数字存储示波器

如何合理选择示波器？第三章示波测试和测量技术－专题之一2/6/202311.根据被测信号频率选择示波器带宽示波器首要技术指标－带宽示波器的带宽是示波器垂直放大器的频率响应，定义为：信号幅度下降3dB.在此频点为示波器的带宽例：100M带宽示波器输入100M1V正弦波观察到的将是100M0.707V

对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。请谨记住5倍带宽法则2/6/20232（1）示波器带宽不足导致波形失真非正弦波是由基波加无数奇次谐波所构成。包含的谐波越多，波形越近似方波。所以方波的质量根据包含的谐波次数，其近似程度有所不同。例：100MHz方波是由3次、5次、7次…………….合成，3次谐波频率为300MHz、5次谐波频率为500MHz…………..幅度衰减波形失真2/6/20233（2）示波器带宽对测量波形影响观测20MHz的方波在20MHz带宽示波器测试所显示的结果在200MHz带宽示波器测试所显示的结果示波器所显示的波形2/6/20234（3）影响波形的谐波数是基波的倍数2/6/202352.波形上升时间与测量精度的关系上升时间在波形10％－90％处测量，上升时间可由：

t上升时间＝0.35/BWBW：3db带宽(单位为Hz),0.35：系数

信号上升时间/示波器对信号的上升时间测量误差1/141%3/15.2%5/12%10/10.5%结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。P182公式3-16、3-172/6/202361、工作特性2、性能价格比3、测量的准确度4、通道数5、数据处理方式6、采样速率7、评价存档能力8、易使用3.其他考虑因素（1）偏转灵敏度:10V--10nV，体现测量强弱信号的能力。（2）扫描速度Ss：10S/cm--1nS/cm,观测窄脉冲或高频信号2/6/20237课程论文2：试采用微处理器和电子电路设计技术设计一个数字存储示波器的控制电路（已有示波管、XY偏转板等），并考虑如何提高示波器的波形捕获率。画出原理框图、电路原理图、程序流程图，并给出设计和使用说明。本章作业：第三章示波测试和测量技术课本P542:4、5、7、10、15题2/6/20238上节课内容回顾通用示波器的结构：水平通道双踪示波器双扫描示波器模拟示波器的缺点数字存储示波器的结构和原理数字存储示波器中的采样技术2/6/20239数字存储示波器第三章示波测试和测量技术－专题之二2/6/202310一、为什么采用数字存储示波器对实际的信号变化有直接的视觉效果亮度等级（信息出现的频率）非常快的波形获取率，没有量化误差和信号混迭在单通道作业模式下性能最好单一的用户界面纯粹的视觉信息无法进行瞬态信号的捕获及储存闪烁和漏失,对于低重复率信号能力有限带宽性能有限、只有边沿触发无法观察触发事件之前的信息1.模拟示波器的优劣2/6/2023112.模拟示波器在显示极值时会遇到问题低重复率快前沿信号显示昏暗难以读出中等重复性信号（中等频率），显示清楚但是否漏失什么信息低重复率信号（低频信号），光迹不连续由于模拟示波器的技术局性。即使示波器触发和信号存在，但对某些信号也是无法进行清晰的显示或无法显示。并丢失信息如：毛刺2/6/2023123.数字存储示波器捕捉模拟示波器难以发现的问题低重复率快前沿信号的细节高频的差别快速毛刺的细节非常低频的信号2/6/202313二、数字存储示波器的

组成与工作原理2/6/202314水平放大器输入衰减器输入放大器触发电路逻辑控制电路(微处理器)GPIB控制器记录输出控制器扫描发生器延迟线垂直放大器存储实时实时存储存储输入外触发CRTA/D转换器D/A转换器地址计数器D/A转换器存储器(RAM)具有实时和存储两种工作模式的数字示波器2/6/2023152/6/202316被测信号取样脉冲取样值RAM地址数据A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11取样和存储过程2/6/202317增加垂直分辨率：技术实现难度；造价问题2/6/202318地址数据A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11读出和显示过程读出数字量X通道扫描信号荧光屏显示2/6/202319

ART采用传统电路技术在CRT上显示波形。

DSO是把模拟信号转换为数字形式，才能显示或存储。

ART的波形显示时间暂短的，当输入信号消失，波形也消失。只用来观察周期性的重复信号。

DSO波形可以保留在屏幕上，可进行分析。不但可以显示重复波形和对低频信号做到无闪烁的清晰显示。并有捕获显示单次信号的能力。

ART整个系统，包括显示器必须维持示波器全部带宽。

DSO在取样器之前，电路必须维持示波器的全部带宽，但在A/D之后需要的带宽大大降低。数字储存示波器与模拟示波器比较2/6/2023202.数字存储示波器采样技术（1）数字存储示波器的采样率和采样定理•采样点等时间间隔分布•采样率以

样点数/秒描述(S/s,kS/s,MS/s,GS/s)采样点采样间隔2/6/202321香农采样定理（奈奎斯特取样原理）为了很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍。fs(取样率)＞2BW(信号频率）例：100M正弦波信号，最少采样率？200MS/s

当使用两倍于信号频率的采样时钟时，信号频率确实可以恢复。但却不能重现波形。2/6/2023222/6/2023232/6/202324重现信号波形的技术：

内插技术（正弦内插、线性内插等）2/6/202325

如果采样时钟频率比信号频率低，将出现假象（Aliasing）信号或者不正确频率的幻影信号。假象信号频率和原来输入信号的频率完全不同。然而，却可能表示出正确的波形形状，且往往还具有正确的幅度。

2/6/202326避免出现假像的方法：（1）自动设置功能：一旦输入信号连好以后，示波器就能自动地造反适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功能也能帮助避免假象现象。（2）在有些情况下，信号的频率变化得非常快，以致于在某一时刻选定的时基设置是正确的，而在另一时刻（或者对于信号的另一部分而言）示波器又显示出假象，这时可以用峰值检测功能来发现任何时刻信号的真正幅值。（3）为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用数字存储示波器的实时模式来观察信号。归要结底，模拟方式是不可能发生假象现象的。或者选择使用第三代示波器。2/6/202327（2）数字存储示波器采样技术实时采样等效时间采样（非实时采样）

·顺序采样

·随机采样2/6/202328一次触发采集信号所有资料实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽4－5倍或更高。不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的有效方法。A.实时(Real-Time)采样2/6/202329B.等效时间采样－顺序采样需要对信号进行多次触发按固定顺序从重复性信号不同的周期经过多次触发和采样，触发时间依次延迟Δt,取得足够的采样点(存储器器的记录长度)来重建这个重复信号的波形。等效采样必须满足两个前提条件：

1、信号必须是重复的2、必须能稳定触发2/6/202330C.等效时间采样－随机采样2/6/202331随机采样原理：

在每次触发事件到来时，延迟一段随机的时间长度再进行采样。各组采样点是在触发事件出现之后的随机时刻采集的，这些采样点之间的时间隔已知，由采样时钟来确定。相邻两次触发事件之间，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存起来。当一个触发事件到来时示波器内的一个定时系统就从这一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。示波器从该测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置。

随机采样技术的在优点在于可以提供预触发信息以及触发后信息；且易于发现波形的细节。2/6/202332请注意所谓－等效采样率采样率的标准定义（实时）最高采样率是指在单一触发中，模拟数字转换器能采集的最大采样点数目。等效采样率（等效转换率）转换率是指最快的水平扫描速度下，把从对重复信号多次触发收集的采样点显示在屏幕上时，点与点之间的最小时间距离。1最快扫（显示屏上每格描速度显示点数目）等效转换率＝1/(5nS/25)=5GS/s单一触发每秒8个采样点

采样率＝8S/s2/6/202333数字示波器带宽100M，采样率500MS/s

数字示波器带宽100M，采样率20MS/s实时采样率决定DSO

对单次信号的捕获能力比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析。2/6/2023343.采样率与信号带宽的关系采样技术不同，使带宽定义复杂化：模拟带宽即重复信号带宽（放大器带宽）单次信号带宽为单次(瞬态)信号测量中可获得的最大带宽BWs＝fs(采样率)k(与重现技术有关的内插系数)例：内插系数4，采样率为100MS/s,单次带宽？100MS/s4＝25MHz多通道显示时可能影响单次信号带宽2/6/202335三、数字存储示波器的特点（1）提供多种触发方式（2）提供多种波形显示方式（3）提供自动测量和多种数据处理功能（4）提供多种接口和输出方式（5）其他特点2/6/202336（1）提供多种触发方式a、可进行负延迟触发同时观察到触发点前、后的波形。例如：有利于观察振荡器起振的过程。触发点2/6/202337b.图形触发在逻辑硬件电路中，信号是由许多并行的线来传送的，整个硬件的瞬时状态则是由在给定时刻时这些线上的状态来表示的。为了识别硬件状态，就需要有一种仪器来检测这些线的状态。使用图形触发功能可以监视多条线的状态。

例如，当探测到用户规定4条线的状态（例如HHLH）时，示波器就被触发。图形触发的设计是和数字逻辑配合使用的，可以用来监视各条线的状态是为高（H）、低（L）或者任意（X）。

2/6/202338C.状态触发逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。其中的所有硬件都在时钟系统的指令之下来存贮其输入信号，因此示波器也应依据同样的原则工作。当使用状态触发时，输入信号方法和图形触发时一样，只不过一在要把其中的一个输入信号当作时钟信号。

如果示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致，则示波器产生触发。2/6/202339d.毛刺触发在脉冲宽小于一个时钟周期或其他特定宽度时触发；或者通过对毛刺的极性和宽度进行定义产生触发。2/6/202340TV触发：将分离出的电视行、场同步信号转换为“TV”触发脉冲，适于显示和分析电视信号波形e.其他触发方式(边沿触发)AUTO:自动触发AutoLvl:自动电平触发Normal:常态触发2/6/202341（2）提供多种波形显示方式a.内插显示线性内插、正弦内插、Sin(x)/X内插b.窗口模式将示波器屏幕分成两个或多个区域以显示不同的扫迹。

c.卷动显示适用于在缓慢变化中的信号寻找所需的信号。新波形老波形改写点自动抹迹每满足一次触发条件，新存储的波形就覆盖原波形。2/6/202342（3）提供自动测量和多种数据处理功能

自动测量峰-峰值值、RMS、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数用统计形式给出测量结果，例如某参数的最小值、最大值和平均值

采用平均的方法来提高分辨率，减少噪声包络模式

观察幅度变化或者抖动现象时，记录每个采样点位置的最小值和最大值，并以此构成波形显示，表现了信号长期变化的积累效果，使得我们可以进行长时间的抖动测量或者长时间的幅度变化测量。

使用和不使用包络模式两种情况下的抖动脉冲2/6/202343（3）提供自动测量和多种数据处理功能（续）

数字滤波等效于在示波器输入端加入低通滤波器波形相乘测量电功率，电流和电压的数学乘积波形比较和样本测试检查系统的性能是否符合其技术指标FFT计算积分观察信号随着时间积累的总体效果微分表示信号变化的速率，例如，一个电信号的摆动率（Slewrate)就是信号随时间变化曲线的微分。

2/6/202344（4）提供多种接口和输出方式a.GPIBb.RS232C.LAN打印机绘图仪数字存储示波器还通常采用类似与电视显示的磁偏转显示；模拟示波器不易做到。2/6/202345（5）其他特点1、可观测甚低频信号波形2、可长期存储波形3、便于观测单次过程和缓慢变化的过程可用于观察地震、金属断裂、武器发射、材料变形等单次过程和缓慢变化过程。4、便于进行功能扩展例如：可扩展为同时显示时、频域波形的仪器。2/6/202346举例：HP54645D示波器2/6/2023472/6/202348数字荧光示波器

DPO第三章示波测试和测量技术－专题之三2/6/202349具有比模拟示波器更多的优势和功能提高水平时间基线的线性度和精确度通道之间没有时间误差，可进行精确的定时和相位测量可以长期存储波形，并调出存储波形可以将波形传送计算机进行存储和进一步的分析，可硬拷贝可捕获单次信号和非周期信号通过光标和参数自动测量对多项波形参数进行测量波形信息可用数学运算方法进行处理和显示先进的触发方式可以显示大量的预触发信息DSO的不足有限的波形捕获速率，因采集数据不足而信号在显示时易混迭二维显示不能标明事件发生的频度没有亮度等级（信息出现的分布)1.数字示波器的优劣2/6/2023502.波形捕获速率为什么重要？快速捕获率意味示波器花费更多次数捕捉数据和观察信号捕获毛刺的概率毛刺频率

x

在毛刺时间的采集概率毛刺频率

xTa/(Ta+Tu）提高波形捕获速率将有效提高捕获毛刺的概率提高波形捕获率将有效提高显示信号的三维信息TaTu2/6/2023513.决定波形捕获率用数字示波器捕获动态复杂信号如下几点必须考虑－采样率（时间分辨率）－记录长度（捕获的持续时间）－波形捕获率（捕获的可能性）在给定的时间窗口下，高的采集率提供更高的波形捕获细节但需要更长的存储器较长的记录长度或信号的触发率将引起示波器波形捕获率的降低慢的波形捕获率会导致示波器漏失某些波形中的偶发时件（出现在两次获取波形的死区）2/6/202352采集技术－波形捕获率模拟数字荧光数字存储记录长度（存储深度）波形刷新速率2/6/2023534.记录长度（存储深度）存储深度：指存储采样点的能力（记录长度），同时也是屏幕上一幅波形所含的点数。最大的记录长度由示波器的存储容量决定要增加存储容量才能增加记录长度记录时间＝储存长度/采样速率

2/6/202354数字示波器如何保真？A、采样速率（实时、等效）B、波形捕获速率（波形更新速率）采样间隔要求尽量的小、更新速率要尽量地快影响波形更新的主要原因：模拟：100,000－400,000次/秒X－Y扫描快数字：60－200次/秒量化－处理－存取－显示记录长度对信号实时采集产生的影响：存取时间作为全部过程的重要环节，直接影响到信号采集的实时感.即：存取时间越长，采集停顿时间越长。重复信号，单次信号，重复信号中出现的瞬态信号各需要什么样的记录长度？

5.记录长度对信号采集影响2/6/2023556.

数字荧光示波器的定义

一台能将电信号数字化，并且以三维数据（信号的幅度、时间