电子测量与仪器4.3.2 数字示波器-2

任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术复习提问：任务4-3-1数字示波器（DSO）的组成与部分技术复习提问：

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.技术指标：数字示波器主要有哪些性能指标？2.触发的意义：数字示波器触发的意义是什么？3.触发方式：数字示波器触发方式有哪些？任务4-3-2数字示波器（DSO）主要技术指标重点知识概要：1.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2.触发意义：理解数字示波器触发的意义，注意与模拟示波器触发意义的不同3.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4-3-2数字示波器（DSO）主要技术指标任务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），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。fS=水平分辨率/时基因数任务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采样率。即：存储深度一定（人为选定某一存储深度，不一定是由硬件决定的最大容量）时，随时基因数变化，为满足波形无失真还原，由每格最少采样点数决定的实际可用采样率（S/s）。有关因素：有效存储带宽BWS主要取决于实际采样率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。时基因数（或时长）↑→内存深度↑；实际采样率（或时长）↓→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（=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（

）。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/级）。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）主要技术指标或者：水平分辨率：(s/div)/(Sa/div)=s/Sa5.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：名称标记符号别称类型设置条件边沿触发Edge；T+↑/↓边缘触发、沿触发上升沿触发、下降沿触发、双边沿触发触发源、触发电平、边沿极性（上升/下降/任意）斜率触发Slope、EdgeTime、Rise/Fall沿时间触发、转换速率触发正斜率（上升时间）触发、负斜率（下降时间）触发触发源、双电平门限、时间阈值、边沿方向脉宽触发PW、PulseWidth脉冲宽度触发、宽度触发正脉宽触发、负脉宽触发触发源、触发电平、脉冲极性、宽度判定条件（＞/＜/＝/＞＜）矮脉冲触发Undershoot、LowAmplitudePulse欠幅触发、低幅脉冲触发正矮脉冲触发、负矮脉冲触发触发源、高低双触发电平、脉冲极性、最小宽度阈值（区分毛刺触发）第N边沿触发NthEdge、EdgeCountN次边沿触发、序列边沿触发第N个上升沿触发、第N个下降沿触发触发源、边沿类型、边沿计数值N、释抑时间（即空闲时间）逻辑触发Pattern、Logic码型触发、状态触发与逻辑触发、或逻辑触发、多通道组合逻辑触发多通道电平组态（H/L/X）、逻辑关系、触发时机超时触发Timeout、Gap间隔触发、失步触发高电平超时触发、低电平超时触发、边沿间隔超时触发触发源、触发电平、超时时长、电平状态毛刺触发Glitch、NarrowPulse窄脉冲触发、尖峰触发、干扰脉冲触发正毛刺触发、负毛刺触发触发源、触发电平、最大毛刺宽度、幅度限制任务