數(shù)字存儲示波器

如何合理選擇示波器？第三章示波測試和測量技術(shù)－專題之一2/6/202311.根據(jù)被測信號頻率選擇示波器帶寬示波器首要技術(shù)指標(biāo)－帶寬示波器的帶寬是示波器垂直放大器的頻率響應(yīng)，定義為：信號幅度下降3dB.在此頻點(diǎn)為示波器的帶寬例：100M帶寬示波器輸入100M1V正弦波觀察到的將是100M0.707V

對于非正弦波的波形，必須考慮其諧波。請謹(jǐn)記住5倍帶寬法則2/6/20232（1）示波器帶寬不足導(dǎo)致波形失真非正弦波是由基波加無數(shù)奇次諧波所構(gòu)成。包含的諧波越多，波形越近似方波。所以方波的質(zhì)量根據(jù)包含的諧波次數(shù)，其近似程度有所不同。例：100MHz方波是由3次、5次、7次…………….合成，3次諧波頻率為300MHz、5次諧波頻率為500MHz…………..幅度衰減波形失真2/6/20233（2）示波器帶寬對測量波形影響觀測20MHz的方波在20MHz帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果在200MHz帶寬示波器測試所顯示的結(jié)果示波器所顯示的波形2/6/20234（3）影響波形的諧波數(shù)是基波的倍數(shù)2/6/202352.波形上升時間與測量精度的關(guān)系上升時間在波形10％－90％處測量，上升時間可由：

t上升時間＝0.35/BWBW：3db帶寬(單位為Hz),0.35：系數(shù)

信號上升時間/示波器對信號的上升時間測量誤差1/141%3/15.2%5/12%10/10.5%結(jié)論:示波器帶寬越寬，上升時間越短，測量誤差越小。P182公式3-16、3-172/6/202361、工作特性2、性能價格比3、測量的準(zhǔn)確度4、通道數(shù)5、數(shù)據(jù)處理方式6、采樣速率7、評價存檔能力8、易使用3.其他考慮因素（1）偏轉(zhuǎn)靈敏度:10V--10nV，體現(xiàn)測量強(qiáng)弱信號的能力。（2）掃描速度Ss：10S/cm--1nS/cm,觀測窄脈沖或高頻信號2/6/20237課程論文2：試采用微處理器和電子電路設(shè)計技術(shù)設(shè)計一個數(shù)字存儲示波器的控制電路（已有示波管、XY偏轉(zhuǎn)板等），并考慮如何提高示波器的波形捕獲率。畫出原理框圖、電路原理圖、程序流程圖，并給出設(shè)計和使用說明。本章作業(yè)：第三章示波測試和測量技術(shù)課本P542:4、5、7、10、15題2/6/20238上節(jié)課內(nèi)容回顧通用示波器的結(jié)構(gòu)：水平通道雙蹤示波器雙掃描示波器模擬示波器的缺點(diǎn)數(shù)字存儲示波器的結(jié)構(gòu)和原理數(shù)字存儲示波器中的采樣技術(shù)2/6/20239數(shù)字存儲示波器第三章示波測試和測量技術(shù)－專題之二2/6/202310一、為什么采用數(shù)字存儲示波器對實(shí)際的信號變化有直接的視覺效果亮度等級（信息出現(xiàn)的頻率）非?？斓牟ㄐ潍@取率，沒有量化誤差和信號混迭在單通道作業(yè)模式下性能最好單一的用戶界面純粹的視覺信息無法進(jìn)行瞬態(tài)信號的捕獲及儲存閃爍和漏失,對于低重復(fù)率信號能力有限帶寬性能有限、只有邊沿觸發(fā)無法觀察觸發(fā)事件之前的信息1.模擬示波器的優(yōu)劣2/6/2023112.模擬示波器在顯示極值時會遇到問題低重復(fù)率快前沿信號顯示昏暗難以讀出中等重復(fù)性信號（中等頻率），顯示清楚但是否漏失什么信息低重復(fù)率信號（低頻信號），光跡不連續(xù)由于模擬示波器的技術(shù)局性。即使示波器觸發(fā)和信號存在，但對某些信號也是無法進(jìn)行清晰的顯示或無法顯示。并丟失信息如：毛刺2/6/2023123.數(shù)字存儲示波器捕捉模擬示波器難以發(fā)現(xiàn)的問題低重復(fù)率快前沿信號的細(xì)節(jié)高頻的差別快速毛刺的細(xì)節(jié)非常低頻的信號2/6/202313二、數(shù)字存儲示波器的

組成與工作原理2/6/202314水平放大器輸入衰減器輸入放大器觸發(fā)電路邏輯控制電路(微處理器)GPIB控制器記錄輸出控制器掃描發(fā)生器延遲線垂直放大器存儲實(shí)時實(shí)時存儲存儲輸入外觸發(fā)CRTA/D轉(zhuǎn)換器D/A轉(zhuǎn)換器地址計數(shù)器D/A轉(zhuǎn)換器存儲器(RAM)具有實(shí)時和存儲兩種工作模式的數(shù)字示波器2/6/2023152/6/202316被測信號取樣脈沖取樣值RAM地址數(shù)據(jù)A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11取樣和存儲過程2/6/202317增加垂直分辨率：技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度；造價問題2/6/202318地址數(shù)據(jù)A0A1A2A3A4A5A7A8A9A10A11A6D0D1D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11讀出和顯示過程讀出數(shù)字量X通道掃描信號熒光屏顯示2/6/202319

ART采用傳統(tǒng)電路技術(shù)在CRT上顯示波形。

DSO是把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，才能顯示或存儲。

ART的波形顯示時間暫短的，當(dāng)輸入信號消失，波形也消失。只用來觀察周期性的重復(fù)信號。

DSO波形可以保留在屏幕上，可進(jìn)行分析。不但可以顯示重復(fù)波形和對低頻信號做到無閃爍的清晰顯示。并有捕獲顯示單次信號的能力。

ART整個系統(tǒng)，包括顯示器必須維持示波器全部帶寬。

DSO在取樣器之前，電路必須維持示波器的全部帶寬，但在A/D之后需要的帶寬大大降低。數(shù)字儲存示波器與模擬示波器比較2/6/2023202.數(shù)字存儲示波器采樣技術(shù)（1）數(shù)字存儲示波器的采樣率和采樣定理?采樣點(diǎn)等時間間隔分布?采樣率以

樣點(diǎn)數(shù)/秒描述(S/s,kS/s,MS/s,GS/s)采樣點(diǎn)采樣間隔2/6/202321香農(nóng)采樣定理（奈奎斯特取樣原理）為了很好的恢復(fù)原來的信號，在進(jìn)行信號數(shù)字化的時候就要求采樣時鐘的頻率至少應(yīng)為信號本身所包含的最高頻率的兩倍。fs(取樣率)＞2BW(信號頻率）例：100M正弦波信號，最少采樣率？200MS/s

當(dāng)使用兩倍于信號頻率的采樣時鐘時，信號頻率確實(shí)可以恢復(fù)。但卻不能重現(xiàn)波形。2/6/2023222/6/2023232/6/202324重現(xiàn)信號波形的技術(shù)：

內(nèi)插技術(shù)（正弦內(nèi)插、線性內(nèi)插等）2/6/202325

如果采樣時鐘頻率比信號頻率低，將出現(xiàn)假象（Aliasing）信號或者不正確頻率的幻影信號。假象信號頻率和原來輸入信號的頻率完全不同。然而，卻可能表示出正確的波形形狀，且往往還具有正確的幅度。

2/6/202326避免出現(xiàn)假像的方法：（1）自動設(shè)置功能：一旦輸入信號連好以后，示波器就能自動地造反適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)系數(shù)和時基設(shè)置值。這種自動設(shè)置功能也能幫助避免假象現(xiàn)象。（2）在有些情況下，信號的頻率變化得非?？?，以致于在某一時刻選定的時基設(shè)置是正確的，而在另一時刻（或者對于信號的另一部分而言）示波器又顯示出假象，這時可以用峰值檢測功能來發(fā)現(xiàn)任何時刻信號的真正幅值。（3）為了獲得這種復(fù)雜信號的起初波形，建議使用數(shù)字存儲示波器的實(shí)時模式來觀察信號。歸要結(jié)底，模擬方式是不可能發(fā)生假象現(xiàn)象的。或者選擇使用第三代示波器。2/6/202327（2）數(shù)字存儲示波器采樣技術(shù)實(shí)時采樣等效時間采樣（非實(shí)時采樣）

·順序采樣

·隨機(jī)采樣2/6/202328一次觸發(fā)采集信號所有資料實(shí)時采樣是最直觀的采樣方式，采樣率超過模擬帶寬4－5倍或更高。不僅適用捕獲重復(fù)信號，而且是捕捉單次信號以及隱藏在重復(fù)信號中的毛刺和異常信號的有效方法。A.實(shí)時(Real-Time)采樣2/6/202329B.等效時間采樣－順序采樣需要對信號進(jìn)行多次觸發(fā)按固定順序從重復(fù)性信號不同的周期經(jīng)過多次觸發(fā)和采樣，觸發(fā)時間依次延遲Δt,取得足夠的采樣點(diǎn)(存儲器器的記錄長度)來重建這個重復(fù)信號的波形。等效采樣必須滿足兩個前提條件：

1、信號必須是重復(fù)的2、必須能穩(wěn)定觸發(fā)2/6/202330C.等效時間采樣－隨機(jī)采樣2/6/202331隨機(jī)采樣原理：

在每次觸發(fā)事件到來時，延遲一段隨機(jī)的時間長度再進(jìn)行采樣。各組采樣點(diǎn)是在觸發(fā)事件出現(xiàn)之后的隨機(jī)時刻采集的，這些采樣點(diǎn)之間的時間隔已知，由采樣時鐘來確定。相鄰兩次觸發(fā)事件之間，其內(nèi)部就在連續(xù)的進(jìn)行采樣并將結(jié)果貯存起來。當(dāng)一個觸發(fā)事件到來時示波器內(nèi)的一個定時系統(tǒng)就從這一時刻開始直到下一個采點(diǎn)時刻進(jìn)行時間測量。示波器從該測量的時間計算出所有采集的采樣點(diǎn)在存儲器中的位置。

隨機(jī)采樣技術(shù)的在優(yōu)點(diǎn)在于可以提供預(yù)觸發(fā)信息以及觸發(fā)后信息；且易于發(fā)現(xiàn)波形的細(xì)節(jié)。2/6/202332請注意所謂－等效采樣率采樣率的標(biāo)準(zhǔn)定義（實(shí)時）最高采樣率是指在單一觸發(fā)中，模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器能采集的最大采樣點(diǎn)數(shù)目。等效采樣率（等效轉(zhuǎn)換率）轉(zhuǎn)換率是指最快的水平掃描速度下，把從對重復(fù)信號多次觸發(fā)收集的采樣點(diǎn)顯示在屏幕上時，點(diǎn)與點(diǎn)之間的最小時間距離。1最快掃（顯示屏上每格描速度顯示點(diǎn)數(shù)目）等效轉(zhuǎn)換率＝1/(5nS/25)=5GS/s單一觸發(fā)每秒8個采樣點(diǎn)

采樣率＝8S/s2/6/202333數(shù)字示波器帶寬100M，采樣率500MS/s

數(shù)字示波器帶寬100M，采樣率20MS/s實(shí)時采樣率決定DSO

對單次信號的捕獲能力比如：沖擊電流、破壞性試驗(yàn)的捕捉和測量，對欠幅脈沖、單脈沖、毛刺、電源中斷、電壓擊穿、開關(guān)特性等等瞬態(tài)信號和非重復(fù)信號進(jìn)行捕捉和分析。2/6/2023343.采樣率與信號帶寬的關(guān)系采樣技術(shù)不同，使帶寬定義復(fù)雜化：模擬帶寬即重復(fù)信號帶寬（放大器帶寬）單次信號帶寬為單次(瞬態(tài))信號測量中可獲得的最大帶寬BWs＝fs(采樣率)k(與重現(xiàn)技術(shù)有關(guān)的內(nèi)插系數(shù))例：內(nèi)插系數(shù)4，采樣率為100MS/s,單次帶寬？100MS/s4＝25MHz多通道顯示時可能影響單次信號帶寬2/6/202335三、數(shù)字存儲示波器的特點(diǎn)（1）提供多種觸發(fā)方式（2）提供多種波形顯示方式（3）提供自動測量和多種數(shù)據(jù)處理功能（4）提供多種接口和輸出方式（5）其他特點(diǎn)2/6/202336（1）提供多種觸發(fā)方式a、可進(jìn)行負(fù)延遲觸發(fā)同時觀察到觸發(fā)點(diǎn)前、后的波形。例如：有利于觀察振蕩器起振的過程。觸發(fā)點(diǎn)2/6/202337b.圖形觸發(fā)在邏輯硬件電路中，信號是由許多并行的線來傳送的，整個硬件的瞬時狀態(tài)則是由在給定時刻時這些線上的狀態(tài)來表示的。為了識別硬件狀態(tài)，就需要有一種儀器來檢測這些線的狀態(tài)。使用圖形觸發(fā)功能可以監(jiān)視多條線的狀態(tài)。

例如，當(dāng)探測到用戶規(guī)定4條線的狀態(tài)（例如HHLH）時，示波器就被觸發(fā)。圖形觸發(fā)的設(shè)計是和數(shù)字邏輯配合使用的，可以用來監(jiān)視各條線的狀態(tài)是為高（H）、低（L）或者任意（X）。

2/6/202338C.狀態(tài)觸發(fā)邏輯硬件通常是圍繞著一個中央時鐘系統(tǒng)來構(gòu)成的。其中的所有硬件都在時鐘系統(tǒng)的指令之下來存貯其輸入信號，因此示波器也應(yīng)依據(jù)同樣的原則工作。當(dāng)使用狀態(tài)觸發(fā)時，輸入信號方法和圖形觸發(fā)時一樣，只不過一在要把其中的一個輸入信號當(dāng)作時鐘信號。

如果示波器在時鐘上升沿或下降沿時存貯的其余三條線的輸入字和用戶規(guī)定的觸發(fā)定一致，則示波器產(chǎn)生觸發(fā)。2/6/202339d.毛刺觸發(fā)在脈沖寬小于一個時鐘周期或其他特定寬度時觸發(fā)；或者通過對毛刺的極性和寬度進(jìn)行定義產(chǎn)生觸發(fā)。2/6/202340TV觸發(fā)：將分離出的電視行、場同步信號轉(zhuǎn)換為“TV”觸發(fā)脈沖，適于顯示和分析電視信號波形e.其他觸發(fā)方式(邊沿觸發(fā))AUTO:自動觸發(fā)AutoLvl:自動電平觸發(fā)Normal:常態(tài)觸發(fā)2/6/202341（2）提供多種波形顯示方式a.內(nèi)插顯示線性內(nèi)插、正弦內(nèi)插、Sin(x)/X內(nèi)插b.窗口模式將示波器屏幕分成兩個或多個區(qū)域以顯示不同的掃跡。

c.卷動顯示適用于在緩慢變化中的信號尋找所需的信號。新波形老波形改寫點(diǎn)自動抹跡每滿足一次觸發(fā)條件，新存儲的波形就覆蓋原波形。2/6/202342（3）提供自動測量和多種數(shù)據(jù)處理功能

自動測量峰-峰值值、RMS、DC電平、頻率、脈沖寬度、上升時間等波形參數(shù)用統(tǒng)計形式給出測量結(jié)果，例如某參數(shù)的最小值、最大值和平均值

采用平均的方法來提高分辨率，減少噪聲包絡(luò)模式

觀察幅度變化或者抖動現(xiàn)象時，記錄每個采樣點(diǎn)位置的最小值和最大值，并以此構(gòu)成波形顯示，表現(xiàn)了信號長期變化的積累效果，使得我們可以進(jìn)行長時間的抖動測量或者長時間的幅度變化測量。

使用和不使用包絡(luò)模式兩種情況下的抖動脈沖2/6/202343（3）提供自動測量和多種數(shù)據(jù)處理功能（續(xù)）

數(shù)字濾波等效于在示波器輸入端加入低通濾波器波形相乘測量電功率，電流和電壓的數(shù)學(xué)乘積波形比較和樣本測試檢查系統(tǒng)的性能是否符合其技術(shù)指標(biāo)FFT計算積分觀察信號隨著時間積累的總體效果微分表示信號變化的速率，例如，一個電信號的擺動率（Slewrate)就是信號隨時間變化曲線的微分。

2/6/202344（4）提供多種接口和輸出方式a.GPIBb.RS232C.LAN打印機(jī)繪圖儀數(shù)字存儲示波器還通常采用類似與電視顯示的磁偏轉(zhuǎn)顯示；模擬示波器不易做到。2/6/202345（5）其他特點(diǎn)1、可觀測甚低頻信號波形2、可長期存儲波形3、便于觀測單次過程和緩慢變化的過程可用于觀察地震、金屬斷裂、武器發(fā)射、材料變形等單次過程和緩慢變化過程。4、便于進(jìn)行功能擴(kuò)展例如：可擴(kuò)展為同時顯示時、頻域波形的儀器。2/6/202346舉例：HP54645D示波器2/6/2023472/6/202348數(shù)字熒光示波器

DPO第三章示波測試和測量技術(shù)－專題之三2/6/202349具有比模擬示波器更多的優(yōu)勢和功能提高水平時間基線的線性度和精確度通道之間沒有時間誤差，可進(jìn)行精確的定時和相位測量可以長期存儲波形，并調(diào)出存儲波形可以將波形傳送計算機(jī)進(jìn)行存儲和進(jìn)一步的分析，可硬拷貝可捕獲單次信號和非周期信號通過光標(biāo)和參數(shù)自動測量對多項(xiàng)波形參數(shù)進(jìn)行測量波形信息可用數(shù)學(xué)運(yùn)算方法進(jìn)行處理和顯示先進(jìn)的觸發(fā)方式可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息DSO的不足有限的波形捕獲速率，因采集數(shù)據(jù)不足而信號在顯示時易混迭二維顯示不能標(biāo)明事件發(fā)生的頻度沒有亮度等級（信息出現(xiàn)的分布)1.數(shù)字示波器的優(yōu)劣2/6/2023502.波形捕獲速率為什么重要？快速捕獲率意味示波器花費(fèi)更多次數(shù)捕捉數(shù)據(jù)和觀察信號捕獲毛刺的概率毛刺頻率

x

在毛刺時間的采集概率毛刺頻率

xTa/(Ta+Tu）提高波形捕獲速率將有效提高捕獲毛刺的概率提高波形捕獲率將有效提高顯示信號的三維信息TaTu2/6/2023513.決定波形捕獲率用數(shù)字示波器捕獲動態(tài)復(fù)雜信號如下幾點(diǎn)必須考慮－采樣率（時間分辨率）－記錄長度（捕獲的持續(xù)時間）－波形捕獲率（捕獲的可能性）在給定的時間窗口下，高的采集率提供更高的波形捕獲細(xì)節(jié)但需要更長的存儲器較長的記錄長度或信號的觸發(fā)率將引起示波器波形捕獲率的降低慢的波形捕獲率會導(dǎo)致示波器漏失某些波形中的偶發(fā)時件（出現(xiàn)在兩次獲取波形的死區(qū)）2/6/202352采集技術(shù)－波形捕獲率模擬數(shù)字熒光數(shù)字存儲記錄長度（存儲深度）波形刷新速率2/6/2023534.記錄長度（存儲深度）存儲深度：指存儲采樣點(diǎn)的能力（記錄長度），同時也是屏幕上一幅波形所含的點(diǎn)數(shù)。最大的記錄長度由示波器的存儲容量決定要增加存儲容量才能增加記錄長度記錄時間＝儲存長度/采樣速率

2/6/202354數(shù)字示波器如何保真？A、采樣速率（實(shí)時、等效）B、波形捕獲速率（波形更新速率）采樣間隔要求盡量的小、更新速率要盡量地快影響波形更新的主要原因：模擬：100,000－400,000次/秒X－Y掃描快數(shù)字：60－200次/秒量化－處理－存?。@示記錄長度對信號實(shí)時采集產(chǎn)生的影響：存取時間作為全部過程的重要環(huán)節(jié)，直接影響到信號采集的實(shí)時感.即：存取時間越長，采集停頓時間越長。重復(fù)信號，單次信號，重復(fù)信號中出現(xiàn)的瞬態(tài)信號各需要什么樣的記錄長度？

5.記錄長度對信號采集影響2/6/2023556.

數(shù)字熒光示波器的定義

一臺能將電信號數(shù)字化，并且以三維數(shù)據(jù)（信號的幅度、時間