數(shù)字示波器簡介及分類

示波器也能分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務(wù)。

但是，對于一些特定應(yīng)用，由于兩者具備的不同特性，每種類型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分，數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲示波器數(shù)字熒光示波器和采樣示波器。

數(shù)字的手段則意味著，在示波器的顯示范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定、明亮和清晰地顯示任何頻率的波形。對重復(fù)的信號而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱之為3dB 點。對于單脈沖和瞬態(tài)事件，例如脈沖和階躍波，帶寬局限于示波器采樣率之內(nèi)。為了解更多的細(xì)節(jié)，請參照性能術(shù)語和應(yīng)用部分的采樣率一節(jié)。

數(shù)字存儲示波器

常規(guī)的數(shù)字示波器是數(shù)字存儲示波器(DSO)。它的顯示部分更多基于光柵屏幕而不是基于熒光。

數(shù)字存儲示波器(DSO)便于您捕獲和顯示那些可能只發(fā)生一次的事件，通常稱為瞬態(tài)現(xiàn)象。以數(shù)字形式表示波形信息，實際存儲的是二進(jìn)制序列。這樣，利用示波器本身或外部計算機，方便進(jìn)行分析、存檔、打印和其他的處理。波形沒有必要是連續(xù)的;即使信號已經(jīng)消失，仍能夠顯示出來。與模擬示波器不同的是，數(shù)字存儲示波器能夠持久地保留信號，可以擴展波形處理方式。然而，DSO沒有實時的亮度級;因此，他們不能表示實際信號中不同的亮度等級。組成DSO的一些子系統(tǒng)與模擬示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，因此它能夠收集顯示整個波形的數(shù)據(jù)。從捕獲信號到在屏幕上顯示波形，DSO采用串行的處理體系結(jié)構(gòu)，如圖16所示。隨后將對串行處理體系作講解。

串行處理體系結(jié)構(gòu)

與模擬示波器一樣，DSO 第一部分(輸入)是垂直放大器。在這一階段，垂直控制系統(tǒng)方便您調(diào)整幅度和位置范圍。緊接著，在水平系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(

ADC)部分，信號實時在離散點采樣，采樣位置的信號電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值稱為采樣點。該處理過程稱為信號數(shù)字化。水平系統(tǒng)的采樣時鐘決定ADC采樣的頻度。該速率稱為采樣速率，表示為樣值每秒(S/s)。

來自ADC的采樣點存儲在捕獲存儲區(qū)內(nèi)，叫做波形點。幾個采樣點可以組成一個波形點。波形點共同組成一條波形記錄。創(chuàng)建一條波形記錄的波形點的數(shù)量稱為記錄長度。觸發(fā)系統(tǒng)決定記錄的起始和終止點。DSO信號通道中包括微處理器，被測信號在顯示之前要通過微處理器處理。微處理器處理信號，調(diào)整顯示運行，管理前面板調(diào)節(jié)裝置，等等。信號通過顯存，最后顯示到示波器屏幕中。

在示波器的能力范圍之內(nèi)，采樣點會經(jīng)過補充處理，顯示效果得到增強。可以增加預(yù)觸發(fā)，使在觸發(fā)點之前也能觀察到結(jié)果。目前大多數(shù)數(shù)字示波器也提供自動參數(shù)測量，使測量過程得到簡化。

DSO 提供高性能處理單脈沖信號和多通道的能力。DSO是低重復(fù)率或者單脈沖、高速、多通道設(shè)計應(yīng)用的完美工具。在數(shù)字設(shè)計實踐中，工程師常常同時檢查四路甚至更多的信號，而DSO則成為標(biāo)準(zhǔn)的合作伙伴。

數(shù)字熒光示波器

數(shù)字熒光示波器(DPO)為示波器系列增加了一種新的類型。DPO的體系結(jié)構(gòu)使之能提供獨特的捕獲和顯示能力，加速重構(gòu)信號。DSO 使用串行處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲、顯示和分析信號;相對而言，DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，。DPO采用

ASIC硬件構(gòu)架捕獲波形圖象，提供高速率的波形采集率，信號的可視化程度很高。它增加了證明數(shù)字系統(tǒng)中的瞬態(tài)事件的可能性。隨后將對該并行處理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

串行處理體系結(jié)構(gòu)

DPO的第一階段(輸入)與模擬示波器相似(垂直放大器)，第二階段與DSO 相似(ADC)。但是，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，DPO與原來的示波器相比就有顯著的不同之處。

對所有的示波器而言，包括模擬、DSO和DPO示波器，都存在著釋抑時間。在這段時間內(nèi)，儀器處理最近捕獲的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)，等待下一觸發(fā)事件的發(fā)生。在這段時間內(nèi)，示波器對所有信號都是視而不見的。隨著釋抑時間的增加，對查看到

低頻

度和低重復(fù)事件的可能性就會降低。

請注意，由顯示的更新速率簡單地推斷采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠顯示更新速率，就確認(rèn)示波器能采集到波形的所有相關(guān)信息，那么是很容易犯錯誤的，因為，實際上示波器并沒有作到。數(shù)字存儲示波器串行處理采集到的波形。由于微處理器限制著波形的采集速率，所以微處理器是串行處理的瓶頸。

DPO把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)進(jìn)一步光柵化，存入熒光數(shù)據(jù)庫中。每1/30秒，這大約是人類眼睛能夠覺察到的最快速度，存儲到數(shù)據(jù)庫中的信號圖象直接送到顯示系統(tǒng)。波形數(shù)據(jù)直接光柵化，以及直接把數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)拷貝到顯存中，兩者共同作用，改變了其他體系在數(shù)據(jù)處理方面的瓶頸。結(jié)果是增加了“使用時間”，增強顯示更新能力。信號細(xì)節(jié)、間斷事件和信號的動態(tài)特性都能實時采集。DPO微處理器與集成的捕獲系統(tǒng)一道并行工作，完成顯示管理、自動測量和設(shè)備調(diào)節(jié)控制工作，同時，又不影響示波器的捕獲速度。

DPO如實地仿真模擬示波器最好的顯示屬性，并在三維顯示信號：時間、幅度和以時間為參變量的幅度變化，三者都是實時的。模擬示波器依靠化學(xué)熒光物質(zhì)，與此不同，DPO使用完全的電子數(shù)字熒光，其實質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫。針對示波器顯示屏幕的每一個點，數(shù)據(jù)庫中都有獨立的“單元(cell)”。一旦采集到波形(即示波器一觸發(fā))，波形就映射到數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫的單元組內(nèi)。每一個單元代表著屏幕中的某位置。當(dāng)波形涉及到該單元，單元內(nèi)部就加入亮度信息;沒有涉及到則不加入。因此，如果波形經(jīng)常掃過的地方，亮度信息在單元內(nèi)會逐步累積。

當(dāng)數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫傳送到示波器的顯示屏幕后，根據(jù)各點發(fā)生的信號頻率的比例，顯示屏展示加入亮度形式的波形區(qū)域，這與模擬示波器的亮度級特性非常類似。 DPO也可以顯示不斷變化的發(fā)生頻率的信息，顯示屏對不同的信息呈現(xiàn)不同的顏色，這一點與模擬示波器不同。利用DPO，可以比較由不同觸發(fā)器產(chǎn)生的波形之間的異同，例如，比較某波形與第100 號觸發(fā)器產(chǎn)生波形的區(qū)別。

數(shù)字熒光示波器(DPO)突破模擬和數(shù)字示波器技術(shù)之間的障礙。它同時適合觀察高頻和低頻信號、重復(fù)波形，以及實時的信號變化。只有DPO 實時提供Z(亮度)軸，常規(guī)的DSO 已經(jīng)喪失了這一功能。

對那些需要最好的通用設(shè)計和故障檢測工具以適合大范圍應(yīng)用的人來說，DPO是一個理想工具。DPO典型應(yīng)用有：通信模板測試，中斷信號的數(shù)字調(diào)試，重復(fù)的數(shù)字設(shè)計和定時應(yīng)用。

數(shù)字采樣示波器

當(dāng)測量高頻信號時，示波器也許不能在一次掃描中采集足夠的樣值。如果需要正確采集頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣頻率的信號，那么數(shù)字采樣示波器是一個不錯的選擇(參看圖21)。這種示波器采集測量信號的能力要比其他類型的示波器高一個數(shù)量級。在測量重復(fù)信號時，它能達(dá)到的帶寬以及高速定時都十倍于其他示波器。連續(xù)等效時間采樣示波器能達(dá)到50GHz 的帶寬。

與數(shù)字存儲和數(shù)字熒光示波器體系結(jié)構(gòu)不同，在數(shù)字采樣示波器的體系結(jié)構(gòu)中，置換了衰減器/ 放大器于采樣橋的位置，參照圖20。在衰減或放大之前對輸入信號進(jìn)行采樣。由于采樣門電路的作用，經(jīng)過采樣橋以后的信號的頻率已經(jīng)變低，因此可以采用低帶寬放大器，其結(jié)果，整個儀器的帶寬得到增加。

然而，采樣示波器帶寬的增加帶來的負(fù)面影響是動態(tài)范圍的限制。由于在采樣門電路之前沒有衰減器/ 放大器，所以不能對輸入信號進(jìn)行縮放。所有時刻的輸入信號都不能超過采樣橋滿動態(tài)范圍。因此，大多數(shù)采樣示波器的動態(tài)范圍都限制在1V 的峰值- 峰值。另一方面，數(shù)字存儲和數(shù)字熒光示波器卻能夠處理50 到100 伏特的輸入。

另外，采樣橋的前面不能增加保護(hù)二極管，否則會限制帶寬。因此，采樣示波器的安全輸入電壓大約只有3V，相對而言，其他示波器可以高達(dá)500V。

如何使用數(shù)字示波器?

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲、顯示、測量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨特優(yōu)點，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會產(chǎn)生較大的測量誤差，從而影響測試任務(wù)。

區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬

帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實時帶寬兩種。數(shù)字示波器對重復(fù)信號采用順序采樣或隨機采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實時帶寬，數(shù)字實時帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)(數(shù)字實時帶寬=最高數(shù)字化速率/K)，一般并不作為一項指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號的測量，而數(shù)字實時帶寬則同時適合重復(fù)信號和單次信號的測量。廠家聲稱示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實時帶寬是要低于這個值的。例如說TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實時帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測量單次信號時，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實時帶寬，否則會給測量帶來意想不到的誤差。

有關(guān)采樣速率

采樣速率也稱為數(shù)字化速率，是指單位時間內(nèi)，對模擬輸入信號的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項重要指標(biāo)。

1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

如果示波器的輸人信號為一個100KHz的正弦信號，示波器顯示的信號頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢?這是因為示波器的采樣速率太慢，產(chǎn)生了混迭現(xiàn)象?；斓褪瞧聊簧巷@示的波形頻率低于信號的實際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定?；斓漠a(chǎn)生如圖1所示。那么，對于一個未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢?可以通過慢慢改變掃速t/div到較快的時基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生;或者晃動的波形在某個較快的時基檔穩(wěn)定下來，也說明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號高頻成分的2倍才不會發(fā)生混迭，如一個500MHz的信號，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡單地防止混迭發(fā)生：

·調(diào)整掃速;

·采用自動設(shè)置(Autoset);

·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測方式，因為包絡(luò)方式是在多個收集記錄中尋找極值，而峰值檢測方式則是在單個收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測到較快的信號變化。

·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因為這種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類似于用模擬示波器顯示的波形。

2.采樣速率與t/div的關(guān)系

每臺數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個定值。但是，在任意一個掃描時間t/div，采樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div) N為每格采樣點

當(dāng)采樣點數(shù)N為一定值時，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù)：

t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)502510210.50.25

綜上所述，使用數(shù)字示波器時，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。

數(shù)字示波器的上升時間

在模擬示波器中，上升時間是示波器的一項極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中，上升時間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測量方法的原因，以致于自動測量出的上升時間不僅與采樣點的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點中間，這時上升時間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點，則同樣的波形，上升時間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測量同一波形時的一組掃速與上升時間的數(shù)據(jù)：

t/div(ms)502010521tr(μs)800320160803216

由上面這組數(shù)據(jù)可以看出，雖然波形的上升時間是一個定值，而用數(shù)字示波器測量出來的結(jié)果卻因為掃速不同而相差甚遠(yuǎn)。模擬示波器的上升時間與掃速無關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測出的時間來反推出信號的上升時間。