第九章数字存储示波器p教学文稿.ppt

9.1 概述 9.2 数字示波器的采样方式9.3 数字示波器的组成原理9.4 数字示波器的设计第9章 数字示波器数字示波器是 20 世纪纪 70 年代初发发展起来的一种新型示波器这这种类类型的示波器可以方便地实现对实现对 模拟拟信号波形进进行长长期存储储并能利用机内微处处理器系统对统对 存储储的信号做进进一步的处处理，例如对对被测测波形的频频率、幅值值、前后沿时间时间 、平均值值等参数的自动测动测 量以及多种复杂杂的处处理数字存储储示波器的出现现使传统传统 示波器的功能发发生了重大变变革 9.1.1 数字存储示波器的组成原理9.1 概述典型的数字存储储示波器原理框图图如图图所示 9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析 定义：单位时间内对模拟输入信号的采样次数，单位为MS/s（兆次/秒）等 DSO给出的采样速率指标是指DSO所能达到的最高采样速率，由A/D转换器的最高转换速率决定最高采样速率表示了仪器捕捉信号在时间轴上细节的能力 1 采样样速率 fs 示波器不能总以最高采样速率工作，为了能在屏幕上清晰的观测不同频率的信号，DSO设置了多挡扫描速度（亦称扫描时间因数），以对应不同的采样速率。

DSO的最高扫描速度挡与其最高采样速率相对应 定义：当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的信号幅度下降3dB时所对应的输入信号上、下限频率之差，称为示波器的频带宽度，单位为MHz或GHz 3 存储带宽储带宽 BW 数字示波器有模拟带宽和存储带宽两种表达方式 模拟带宽：指采样电路以前模拟信号通道电路的频带宽度 实时带宽： 存储带宽 等效带宽：采用实时实时 采样样方式时时所具有的存储带宽储带宽工作在等效采样样工作方式下测测量周期信号时时所表现现出来的频带宽频带宽 度 3 存储带宽储带宽 BW 存储带宽：存储带宽按采样方式不同又分实时带宽与等效带宽两种 实时带宽是指数字示波器采用实时采样方式时所具有的存储带宽，主要取决于A/D转换器的采样速率和显示所采用的内插技术 根据取样定理，如果采样速率大于等于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形在数字示波器设计中，为保证显示分辨率，要求增加更多的取样点采用点显示方式时，每周期采样点数 k 一般取2025采用插值技术可以降低对示波器 fs的要求，采用矢量内插方式时，一般取k=10；当采用正弦内插方式时，一般取k=2.5 等效带宽是指DSO工作在等效采样工作方式下测量周期信号时所表现出来的频带宽度。

在等效采样方式下，要求信号必须是周期重复的，DSO一般要经过多个采样周期，并对采集的样品进行重新组合，才能重显被测波形等效带宽可以做的很宽，有的DSO的等效带宽可达到几十GHz以上 模拟带宽：指采样电路以前模拟信号通道电路的频带宽度，主要由Y通道电路的幅频特性和X偏转系统的频率响应决定如不特殊说明，数字示波器的频带宽度一般是指其模拟带宽 垂直分辨率又称电压分辨率，它由采用的A/D转换器的分辨率来决定，常以A/D转换器的位数来表示，单位为bit例如，某DSO采用了8位的A/D转换器，则称该DSO的垂直分辨率为8bit 垂直分辨率也可用（级数/div）来表示设某DSO采用8bit的A/D转换器，屏幕垂直方向的刻度为8div，则称该DSO的垂直分辨率为32级/div 4分辨率 水平分辨率又称时间间隔分辨率，常以DSO在进行T测量时所能分辨的最小时间间隔值来表示如果不加内插，当DSO的采样速率为 fs 时，定定义DSO的时间间隔分辨率为1/ fs ；如果加了内插算法，且内插器的增益为N，定义DSO的时间间隔分辨率为1/N fs 早期示波器也常用（点/div）表示例如，某DSO的记录长度为1KB，屏幕水平方向的刻度有10div,则该DSO的水平分辨率为100点/div。

分辨率是指示信号波形细节的综合指标，包括垂直分辨率和水平分辨率 分辨率与测量准确度紧密相关，但分辨率并非是测量准确度，而是理想情况下测量准确度的上线5.垂直灵敏度及误误差 垂直灵敏度是指DSO显示在垂直方向（Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以V/div、mV/div表示根据模拟示波器的习惯，DSO也按1-2-5步进方式分挡，每挡也可以细调 垂直灵敏度表明了示波器测量最大和最小信号幅度的能力 垂直灵敏度误差是指DSO测量信号幅度的准确度，一般用规定频率的标准幅度脉冲信号作校验信号，其计算公式如下 e = 100式中,e为垂直灵敏度误差，V1为测量读数值（V），V2为校准信号每格电压值（V），D为校准信号幅度（div）扫描速度（又称扫描时间因数，简称为扫速）定义为示波器光点在屏幕水平方向上移动一格所占用的时间，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div等表示扫描速度表明了示波器能测量信号频率的范围 沿用模拟示波器的习惯，也按1-2-5步进方式分挡，每挡也能细调 扫描速度取决于A/D转换器的转换速率及记录长度（存储容量），其值为相邻两个取样点的时间间隔与每格取样点数N的乘积，即6.扫扫描速度及误误差 扫描速度误差是指DSO测量时间间隔的准确度。

一般用具有标准周期时间的脉冲信号作为校验信号，其计算公式如下式 e = 100式中,e为扫描误差；t为校准信号周期时间测量读数值；T0为校准信号周期时间值扫描速度（又称扫描时间因数，简称为扫速）定义为示波器光点在屏幕水平方向上移动一格所占用的时间，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div等表示扫描速度表明了示波器能测量信号频率的范围 沿用模拟示波器的习惯，也按1-2-5步进方式分挡，每挡也能细调 扫描速度取决于A/D转换器的转换速率及记录长度（存储容量），其值为相邻两个取样点的时间间隔与每格取样点数N的乘积，即6.扫扫描速度及误误差 扫描速度误差是指DSO测量时间间隔的准确度一般用具有标准周期时间的脉冲信号作为校验信号，其计算公式如下式 e = 100式中,e为扫描误差；t为校准信号周期时间测量读数值；T0为校准信号周期时间值 例如，对于一个21万像素（575368）的显示屏幕，水平方向应显示500个点（相当于50点/div）为了保持这个时间分辨率，较简单的设计方案是：以显示窗口的最高水平分辨率来确定DSO的记录长度，并根据所选的扫描速度来决定采样速率 当扫描速度选择1s/div，就应提供50MS/s的采样速率，正好保证水平方向有500个采样点。

如果选择的采样速率太低，采样点少，就不能保证水平分辨率；如果选择的采样速率过高，则采样点过多，采样存储器又会溢出 9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析 二 记录长记录长 度与采样样速率的关系 简易DSO的记录长度与显示器水平方向的分辨率在数值上是一致的其 记录长度L 、采样速率fs和扫描速度t/div存在以下关系式 L = fst/div10式中, 10表示显示屏幕水平方向的刻度为10格上式表明，当L确定之后（由硬件确定，不能改变），DSO的采样速率fs与扫描速度t/div成反比 二 记录长记录长 度与采样样速率的关系 简易DSO的记录长度与显示器水平方向的分辨率在数值上是一致的其 记录长度L 、采样速率fs和扫描速度t/div存在以下关系式 L = fst/div10 这种简易DSO的设计存在以下两个缺点 1由于记录长度是以显示窗口的最高水平分辨率来设计的，DSO的记录长度不可能太长（一般在500B左右或1 000B左右），因此，很难完整地记录并显示一个较复杂的信号 2不便观测一个同时含有高频和低频成分的信号波形例如，要求显示一行含有行同步信号的电视信号，若以低频的行频信号调整扫描速度，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中高频的电视信号调整扫速，则又看不到一行完整的信号。

要想观观察到又长长又复杂杂波形的细节细节 ，就需要在较较高采样样速率情况下进进行较长时间较长时间 的记录记录 ， 二 记录长记录长 度与采样样速率的关系 目前现代DSO记录长度已能做到多达48MB的超长存储深度，从而支持在高采样率情况下对复杂波形的捕获 增加记录长度后，一次捕捉的波形样点多了但是屏幕水平方向一般只有500点左右的像素，只能看到波形中的某一部分为此，不少厂家又提出“窗口放大”或“波形移动”等功能，使用户通过多次放大或左右移动，既可看到波形的全貌又可看到局部细节图给出了采用“窗口放大” 的示意图 9.1.3 数字示波器的特点 (1) 数字示波器在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶段，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获得清晰而稳定的波形可以无闪烁地观察频率很低的信号，这是模拟示波器无能为力的对于观测频率很高的信号来说，模拟示波器必须选择带宽很高的阴极射线示波管，这就使造价上升，并且显示精度和稳定性都较低而数字存储示波器采用了一个固定的相对较低的速率显示，从而可以使用低带宽、高分辨率、高可靠性而低造价的光栅扫描式示波管，这就从根本上解决了上述问题。

若采用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息. 数字示波器与模拟拟示波器相比较较有下述几个特点 (3) 具有先进的触发功能数字示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间，这对材料强度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具除此之外，数字存储示波器还可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能，方便、准确地对电信号进行分析 (4) 测量精度高模拟示波器水平精度由锯齿波的线性度决定，故很难实现较高的时间精度，一般限制在3%5%而数字存储示波器由于使用晶振作高稳定时钟，有很高的测时精度采用多位A/D转换器也使幅度测量精度大大提高尤其是能够自动测量直接读数，有效地克服示波管对测量精度的影响，使大多数的数字示波器的测量精度优于1% (2) 数字示波器能长时间地保存信号这种特性对观察单次出现的瞬变信号尤为有利有些信号，如单次冲击波、放电现象等都是在短暂的一瞬间产生，在示波器的屏幕上一闪而过，很难观察数字存储示波器问世以前，屏幕照相是“存储”波形采取的主要方法数字示波器把波形以数字方式存储起来，因而操作方便，且其存储时间在理论上可以是无限长的。

(6) 具有数字信号的输入/输出功能， 所以可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算或分析处理同时还可以通过GPIB 接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统 (5) 具有很强的处理能力，这是由于数字示波器内含微处理器， 因而能自动实现多种波形参数的测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、频率、峰峰值等参数的测量与显示能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘等运算处理同时还能使仪器具有许多自动操作功能，例如自检与自校等功能，使仪器使用很方便数字示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换器最大转换速率等因素的影响，数字示波器目前还不能用于观测频率较高的信号 9.2 数字示波器的采样方式 数字示波器按其工作原理可分为波形的采集（采样与存储）、波形的显示、波形的测量与波形的处理等几部分 对被测信号的波形进行采样与存储是DSO最基础的工作 数字示波器的采样方式有实时采样和非实时的等效采样两种，等效采样又可分为顺序采样和随机采样 9.2 数字示波器的采样方式 波形的采集 波形的显示 波形的测量 波形的处理 9.2.1 实时采样方式的原理与实现 9.2.2 顺序等效采样方式的原理与实现 9.2.3 随机等效采样方式的原理与实现实时采样等效采样顺序采样随机采样 9.2.1 实时采样方式的采集原理 实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A/D转换并存入存储器中。

典型实时取样方式的采集电路如图。