电子测量与仪器4.3.1 数字示波器-1

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）（与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等效采样技术。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）的组成与部分技术课后思考题：一、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？二、线性插值与正弦插值的技术要求（采样率与被测信号最高频率的关系）有何不同？重建正弦波时优先选择哪种插值方式，为什么？任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术课后思考题参考答案：一、1.核心区别：实时采样：对信号单次连续逐点采样，一次捕获完整波形，采样率为硬件实际采样率，还原单次真实波形。等效采样：对重复周期信号多次分段采样，拼接重构波形，等效采样率远高于硬件实时采样率，依赖信号周期性重复。2.适用信号：实时采样：单次、非周期、瞬态信号（如脉冲、突发信号、单