第6章时域测量

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(TimeDomain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(FrequencyDomain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(ModulationDomain)。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。T图6.1调频波频谱图FU调制域频域时域6.1时域测量引论6.1.1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.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

从1947年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展进步，已出现了多种多样的示波器。大致情况如下：技术原理上分为：模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。按显示屏可分为：阴极射线示波管（CRT）、液品屏（TFT）及荧光屏（VFD）。按显示原理分为：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。按带宽分档情况：模拟示波器60MHz以下为低档，300MHz以上算高档，最高带宽只做到1~2GHz水平。数字示波器500MHz以下为低档，500~2GHz为中档，2GHz以上为高档。当今数字示波器虽已占主导地位，但模拟示波器是数字示波器的基础，许多基本原理、术语、技术指标和应用方法都是在模拟示波器的基础上发展起来的，有些领域还在应用模拟示波器及其相关的技术产品，因此开始还得先介绍模拟示波器，然后重点讨论数字示波器。6.1.3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(CathodeRayTube)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。Y(垂直)通道X(水平)通道电源图6.2示波器的基本组成显示屏显示屏的种类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静电偏转：光点轨迹显示---用于示波器、雷达距离显示器、医疗仪器磁场偏转：光栅增辉显示---用于电视机、医疗仪器、雷达环显等被动发光：液晶屏LCD+背光板--数字三用表等小型电子仪器平板显示FPD主动发光液晶屏TFT---示波器、计算机显示器、电视机显示器等荧光屏VFD---示波器、家电产品的显示屏等离子PDP---电视机显示屏发光二极管LED---数字仪表、大型广告显示屏场致发射FED---成品率低，尚处商品化研发中电致发光EL板---仪表数显、广告装饰

显示屏的种类6.2.示波管及波形显示原理示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）。KG1G2A1A2Y2X2F~6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A3＋15KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3阴极射线示波管Z轴兰色：电力线红色：等位面6.2.1示波管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。图6.4电子束的偏转LSYUyUa屏幕电子束A2比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy＝1／hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵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10μs的为极短余辉；不同荧光材料余辉时间不一样：10μs～1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms～0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）；0.1s～1s为长余辉（通常是黄色）；大于1s为极长余辉（通常是黄色）。6.2.2示波管波形显示原理1.光点扫描显示原理光点位置控制：(示波管荧光屏)uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn++++--------++++光点在合力作用下移动.2.信号与扫描电压的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340图6.5扫描过程uyTsTnt0135791086420,81,9537210412681tux25791233445667108图6.6扫描电压与被测信号同步同步：Tn/TS=nN=1，2，…波形稳定若显示两个正弦波怎么办？3.连续扫描和触发扫描连续扫描：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。TsttttuyuxuxuxTnTn图6.8连续扫描和触发扫描的比较1mS1µS9996.3平板显示技术（只简介TFT-LCD）最为常见的为TFT-LCD（ThinFilmTransistorLCD薄膜晶体管液晶显示器）。

图6.9液晶显示器的一个像素结构原理图红(R)荧光粉绿(G)荧光粉绿(G)可见光蓝(B)荧光粉玻璃板透明电极(公用)透明电极液晶体背光灯源液晶(LiquidCrystal)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。图6.10液晶平板显示器的结构示意图图6.11液晶平板显示器的等效电路示意图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。6.4模拟示波器6.4.1模拟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。图6.12通用示波器的主要组成框图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）作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意：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20pF示波器180pF探头图6.13通用示波器探极原理图输入电阻：1MΩ→10MΩ输入电容：180pF→18pF展宽了频带：50MHz左右若附加RLC匹配网络能扩展到300MHz图中电阻9M和1M构成分压比：10︰1扩展示波器的量程上限2)有源探头图6.15源极跟随器式探头的基本电路现代示波器带宽已达几十GHz，相应要求探头必须也要宽频带，无源探头已无法满足。图6.15是采用源极跟随器的有源探头的简单示例，实际好的宽带探头结构较复杂，售价千元以上。2.耦合耦合与衰减器cACDC50Ω1MΩ1MΩ地20p7~30pf.100Ω1k10k100k1Mf1KHz10K100K1M10M100M10M50ΩAC：交流耦合，电容C隔直流，只能通过交流信号DC：直接耦合，信号中保留直流成分与信号源不匹配时带宽衰减很快当与50Ω信号源匹配时可扩展带宽衰减器图6.17输入衰减器原理示意图uiuoC1C2R1R2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。R1C1=R2C2R1C1>R2C2R1C1<R2C2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/cm~20V/cm分11档。3.延迟线td=100ns~200ns延迟电缆或LC延迟网络图6.18延时线的作用tTtd4.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。通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。fU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。图6.12通用示波器的主要组成框图示波器的X通道主要由扫描发生器环、触发电路和X放大器组成．（见图6.12：示波器组成框图）

6.4.3示波器的X(水平)通道ABCABC触发脉冲扫描门扫描电压图6.19X通道的组成框图在X通道中“扫描环”是关键，特进一步展开画出，但这仅是最简单的原理示意图1.触发电路作用----为扫描门提供触发脉冲触发电路及其在面板上的对应开关现通过一个简单实例讲其组成原理触发源选择触发耦合方式触发极性和电平选择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0.47μF）起隔直作用；“低频抑制”：利用C1、C2（约0.01μF）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。

示波器窗口现代示波器中设计了“自动触发电路”，使触发点能自动地保持在最佳的触发电平的位置。图6.20不同触发“极性”和“电平”时显示的波形(a)正极性、正电平(b)负极性、正电平(c)正极性、负电平(b)负极性、负电平AABCD2.扫描发生器环（时基电路）作用：产生由触发脉冲启动的扫描锯齿波信号。是示波器发展史上的一个重大进步。它使示波器实现了既可连续扫描，又可触发扫描，且不管哪种扫描都可以与外加信号自动同步，而不必麻烦地调节Tn=nTs来同步。扫描门扫描发生器环的组成模拟闭环自动控制电路1)扫描门（产生时基闸门方波，可以是任何双稳态电路）uo回差ub1

ub1

E0

E0

释抑电压触发脉冲

ub1直流电平E0

释抑电压

ub1上触发电平下触发电平复习专业基础课：施密特电路及其滞后特性2)积分器（产生锯齿扫描电压波，可用密勒(Miller)积分器）Uu0Uu0Uui密勒积分器RC（分档）E（微调）改变锯齿波斜率，即扫描速度定义显示屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度Ss(t/cm)按1、2、5分多档，例如分21档：0.2µS~1S/cm复习专业基础课：用密勒积分路产生锯齿波3)比较和释抑电路比较和释抑电路示意图-E充电放电通过一个最简单的电路来讲述原理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：

th>tb（释抑放电时间大于回扫时间）图6.21比较和释抑电路的工作UPuouitptw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：E0>E1环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up，Ch充电，到E2扫描结束，Ch又放电。当有信号（红色触发脉冲）则环路被信号所同步。6)结论：E0调节触发扫描：E1≥E0>E2------常态连续扫描：E0>E1>E2-----自动、高频外触发扫描：E0≥E2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（见图6.19）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3)按钮：水平（X）位移----X—Y工作模式----X扩展----X放大器增益：×5；×10图6.23X扩展示意图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，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uAuB图6.24双踪示波器Y通道方框图工作方式：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uAuAuBuB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）图6.26双扫描示波器的组成工作方式：A工作模式；B加亮A；A延迟B工作6.4.5模拟示波器的应用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是上述各项技术性能指标，但最主要的是带宽。示波器Y通道BW=100MHztr=0.35/BW

=3.5nStx=0tx=10nStrx=3.5nStrx=？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，Δtrx/trx%图6.28示波器带宽对读出误差的影响可得右图关系：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=3～5对于一般连续信号

BW/fh=3～5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>3000MHz6MHz38MHz50~1000MHz500MHz示波器60MHz示波器100MHz示波器350MHz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。ui(t)tttUo(t)图6.34取样过程(a)输入信号(b)取样门与取样脉冲(c)取样信号Uo(t)ui(t)非实时取样---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6.35所示。条件：周期信号连绵不断取样点间隔：mt+nΔt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图6.36在屏幕上由取样点合成信号波形的过程tttuxuyuy↑u5u1u2u3u4两对偏转板上加什么样的电压呢?因要经过mt+Δt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6.5.2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Δt步进延迟脉冲送Y轴系统。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(DigitalStorageOscilloscope，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25MS/s。6.6.1数字示波器的组成原理1.模拟+数字存储示波器输入放大器同步放大逻辑控制电路Y输出放大器X输出放大器扫描发生器模拟滤波D/AA/DRAM数字数字输入Y图6.38模拟＋数字存储示波器框图模拟显示器2.单处理器数字示波器

RAMCPUROMGPIBI/OI/OI/OD/AD/AA/DXY放大放大触发信号X通道Y通道CRT取样门取样通道与保持UxUy图6.39数字储示波器框图被测信号ui其他命令或用软件完成tUiustU1sttUxt锁存及D/A变换读出数字量A/D变换及存储存储数字量图6.41数字存储示波器的读出显示过程图6.40数字存储示波器的采样存储过程RAMA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址D0D1D2D3D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址D0D1D2D3D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据RAM3.多处理器数字示波器（用北京普源精电的示波器来说明）图中包含了三个处理器（主处理器、采集处理器和显示控制器），现分5部分进行介绍。1)模拟部分由双通道组成，被测信号进入示波器后首先经过前面板V/cm旋钮实现衰减与增益的控制，包括粗调与微调的控制。然后进入前置放大器，该放大器决定示波器的模拟带宽，之后进入后置放大以进入A/D转换。3)采集处理器采集处理器通过采样系统在触发的控制下实现对A/D量化后的波形进行采集。采样方式采用实时与等效采样技术，可实现2GSa/s的实时采样与50GSa/s的等效采样。A/D的工作原理是采用并行+流水线式的复合结构。。2)触发系统触发系统通过触发选择器切换触发通道，之后进入触发比较器，通过不同的触发电平比较方式实现不同的触发功能。波形控制器也是一个专用的处理器集成电路，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像素存储器。5)显示控制器

主处理器的功能包括对所有电路以及各输入输出接口的控制，同时也对采集处理器采集到的波形进行处理。4)主微处理器北京普源精电（RIGOL）科技有限公司简介RIGOL是业界领先从事电子测量和分析仪器研发、生产和销售的多元化高新技术企业，产品已销往全球60多个国家和地区。据说是3个大学生创办的民族企业，是国产数字示波器的领军厂家，带宽可达1GHz以上！显示显示处理器RAM放大器触发器存储器采集A/D数字处理器连接到计算机打印机的数据总线协处理器操作系统应用软件＆可存储到IC存储卡软盘硬盘输入信号4归档1采集3测量与分析2显示图6.43LeCroy数字示波器工作原理简图力科（LeCroy）的产品，更突出了数字处理和软件的功能。现代数字示波器在向功能模块化发展，通常一台数字示波器可由4大功能模块组成，即捕获、观察、测量与分析）和归档。可见，现代数字示波器中软件数据处理已占很大的比重了。美国力科公司是世界3大示波器厂商之一，主要做高端产品。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，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。图6.44更新率低造成的信号丢失和改进情况（a）（b）死区时间同时，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。tU0t1t2t3t4T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，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)(b)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，一个周期（a）实时采样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，1123344（b）随机采样采样周期采样周期采样周期采样周期第一第二第三第四112233443)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（100kHz～200kHz）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，每次延迟一个已知的mt+nΔt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。第一周期第二周期第三周期第n周期顺序采样123n···.···mT+nΔt3.采样速率采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：⑴用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数。如20MS/s（20×106次/秒）。⑵用采样频率来描述，如20MHz。⑶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P188

2)CCD+A/D技术采用电荷耦合器件CCD（ChargeCoupleDevice）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A/D1A/D2RAM1RAM2Sui组合输出数据(a)╳╳╳╳1.11.21.31.41.52.12.22.32.4(b)图6.47组合采集原理框图图6.48CCD+A/D组合采集原理图YA顺序取样YB顺序取样通道转换器通道转换器ABCCDA/DRAMuiAuiB图6.50预采样与延迟菜样▼5.采样存储器①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。②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。③预采样：能观测触发之前的波形情况，一开机就不断地采样。图6.49存储器结构与波形位置存储器环形结构▼触发点▼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6.51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。显示窗口正延迟负延迟图6.51触发功能示意图触发点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。尖峰干扰图6.52毛剌触发捕捉尖峰干扰的波形触发源选择：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DSO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6.52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。触发类型原理用途边沿触发在输入信号边沿的触发某阈值上触发保证周期性信号具有稳定重复的起点延迟触发在边沿触发点处增加正/负延迟调节调节触发点在屏幕上出现的位置脉宽触发根据脉冲的宽度来确定触发时刻捕捉异常脉宽信号斜率触发依据信号的上升/下降时间来判断捕获上升边沿异常斜率信号视频触发对标准视频信号进行任意行或场触发检测电视信号质量交替触发对两路信号采用不同的时基，不同的触发方式，以稳定显示两路信号。当两路信号中有一路信号不稳定时采用码型触发对数字信号的特殊码型作为触发判决条件查看特定并行逻辑码型持续时间触发在满足码型条件后的指定时间内触发查看连续并行逻辑码型毛刺触发在设定的时间内判断信号波形有无上升沿与下降沿紧跟变化的情况捕捉电路中尖峰干扰串行触发混合信号示波器的强大功能模式检测串行接口(SPI、I2C、USB、CAN)输入的信号表6.1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。通常水平分辨率===50点/cm时间窗口10cm记录长度512点但习惯用：

扫速200ps/cm---10s/cm1采样间隔1ms/cm50点/cm水平分辨率

扫速扫速水平分辨率1ms/cm50点/cm采样间隔===20μs采样速率==………………屏幕8cm10cm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）

（6.17）扫速S↑，是扫速变低

500pts=50kS/s×1ms/div×10div这样正好保证了有500个采样点（10ms/20μs=500）。

①若降低扫速，如10ms/s（这时可看100ms时间的信号），则5000

pts=50kS/s×10ms/div×10div如果保持采样率不变，采样点太多采样存储器又会溢出。

②若降低采样率，如5MS/s，则

50

pts=5kS/s×1ms/div×10div（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(6.17)式的平衡。但这样的设计存在两个缺点：⑴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500～1000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。⑵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6.53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。加亮A扫描tdUTT’T’B扫描图6.53一行电视信号的观测研究式(6.17)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6.54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100μs/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CBA1GS/s100MS/s10MS/s1MS/s100KS/s10KS/s0.01KS/s1KS/s0.1KS/s10ns100ns1μs10μs(500MS/s)100μs0.1s1ms10ms1s10s(t/div)100s1ks10ks100ks扫速图6.54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理之间的矛盾。图6.55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。图6.55波形多次局部放大示意图※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，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，目前还没有统一的DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法。tUiustU1stUytUxt锁存及D/A变换数据A/D变换及存储存储数字量图6.41数字存储示波器的读出显示过程A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12RAM地址数据D0D1D2D3D12D4D5D6D7D8D9D10D11模拟示波器：光点矢量扫描图形是连续的。数字示波器：光点是离散的。当光点少时可插补。读出数字量A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12RAM地址D0D1D2D3D12D4D5D6D7D8D9D10D116.6.3波形显示技术图6.56抽取与插补示意图采样脉冲.采样点多了，抽取...采样点少了，插补.................................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100×106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。通过改变示波器扫速（s/cm）来降低采样率，从而减少采样点（前面

“采样速率与记录长度”一节中已介绍）方法1：保持最高采样率不变，然后对冗余数据点进行抽取操作，设计了一个“抽取器”，由“峰值搜索与标定”模块（每个周期不要只剩下两个采样点）来完成。方法2：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。在显示控制器作用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，usefulstoragebandwidth）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4～5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：（6.18）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。6.6.4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GHz。在DSO中通常有两种带宽：

⑴等效带宽（repeatBW）：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），故等效带宽（也称重复带宽）可以做得很宽，有的达几十GHz。⑵单次带宽（singleshotBW）：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4～5倍以上时，它的单次带宽和重复带宽是一样的，称为实时带宽。

通常指DSO进行A/D转换的最高速率，是单位时间内对输入模拟信号的采样次数，单位以MSa/s或MS/s（兆次/秒）及GS/s（千兆次/秒）表示。采样率愈高，采样间隔愈密，波形失真愈小，连信号中的毛刺、尖峰干扰都能采集到。现代DSO的最高采样速率已可达120GS/s以上。2采样速率

应当指出，在DSO的使用中，实际采样速率是随选用扫速档位而变化的。其最高采样速率应当对应最快的扫速。例如，最快扫速为1ns/div，按每格50个采样点计，50/1ns=50GS/s最高采样速率是50GS/s。当每格采样点数N确定后，采样速率与扫速成反比：存储深度指DSO的采样存储器能够连续存入样点的最大字节数，以KB(Kbyt)或kpts、Mpts（pst是每秒样点）表示。也称为记录长度。在图6.54中得到结论：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。同时，增加记录长度后，能存放更多的样点，则更能捕捉到的波形的细节。因此，虽然高速存储器制作难度大，厂家还是在努力增大存储深度，当今已达800Mpts。

3.存储深度4.触发能力表征触发能力的参数很多，但主要的有：触发灵敏度、触发类型等。如毛刺触发，只有高档示波器才会有。5.波形处理性能现代数字示波器的波形处理平台是计算机，由于都采用了DSP（数字信号处理）等先进技术，因此波形处理能力都较强。5个指标中，关键的重要指标还是“带宽”。6.6.5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(AutoScan)这是一种通过软件自动调定示波器设置的功能。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。110mv/cm100ps/cm250mv/cm0.5μs/cm345101v/cm10ms/cm3.光标测量(ΔV、ΔT)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(ΔU)、时间差(ΔT)、以及电压与时间的相关特性等。0.000s-1.000ns1.000ns图6.57用光标测脉冲上升时间ΔVΔT4.自动顶—底(AutoTop-Base)1.000ns0.000s-1.000ns图6.58用“自动顶底”测脉冲幅度在ΔV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，ΔU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6.58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τ、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。图6.59脉冲参数示意图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），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200ms～10s，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）0.000s-1.000ns1.000ns图6.60用无限长余辉测量抖动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