储示波器的特点 使用方便；使用方便； 测量精度高；测量精度高； 信号处理和显示分开；信号处理和显示分开； 多种触发方式；多种触发方式； 多种显示方式；多种显示方式； 便于进行波形分析；便于进行波形分析； 便于波形数据的分析处理；便于波形数据的分析处理； 可以实现永久存储。可以实现永久存储。数字存储示波器的主要技术指标（不同于模拟示波器的指标）数字存储示波器的主要技术指标（不同于模拟示波器的指标）1 1）最高采样速率）最高采样速率 单位时间获取被测信号的

42、样点数。单位时间获取被测信号的样点数。 在在DSODSO中采样速率可以根据示波器的时基因素中采样速率可以根据示波器的时基因素(t/div)(t/div)进行进行 选择，当选择，当t/divt/div确定后，采样速率确定后，采样速率fsfs为为XD 假设水平方向共假设水平方向共10001000点点,10,10格，则格，则 n=1000/10div=100 ;n=1000/10div=100 ; 假设最快扫速档为假设最快扫速档为100ns/div100ns/div，则，则fsmax=100/100ns=1Gspsfsmax=100/100ns=1Gsps。 fsmaxfsmax受受A/DA/D转换

43、速度限制。转换速度限制。2 2）数字实时带宽）数字实时带宽 根据采样定理，根据采样定理，fhfh最多为最高采样频率的一半。最多为最高采样频率的一半。 即即 fh=fsmax/2 fhfh=fsmax/2 fh带宽的上限频率带宽的上限频率 fs = n/t fs = n/t 式中式中n n每格的采样点数。每格的采样点数。通常用通常用数字实时带宽数字实时带宽表征表征DSODSO的实际带宽。定义为：的实际带宽。定义为： k k带宽因子带宽因子( (点显示点显示:25; :25; 线性插值线性插值:10; :10; 正弦插值：正弦插值：2.52.5）3 3）存储深度存储深度表示一次采样、存储过程中获取

44、被测信号长度表示一次采样、存储过程中获取被测信号长度 的能力。在的能力。在DSODSO中，存储长度是以存储器的存储字的最大数中，存储长度是以存储器的存储字的最大数 量表示的。量表示的。4 4）测量分辨力和测量精度测量分辨力和测量精度 电压分辨力电压分辨力 或称垂直分辨力或称垂直分辨力 取决取决ADCADC的位数的位数, ,通常以量化结果最低位通常以量化结果最低位(1LSB)(1LSB)所对应的电压所对应的电压 表示其分辨力的高低。表示其分辨力的高低。 DSODSO采用的采用的ADCADC一般为一般为8 8位位-10-10位。位。kfBWsa/max 例如例如, ,当测量的满度值为当测量的满度值

45、为10V10V时，时，8 8位位A/DA/D测量分辨力测量分辨力VV为为 分辨力也与分辨力也与Y Y通道的通道的偏转因数偏转因数DyDy有关有关。 例如例如，A/DA/D为为1010位，当位，当DyDy为为1V/div1V/div时，电压分辨力时，电压分辨力VV为为时间分辨力时间分辨力 或称水平分辨力或称水平分辨力 指示波器指示波器X X坐标上相邻两样点之间的时间间隔坐标上相邻两样点之间的时间间隔tt的大小。的大小。 取决于示波器取决于示波器水平方向的点数水平方向的点数和和时基因数时基因数。 假设，假设，示波器水平方向为示波器水平方向为10001000点（点（10div10div），最高时基因

46、数），最高时基因数为为100ns/div100ns/div。 则则 最高时间分辨力最高时间分辨力 = 100ns/100 = 1ns= 100ns/100 = 1nsXDmvVVf40256/102/8mvdivdivvV10)10/2/()/1 (10示波器的触发原理及作用示波器的触发原理及作用 在示波器显示时，为了能够得到一个稳定的清在示波器显示时，为了能够得到一个稳定的清晰图象，即令重复波形能够在屏幕上稳定显示，其晰图象，即令重复波形能够在屏幕上稳定显示，其实现方法是不断地显示输入信号的重复的波形部分，实现方法是不断地显示输入信号的重复的波形部分，即令扫描信号与被测信号即令扫描信号与被测

47、信号同步同步。 为了使扫描信号与被测信号同步，设定一些为了使扫描信号与被测信号同步，设定一些条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，也就是关系，也就是同步同步。 这种技术我们就称为这种技术我们就称为“触发触发”，而这些条件而这些条件我们称其为我们称其为“触发条件触发条件”。简单地说简单地说，触发的目触发的目的的就是为了每次显示的时候都就是为了每次显示的时候都从波形的同一相位从波形

48、的同一相位开始开始, ,从而使波形可以从而使波形可以稳定显示稳定显示。示波器的触发原理及作用示波器的触发原理及作用v触发后的效果如下图，左图未触发，右图触发：触发后的效果如下图，左图未触发，右图触发： DSODSO的触发功能的触发功能 1 1）触发点的位置）触发点的位置 数字存储示波器不同于模拟示波器，调节数字存储示波器不同于模拟示波器，调节“水平位置水平位置”旋钮，触发点的位置可在屏幕上左右移动。旋钮，触发点的位置可在屏幕上左右移动。 图图6-416-41显示了显示了DSODSO的各触发点位置。的各触发点位置。 (a) (a)表示表示触发标记触发标记位于位于屏幕右端屏幕右端； (b) (b)

49、表示表示DSODSO识别触发后，再采半屏数据，因而识别触发后，再采半屏数据，因而触发标记触发标记位于位于屏幕中间屏幕中间，这是通常情况；，这是通常情况； (c) (c)识别后再采一屏数据，识别后再采一屏数据，触发标记触发标记位于位于屏幕左端屏幕左端; ; (d) (d)经经tdtd延迟后再采屏数据显示，延迟后再采屏数据显示，触发标记触发标记已已移出屏幕移出屏幕。触发类型触发类型2 2）触发类型）触发类型v基本触发基本触发：边沿触发：边沿触发v高级触发高级触发： 脉冲宽度触发脉冲宽度触发 矮脉冲触发矮脉冲触发 上升上升/ /下降时间触发下降时间触发 建立建立/ /保持时间违例触发保持时间违例触发

50、 逻辑组合触发逻辑组合触发 视频触发视频触发边沿触发边沿触发v将被测信号的变化将被测信号的变化( (即信号上升或下降的边沿即信号上升或下降的边沿) )与某与某一电平相比较，当信号的变化以某种选定的方式达一电平相比较，当信号的变化以某种选定的方式达到这一电平时，产生一个触发信号，启动一次扫描。到这一电平时，产生一个触发信号，启动一次扫描。边沿触发是边沿触发是最简最简单也是最常用的单也是最常用的触发类型，触发类型，可用可用于模拟信号和数于模拟信号和数字信号。字信号。高级触发高级触发 在实际应用中，我们并不十分清楚被测信号在实际应用中，我们并不十分清楚被测信号的特点，采用简单触发方式往往不能及时准确

51、地的特点，采用简单触发方式往往不能及时准确地捕捉信号，这就需要捕捉信号，这就需要更加复杂的触发方式更加复杂的触发方式，即高，即高级触发，如逻辑组合触发，脉冲宽度触发和上升级触发，如逻辑组合触发，脉冲宽度触发和上升/ /下降时间触发等。下降时间触发等。 高级触发包含多种不同的触发功能，可以根高级触发包含多种不同的触发功能，可以根据被测信号的特征，设置相应的触发条件，定位据被测信号的特征，设置相应的触发条件，定位感兴趣的波形。感兴趣的波形。 脉冲宽度触发脉冲宽度触发脉冲宽度触发脉冲宽度触发 图图6-426-42所示的脉冲序列有三种宽度不同的脉冲组所示的脉冲序列有三种宽度不同的脉冲组成，因而边沿触发

52、不可行，会造成不稳定。成，因而边沿触发不可行，会造成不稳定。 可设置脉冲宽度触发。如：可设置脉冲宽度触发。如：(a)(a)要求要求最宽脉冲最宽脉冲1 1触发触发, ,可设置可设置触发脉冲宽度大于触发脉冲宽度大于t1;t1;(b)(b)要求要求最窄脉冲最窄脉冲3 3触发，可设置触发，可设置触发脉冲宽度小于触发脉冲宽度小于t2t2；(c)(c)要求要求脉冲脉冲3 3触发，可设置触发，可设置触发脉冲宽度大于触发脉冲宽度大于t3t3小于小于t4.t4. 主要用于数字信号。主要用于数字信号。矮脉冲触发矮脉冲触发 即小信号触发。即小信号触发。在脉冲串中由幅度低于设定在脉冲串中由幅度低于设定高门限值或高于低

53、门限值的小脉冲产生触发高门限值或高于低门限值的小脉冲产生触发。 主要用于数字信号。主要用于数字信号。上升上升/ /下降时间触发下降时间触发v也叫转换时间触发。也叫转换时间触发。 脉冲边沿以快于或慢于指定时间的速率在两个阈值脉冲边沿以快于或慢于指定时间的速率在两个阈值间移动。指定脉冲边沿为正或负或同时指定为两者。间移动。指定脉冲边沿为正或负或同时指定为两者。 建立建立/ /保持时间违例触发保持时间违例触发v建立时间建立时间是在时钟沿出现之前数据稳定且保持不变是在时钟沿出现之前数据稳定且保持不变的时间长度，的时间长度，保持时间保持时间是在时钟沿出现后数据稳定是在时钟沿出现后数据稳定且保持不变的时间

54、长度。且保持不变的时间长度。v当输入信号的当输入信号的建立时间建立时间小于小于预先设定的建立时间预先设定的建立时间或或保持时间保持时间小于小于用户设定的保持时间时触发。用户设定的保持时间时触发。 逻辑组合触发逻辑组合触发v逻辑组合触发逻辑组合触发主要用于数字信号主要用于数字信号，是由，是由CH1CH1、CH2CH2、CH3CH3、CH4CH4四个通道信号的逻辑状态组合产生触发。四个通道信号的逻辑状态组合产生触发。v可将每个可将每个输入输入设置为设置为高（高（H H）、低（）、低（L L）或随意（）或随意（* *），），另有另有一个通道一个通道为为时钟源，时钟源，设置为设置为上升沿上升沿或或下降

55、沿。下降沿。v当各通道的当各通道的逻辑组合值逻辑组合值导致所选函数值导致所选函数值为为truetrue 或或falsefalse时产时产生生触发触发信号信号。 逻辑组合触发逻辑组合触发 如图如图6-446-44，设置当，设置当通道通道1 1为为L L，通道通道2 2、3 3为为H H时，时，通道通道4 4的的上升沿上升沿产生触发。产生触发。安捷伦安捷伦 一一“触触”即发式触发即发式触发 插值显示技术插值显示技术 插值是在相邻采样点之间插入适当的数据点，使屏插值是在相邻采样点之间插入适当的数据点，使屏幕上的显示逼近被测信号波形。幕上的显示逼近被测信号波形。线性插值线性插值 在两个采样点之间插入一

56、点，用直线将在两个采样点之间插入一点，用直线将采样点和插值点连接起来。插入点的数据采样点和插值点连接起来。插入点的数据y(t)y(t)计算方计算方法法: : 式中式中y(t1)y(t1)、y(t2)y(t2)t1t1、t2t2时刻的采样数据时刻的采样数据 t t t1 t1、t2t2之间的插值时刻，常取为之间的插值时刻，常取为t1t1、t2t2的的中间值。中间值。)()()(21211122tytttttyttttty sinx/x sinx/x插值插值 又称正弦插值，这种方法对数据进行又称正弦插值，这种方法对数据进行 函数运算后，用曲线将各个样点和插值点连接起来。函数运算后，用曲线将各个样点

57、和插值点连接起来。 图图6-46是正弦内插的示意图。是正弦内插的示意图。 图中图中 是取样序列，是取样序列，T T为取样周期。设在每个取样周期内插入为取样周期。设在每个取样周期内插入M M个点：个点： 及及等，构成长等，构成长度为度为M M的序列，在保证精度的情况下用有限的的序列，在保证精度的情况下用有限的N N个取个取样点参与运算，取样点参与运算，取T=1T=1，得正弦内插的函数运算公式：，得正弦内插的函数运算公式：(0), (1), ( ), (1),yyy ny n12(0),(0),(0)MCCC12( ),( ),( )MC n C nCn10sin/(1)()( )1/(1)Nkn

58、mMkmC ny kMnmMk N N取值越大，正弦内插后误差越小，但计算时间越取值越大，正弦内插后误差越小，但计算时间越长，通常长，通常N N取取10-8010-80之间。之间。 图图6-476-47（a a）是未经插值的每周期采三个点的是未经插值的每周期采三个点的正弦信号；图正弦信号；图6-476-47（b b）是）是N=10(N=10(取插值点前后各取插值点前后各5 5个取样点个取样点) )，每个取样周期内插入，每个取样周期内插入2525个点后的良好个点后的良好波形波形。线性内插和正弦内插的比较线性内插和正弦内插的比较两种插值方法的效果如图两种插值方法的效果如图6-486-48，6-49

59、6-49所示，可小结如下：所示，可小结如下：1)1)从图从图6-49(b)6-49(b)可以看出可以看出sinx/xsinx/x插值适于正弦信号插值适于正弦信号，而方，而方波和三角波由于含有丰富的高频分量，即使在波和三角波由于含有丰富的高频分量，即使在5Ms/s5Ms/s采采样速率下还不能显示原信号波形；样速率下还不能显示原信号波形； 观察图观察图6-48(b)6-48(b)知，知，三角波、方波和脉冲信号适宜采用三角波、方波和脉冲信号适宜采用线性内插。线性内插。2)2)从图从图(a),(b)(a),(b)对比看出对比看出采样速率越高，显示的波形越接采样速率越高，显示的波形越接近于被测信号的变化

60、过程。近于被测信号的变化过程。3)3) 数字实时带宽：数字实时带宽：，带宽因子带宽因子k k与选用的与选用的插值方法有关插值方法有关( (点显示点显示:25:25，线性插值，线性插值:10:10，正弦插值：，正弦插值：2.52.5）kfBWsa/max图图6-48 6-49 各种插值显示各种插值显示 平均与平滑技术平均与平滑技术 平均和平滑技术平均和平滑技术是是降低噪声降低噪声、改善扫描线质量的、改善扫描线质量的有效手段，在数字存储示波器中常被采用。有效手段，在数字存储示波器中常被采用。1 1）平均技术）平均技术定义：定义：在相同的条件下采在相同的条件下采集多个波形，求各个波形集多个波形，求各