电子测量4.3 数字示波器

任务4-2-3通用示波器X通道（水平系统）复习提问：任务4-2-4示波器的多波形显示复习提问：任务4-2-4示波器的多波形显示复习提问：

任务4-1波形测量与仪器概述

任务4-2模拟示波器任务4-3数字示波器项目4波形测量与仪器任务4-4波形测量实务任务4-3数字示波器新课引入：思考与讨论01.核心差异模拟示波器和数字示波器有什么根本不同？02.存储原理为什么数字示波器能够“存储”波形，而模拟示波器不能？03.采样与频率如何用较低的采样率，观察到远高于采样率的高频信号？任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术学习重点知识概要：基本组成与流程了解数字示波器的核心架构，掌握信号从输入到显示的完整处理链路。关键采样技术深入解析实时采样与等效采样原理，理解不同场景下的采样策略。波形插值算法对比线性插值与正弦插值的特点，掌握波形重建的数学基础。核心性能指标重点掌握采样率、带宽和内存深度这三大衡量示波器性能的关键参数。触发方式掌握边沿触发、脉宽触发等常用触发方式，理解触发对稳定显示波形的重要性。任务4-3数字示波器4-3-1数字示波器的组成与部分技术1.数字示波器的一般组成1）早期数字示波器S1~S3—1，实时模式：同普通示波器S1~S3——2，存储模式：工作过程分为存储、显示两个阶段。存储阶段，被测信号→取样、量化、A/D变换器=》数字信号，地址计数脉冲选通存储器的存储地址→取样存储器显示阶段，数字信号从取样存储器中读出→D/A变换器=》模拟信号→Y放大器放大→Y偏板；读地址信号→D/A变换器=》阶梯波→X放大器放大→X偏板任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术1.数字示波器的一般组成2）现代数字示波器被测信号→衰减器与放大器→采样保持电路采样→A/D变换=》数字信号→存入高速缓存器临时存储。一段数据→高速缓存器后停止采样→取出缓存器中的数据→插值、分析和测量→显示在屏幕上任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术1.数字示波器的一般组成2）现代数字示波器为了提高波形处理和显示速度，提高测量速度，通常增加DSP、FPGA等配合CPU工作。由于受数字信号处理速度的制约，不能保证被测信号连续不断“实时”显示在屏幕上。两个相邻信号的波形间存在遗漏信息（“死区时间”或“静寂时间”）任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）1）实时采样定义：在被测信号一个周期内一次性采集不少于被测信号成分中最高频率2倍的样点。采样率即单位时间内采集到的样点数量，单位为样点/秒（Sa/s或S/s）。例如，被测信号频率50Hz、等间隔实时采样采样率为1000Sa/s，则采样间隔为1ms、对被测信号连续两个周期实时采样所得40个样点的分布如图任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）1）实时采样优点：可以快速实时采集样点、不易漏失信息，是示波器捕获快速信号、单次信号和瞬态信号的唯一方式。缺点：被测信号频率越高，对实时采样率、样点存储器的存储速度与存储容量的要求越高。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）2）等效采样分类：随机等效采样、顺序等效采样定义：在对周期性的被测信号进行采样时，不再按照采样定理在一个周期内采集很多个样点，而是在信号不同周期、不同波形位置采集样点，且每个周期至少采集3个样点，最后通过数学方法利用多个采样周期内的样点重建得到被测信号波形，即用低采样率捕获频率远远高于采样率的被测信号。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）2）等效采样举例：设采样周期内的采样间隔为2ms，则第一、二个采样周期内可分别采集到序号为奇数（1、3、5、……，19）、序号为偶数（22、24、26、……、40）的各10个样点，然后再按照下图顺序排列，仍可重建得到被测信号波形。推论：等效采样采样率（500Sa/s）等于实时采样率（1000Sa/s）的1/2任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）2）等效采样优点：降低了实际采样率，减小了单位时间内的样点数，降低了对采样数据存储器速度和容量的要求缺点：被测信号必须是周期信号任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）（1）随机等效采样定义：采样电路工作不受被测信号和触发信号的影响，由内部时序独立控制样点的采集而与触发无关，波形的重构则根据采样的时间差来进行。名称由来：每个样点的采集相对于触发是随机的，故称“随机”等效采样。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）（1）随机等效采样举例：每一轮采样都与被测信号及其触发点无关(△T1≠△T2≠△T3≠……≠△Tn)，即每一轮采样的开始与触发点间的时间差是随机的。在示波器上显示波形时，样点沿着波形随机出现(1→2→3→4→……→1→2→3→4→……)任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）（1）随机等效采样性能特点：能够采集和显示触发点之前的样点，而无需外部预触发信号或延迟，是多数示波器采用的采样技术。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）（2）顺序等效采样定义：每轮采样的开始均需要在触发信号作用下进行采样，且每轮触发采样的起始时刻都比上一轮的采样滞后一很短的时间△T；该过程重复多次，直至一个周期内的被测信号波形被间隔△T的样点填满。在示波器上显示波形时，样点沿着波形从左到右顺序出现（1→2→3→4→……1→2→3→4→……）。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）（2）顺序等效采样优点：具有较高的分辨率（△T很小）缺点：在无触发时会出现无法采样的情况任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）采样技术的分类及其性能特点总结任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术3.插值技术意义：为了重建得到良好的波形，数字示波器除了采用较高的采样率外，还必须对样点进行插值处理才能显示到屏幕上；否则，有可能造成视觉混乱，产生波形误判。定义：基于少量样点重建波形形状的一种数学处理方法分类：线性插值、正弦插值1）线性插值（即矢量插值，标记为“x”）定义：使用不同的直线段直接连接各个样点的技术任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术3.插值技术1）线性插值（即矢量插值，标记为“x”）优点：算法简单，运算速度快缺点：重建波形能力欠缺，仅局限于重建直边缘的信号波形，例如方波。技术要求：采样率高于被测信号成分中最高频率的10倍。任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术3.插值技术2）正弦插值（标记为“sinx”）定义：将各个样点用幅度和频率均可变的最佳正弦拟合曲线连接起来，较之线性插值通用性更强。优点：即使屏幕上每格的样点数较少也能得到和模拟示波器显示波形类似且自然平滑的重建波形技术要求：采样率高于被测信号成分中最高频率的2.5倍任务4-3-1数字示波器的组成与部分技术课堂小结：任务4-3数字示波器4-3-2数字示波器主要技术指标还包括频带宽度、采样率、内存深度、分辨率、触发方式等1.采样率定义：对输入信号进行采样的最高速率（即A/D变换最高速率），一般用每秒采样的次数来表示，单位为Sa/s（或S/s，样点/秒）。采样率↑→采样间隔时间↓→波形失真↓==》捕捉高频或快速信号的能力↑采样率↑、时基因数↑→存储器存储容量↑，但内存深度（最大存储容量）是有限的==》测量时的实际采样率随时基因数的增大而自动降低任务4-3-2数字示波器主要技术指标1.采样率采样率↑、时基因数↑→存储器存储容量↑，但内存深度（最大存储容量）是有限的==》测量时的实际采样率随时基因数的增大而自动降低实际采样率与时基因数的关系：最高采样率fSH等于最小时基因数时的实际采样率，例如，每格（div）50个样点（50Sa/div），最小时基因数（即最快扫速）为1ns/div时，最高采样率为50GSa/s（

）任务4-3-2数字示波器主要技术指标2.与采样率有关的两个带宽（含等效带宽、有效存储带宽）1）等效带宽定义：即示波器带宽，是数字示波器测量周期信号时的被测信号的频率范围。采用等效采样技术时，等效带宽可高达几十GHz，一般是普通示波器带宽的几~几十倍。如果采用实时采样技术，等效带宽将降低。2）有效存储带宽定义：即存储带宽或单次带宽，是在存储方式时测量单次信号（此时采用实时采样）能完整显示被测波形的带宽。有关因素：有效存储带宽BWS一般只与最高采样率和波形重组方法有关任务4-3-2数字示波器主要技术指标2.与采样率有关的两个带宽（含等效带宽、有效存储带宽）2）有效存储带宽经验式：为了精准地显示被测信号波形，一般取

为数字示波器有效存储带宽，其中fSH为最高采样率、BWS和fSH的单位为Sa/s（或S/s），波形重建技术因子k=4~10。有效存储带宽一般比等效带宽窄，性能指标中通常不予给出。任务4-3-2数字示波器主要技术指标3.内存深度定义：即存储深度、存储容量、存储长度或记录长度，==数据缓存器的容量，决定一次连续采样能采集到的最大样点数（通常为固定值），单位为pts。因为内存深度MS=实际采样率fS×波形时长（即波形记录时长）tS，所以内存深度决定了数字示波器在一次连续采样时所能记录波形的最长时间tS。例如，设示波器水平方向共有10div、MS为100Mpts，fS为0.5GSa/s时刚好能不失真地重现波形，则tS为200ms（

），即20ms/div（

）；如果MS改为1Mpts，则波形不失真时的tS为2ms（即0.2ms/div），此时若增大时基因数，会因实际采样率（

，MS为定值）降低而使波形产生失真。任务4-3-2数字示波器主要技术指标3.内存深度因为内存深度MS=实际采样率fS×波形时长（即波形记录时长）tS，所以内存深度决定了数字示波器在一次连续采样时所能记录波形的最长时间tS。内存深度越大，需要处理的数据量越大，波形更新速度越慢，存储波形所需时间越长，测量速度越慢。为了提高测量速度，有时会设置内存深度设置按钮（ACQ或acquire）用来改变内存深度，或在调整时基因数时自动调整所需的内存深度。任务4-3-2数字示波器主要技术指标4.分辨率（包括垂直分辨率（即电压分辨率）和水平分辨率（即时间分辨率）1）垂直分辨率定义：能够分辨和显示的最小电压变化取决因素：取决于A/D变换器对采样后量化值进行编码的位数表示：A/D变换器的位数（n位）（或

、百分数

）例如，若A/D变换器是8位，则分辨率为8位（或

、0.391%（

））；若满度输出（即量程）为10V，则电压分辨率约为39.1mV（

）。或用分级数（级/div）、V/级表示。若屏幕垂直方向共有8div（满量程=10V，即1.25V/div），因为A/D变换器是8位编码，共有28=256级，则垂直分辨率为32级/div（

）、39.1mV/级（

，分辨率为39.1mV）。任务4-3-2数字示波器主要技术指标4.分辨率（包括垂直分辨率（即电压分辨率）和水平分辨率（即时间分辨率）2）水平分辨率定义：能够正确分辨出的最小时间间隔。决定因素：由采样率和存储器深度决定，采样率越高水平分辨率越高。表示：通常以屏幕每格含多少个样点来表示。例如，内存深度为1024pts（即10位，=210），水平方向为10.24div时，水平分辨率为100Sa/div（

）。任务4-3-2数字示波器主要技术指标5.读/写速度定义：由存储器中读出和写入数据的速度表示：用读或写一个字节所用的时间表示任务4-3-2数字示波器主要技术指标课堂小结：任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式1）边沿触发定义：当触发源的上升沿、下降沿或双沿（上升沿和下降沿）达到设定的触发电平时，示波器触发并显示波形。分类：上升沿、下降沿、双沿（上升沿和下降沿）三种双沿触发即在触发源的上升沿和下降沿都触发显示一般情况下选择正极性或负极性边沿触发任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式2）脉宽触发定义：当触发源的脉宽达到某个条件时产生触发的方式。触发条件：脉宽范围、脉宽极性。脉宽范围是指示波器需要捕捉和显示的脉宽范围，有大于（＞）、小于（＜）、等于（＝）、大于小于（＞＜）等条件；脉宽极性是指示波器需要捕捉和显示的脉宽极性，有正脉宽和负脉宽之分。注意，此处的脉宽指的是脉宽两边沿与触发电平交点之间的时间差。任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式2）脉宽触发脉宽范围是指示波器需要捕捉和显示的脉宽范围，有大于（＞）、小于（＜）、等于（＝）、大于小于（＞＜）等条件；脉宽极性是指示波器需要捕捉和显示的脉宽极性，有正脉宽和负脉宽之分。注意，此处的脉宽指的是脉宽两边沿与触发电平交点之间的时间差。当触发条件分别是正脉宽<520μs、负脉宽＜300μs时的触发位置如图任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式3）逻辑触发定义：当模拟通道间的电平满足一定的逻辑运算（与、或、非等）结果且信号电压达到设定的触发电平和触发逻辑宽度时产生触发的方式每个通道的逻辑值可以设置为高（大于触发电平）、低（低于触发电平）、无（与触发电平无关）。如图，不考虑触发逻辑脉宽大小，分别设CH1低且CH2低、CH1低且CH2高、CH1高且CH2高时的触发位置分别为①、②、③。任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式4）N边沿触发定义：即第N边沿猝发触发，指的是当触发源在指定空闲时间后第N个边沿上触发，有上升沿、下降沿触发。下图是设置空闲时间为100ns，N边沿触发条件分别是第3上升沿、第3下降沿时的触发位置示意图任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式5）矮脉冲触发定义：即欠幅触发，用于查找跨过一个电平门限但没有跨过另一个电平门限的脉冲。矮脉冲触发需设置高低电平门限（即触发电平上限、下限）分类：正矮脉冲触发、负矮脉冲触发，二者均处于高低电平门限（触发电平）之间，但前者跨过低电平门限（触发电平下限）而未跨过高电平门限（触发电平上限）；后者跨过高电平门限而未跨过低电平门限。下图为正、负矮脉冲触发时的触发位置示意图任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式6）斜率触发定义：当触发源从一个电平到达另一个电平的时间符合设定的时间条件时，产生触发分类：正斜率时间、负斜率时间，前者是指触发源从低电平到达高电平所用的时间；后者是指触发源从高电平到达低电平所用的时间。图（a）为正斜率3.5ns触发示意图；图（b）为负斜率5ns触发示意图任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式7）超时触发定义：从触发源的上升沿（或下降沿）与触发电平交汇处开始计时，在达到设定时间时开始触发。上升沿（或下降沿）则根据触发极性选择。下图是在触发源上升沿通过触发电平后9ns时的触发位置示意图任务4-3-2数字示波器主要技术指标课堂小结：任务4-3

数字示波器课后思考题：数字示波器的实时采样与等效采样核心区别是什么？分别适用于什么类型的信号测量？内存深度（