电子测量与仪器4.3 数字示波器（4.3.1~4.3.2整合）

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波形测量实务新课引入：思考与讨论1.核心差异：模拟示波器和数字示波器有什么根本不同？2.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？3.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数字示波器重点知识概要：1.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2.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3.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4.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5.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数字示波器任务4-3数字示波器（DSO）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：CRT显示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（DSO）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：LCD显示被测信号→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（DSO）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（DSO）的组成与部分技术1.数字示波器的一般组成2）现代数字示波器附：时基电路功能1.提供时间基准信号，控制采样时序（对应s/div档位）。以稳定的时钟信号为基础，产生不同挡位的水平扫描定时信号（对应示波器的“s/div”挡位，如1ms/div、100ns/div），控制A/D采样的起始时刻、采样间隔，让波形在水平方向上按真实时间比例展开。2.与触发电路配合，同步控制采样窗口，实现波形稳定显示。接收触发电路的触发信号，启动或停止采样过程，确定采样窗口的长度与位置，保证每次采集的波形都能稳定、同步地显示在屏幕上，避免波形滚动或错位。3.分频/倍频输出，提供多档扫描速度，适配不同频率信号。通过分频、倍频等方式，为用户提供从低速（秒级/格）到高速（纳秒级/格）的多档扫描速度，适配不同频率信号的观测需求（低频信号用慢扫描，高频信号用快扫描）。任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术1.数字示波器的一般组成2）现代数字示波器附：数据处理器中“测量”功能1.自动计算波形参数：电压（峰峰值、有效值等）、时间（周期、频率、上升时间等）。2.替代人工读数，降低误差，提升测量精度。通过对采样数据的批量计算，替代传统的“光标手动测量”，避免了人眼读数的主观误差，尤其适合快速、重复的参数测量场景。3.为显示和分析模块提供定量数据。计算得到的参数结果，可直接显示在屏幕上，也可传输给分析模块，作为波形分析（如频谱分析、眼图分析）的基础数据。任务4-3-1数字示波器（DSO）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（DSO）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（DSO）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，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（DSO）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1、2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）（与第1周期内2、4、6、……、20对应）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（DSO）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（DSO）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（DSO）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（DSO）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（DSO）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（DSO）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（DSO）的组成与部分技术2.采样技术（实时采样、等效采样）——分类与性能特点总结DSO采样技术：实时采样（主）+随机等效采样（辅），快速、瞬态、单次信号等普通测试选前者；周期性高频重复信号选后者。可手动或自动切换采样方式。技术指标中默认实时采样采样技术小结：任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术任务4-3-1数字示波器（DSO）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，除了采用较高的采样率外，还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（DSO）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（否则，棱角大（尤其样点数少时）、还原能力差等）。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（比奈奎斯特定律稍高）任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术插值技术小结：任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术任务4-3数字示波器（DSO）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）fSH，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除特别标注外，技术说明中涉及的采样率均默认为实时采样技术中的“实时采样率”。因为实时采样率取决于硬件，等效采样率取决于算法。任务4-3-2数字示波器（DSO）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：最高实际采样率fSH等于最小时基因数时的实际采样率，若此时的内存深度亦足够，此时的fSH即为标称采样率。例如，每格（div）50个样点（50Sa/div），最小时基因数为1ns/div时，最高实际采样率为50GSa/s（

）在最小时基、内存深度足够的条件下，fSH=标称采样率；一般情况下实际采样率受时基、存储深度约束，低于标称采样率。任务4-3-2数字示波器（DSO）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（示波器带宽）定义：利用采样技术实现的、“理论上能看清”的周期性被测信号的最高频率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（存储带宽或单次带宽）定义：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，即当前设置下能无失真还原信号的最高频率。是由当前实时采样率决定的真实的有效带宽有关因素：有效存储带宽BWS主要取决于实时采样率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。fS为实际采样率，由采样率（即最高实时采样率fSH）、存储深度和时基因数决定，BWS和fS的单位为Sa/s（或S/s），波形重建技术因子（波形重建过采样系数）k=4~10。有效存储带宽一般比等效带宽窄，且随示波器的存储深度、时基因数变化==>性能指标中通常不予给出，需根据实际工作条件计算任务4-3-2数字示波器（DSO）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。内存深度MS=实际采样率fS×波形时长（即波形记录时长）tS==>内存深度决定了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（DSO）主要技术指标3.内存深度内存深度MS=实际采样率fS×波形时长（即波形记录时长）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，称为采集键、内存深度设置键、采样参数设置键、采集参数键，用于设置采样率、内存深度、采集模式）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（DSO）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。或理解为：能引起像素垂直移动的最小电压；取决因素：A/D变换器的位数表示：A/D变换器的位数（n位）（或

、百分数

）、分级数（级/div）、V/级（=满量程电压V/2n级）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（

）。任务4-3-2数字示波器（DSO）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）垂直分辨率表示：A/D变换器的位数（n位）（或

、百分数

）、分级数（级/div）、V/级例如，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（

）。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（DSO）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。可理解为：能引起像素水平移动的最小时间决定因素：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（DSO）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（DSO）主要技术指标任务4-3-2数字示波器主要技术指标技术指标小结：任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式“触发”的意义：①锁定实时采样时采集信号起始点。实时采样模式下，ADC一直准备采样，但不随便采。没有触发时，示波器处于等待采集状态；当触发条件满足（电压、边沿、脉宽等）→

立刻启动一轮连续采样，把信号存进波形存储器。②锁定存储器中显示波形的基准点（不是起始点，因为可预触发以显示触发点前的波形），以决定显示哪一段波形。存储器是循环缓存，一直在不断写入采样点；触发到来后，示波器会锁定触发点在存储器中的位置（触发位置）；之后从存储器中，以触发点为基准（前触发/后触发）读出一段波形送显示。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（EdgeTrigger，“Edge”）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（“↑↓”或“↕”）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上升沿（“↑”“RisingEdge”，即正极性）或下降沿（“↓”“FallingEdge”，即负极性）边沿触发用途：观测常规周期信号、方波信号、正弦波信号，适用于绝大多数通用测量场景。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（PulseWidthTrigger，“PW”）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（“>PW”）、小于（“<PW”）、等于（“=PW”）、大于小于（“＞＜PW”）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。==>统一在后沿触发任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式2）脉宽触发（PulseWidthTrigger，“PW”）脉宽范围是指示波器需要捕捉和显示的脉宽范围，有大于（“>PW”）、小于（“<PW”）、等于（“=PW”）、大于小于（“＞＜PW”）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。==>统一在后沿触发当触发条件分别是正脉宽<520μs、负脉宽＜300μs时的触发位置如图用途：检测电路中的窄脉冲、宽脉冲故障信号（如单片机的脉冲输出、电源的浪涌脉冲）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（Logic/Pattern/LogicTrigger，“LOGIC”“LOG”）定义：即码型触发、状态触发，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。注意按照采样时钟边沿而非被测信号边沿判断逻辑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3）逻辑触发（Logic/Pattern/LogicTrigger，“LOGIC”“LOG”）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用途：主要用于精准捕获多信号协同的特定数字事件，稳定捕捉复杂时序、总线状态、协议指令及间歇性故障，方便数字与混合信号电路的调试与异常定位逻辑触发即码型触发，但前者强调基于与、或、非等布尔逻辑进行组合判断；后者强调直接设置多位并行电平码型（如101、0110等）作为触发条件任务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（NthEdge、NEdge、NthTrigger，“N‑EDGE”“NEDG”）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用途：用于精准捕获多周期后出现的有效信号，滤除前期无效边沿，稳定触发复杂时序、延时信号与非周期信号任务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（RuntTrigger，“RUNT”）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。==>统一在脉冲的后沿判定触发下图为正、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5）矮脉冲触发（RuntTrigger，“RUNT”）定义：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==>统一在脉冲的后沿判定触发用途：检测电路中的高频小毛刺，排查电路的干扰问题任务4-3-2数字示波器主要技术指标6.触发方式6）斜率触发（SlopeTrigger，“SLOPE”）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。==>统一在后沿触发分类：正斜率（↗）、负斜率（↘），分别指触发源从低电平到达高电平所用时间时、从高电平到达低电平所用时间时触发。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6）斜率触发（SlopeTrigger，“SLOPE”）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。==>统一在后沿触发分类：正斜率（↗）、负斜率（↘）用途：捕捉信号的斜率变化，检测电路中的信号失真、毛刺（如放大器的失真信号）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（TimeoutTrigger，“TO”，即时间等待触发）定义：从触发源信号的上升沿（或下降沿）与触发电平交汇时刻开始计时，若信号电平持续保持不变并达到设定时长时的触发。上升沿（或下降沿）则根据触发极性选择。分类：高电平超时、低电平超时，分别指长期维持高电平不变、长期维持低电平不变，电平保持期满瞬间触发。注意：若电平改变，计时清零重新开始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用途：检测电路中的信号中断、死机故障（如单片机的复位信号、通信总线的空闲信号）4ns任务4-3-2数字示波器主要技术指标触发方式小结：任务4-3-2数字示波器主要技术指标附：数字示波器触发方式对比：触发方式英文名称别称分类符号标记触发位置边沿触发EdgeTrigger边缘触发上升沿（正极性）、下降沿（负极性）、双边沿↑、↓、↕信号跳变沿瞬间（前沿）脉宽触发PulseWidthTrigger脉冲宽度触发正脉宽、负脉宽；大于