數(shù)字示波器基礎(chǔ)知識(shí)

數(shù)字示波器根底知識(shí)耦合耦合控制機(jī)構(gòu)決定輸入信號(hào)從示波器前面板上的BNC輸入端通到該通道垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)其它局部的方式。耦合控制可以有兩種設(shè)置方式，即DC耦合和AC耦合。

DC耦合方式為信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)提供直接的連接通路。因此信號(hào)的所有分量〔AC和：DC〕都會(huì)影響示波器的波形顯示。

AC耦合方式那么在BDC端和衰減器之間串聯(lián)一個(gè)電容。這樣，信號(hào)的DC分量就被阻斷，而信號(hào)的低頻AC分量也將受阻或大為衰減。示波器的低頻截止頻率就是示波器顯示的信號(hào)幅度僅為其直實(shí)幅度為71％時(shí)的信號(hào)頻率。示波器的低頻截止頻率主要決定于其輸入耦合電容的數(shù)值。和耦合控制機(jī)構(gòu)有關(guān)的另一個(gè)功能是輸入接地功能。這時(shí)，輸入信號(hào)和衰減器斷開并將衰減器輸入端連至示波器的地電平。中選擇接地時(shí)，在屏幕上將會(huì)看到一條位于0V電平的直線。這時(shí)可以使用位置控制機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)這個(gè)參考電平或掃描基線的位置。輸入阻抗多數(shù)示波器的輸入阻抗為1MΩ和大約25pF相關(guān)聯(lián)。這足以滿足多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的要求，因?yàn)樗鼘?duì)多數(shù)電路的負(fù)載效應(yīng)極小。

有些信號(hào)來自50Ω輸出阻抗的源。為了準(zhǔn)確的測(cè)量這些信號(hào)并防止發(fā)生失真，必須對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行正確的傳送和端接。這時(shí)應(yīng)當(dāng)使用50Ω特性阻抗的電纜并用50Ω的負(fù)載進(jìn)行端接。某些示波器，如PM3094和PM3394A，內(nèi)部裝有一個(gè)50Ω的負(fù)載，提供一種用戶可選擇的功能。為防止誤操作，選擇此功能時(shí)需經(jīng)再次確認(rèn)。由于同樣的理由，50Ω輸入阻抗功能不能和某些探頭配合使用。相加和反向簡(jiǎn)單的把兩個(gè)信號(hào)相加起來似乎沒有什么實(shí)際意義。然百，把兩個(gè)有關(guān)信號(hào)之一反向，再將二者相加，實(shí)際上就實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)信號(hào)的相減。這對(duì)于消除共模干擾〔即交流聲〕，或者進(jìn)行差分測(cè)量都是非常有用的。

從一個(gè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)中減去輸入信號(hào)，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋壤儞Q，就可以測(cè)出被測(cè)系統(tǒng)引起的失真。

由于很多電子系統(tǒng)本身就具有反向的特性，這樣只要把示波器的兩個(gè)輸入信號(hào)相加就能實(shí)現(xiàn)我們所期望的信號(hào)相減。帶寬示波器最生根的技術(shù)指標(biāo)就是帶寬。示波器的帶寬說明了該示波器垂直系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。示波器的帶寬定義為示波器在屏幕上能以不低于真實(shí)信號(hào)3dB的幅度來顯示信號(hào)的最高頻率。圖5表示出一個(gè)100MHz示波器的典型頻率響應(yīng)曲線。圖5一臺(tái)典型為100MHz示波器的頻率響應(yīng)曲線〔簡(jiǎn)化的曲線和實(shí)際的曲線〕出于現(xiàn)實(shí)的理由，通常把帶寬想象成為頻響曲線一直平坦延伸至其截止頻率，然后從該頻率以－20dB/+倍頻程的斜率下降。當(dāng)然，這是一種簡(jiǎn)化的考慮。實(shí)際上，放大器的靈敏度從較低的頻率就開始下降，百在其截止頻率到達(dá)－3dB。圖5中中同時(shí)給出了簡(jiǎn)化的頻率響應(yīng)曲線和實(shí)際的頻率響應(yīng)曲線。數(shù)字存儲(chǔ)你可能還記得，第一章中我們談到，普通模擬示波器CRT上的P31熒光物質(zhì)的余輝時(shí)間小于1ms。在有些情況下，使用P7熒光物質(zhì)的CRT能給出大約300ms的余輝時(shí)間。只要有信號(hào)照射熒光CRT就將不斷顯示信號(hào)波形。而當(dāng)信號(hào)去掉以后使用P31材料的CET上掃跡迅速變暗，而使用P7材料的CRT上掃跡停留時(shí)間稍長(zhǎng)一些。

那么，如果信號(hào)在一秒鐘內(nèi)只有幾次，或者信號(hào)的周期為數(shù)秒至珍長(zhǎng)，甚至于信號(hào)只發(fā)生一次，那又將會(huì)怎么樣呢？在這種情況下，使用我們上面介紹過的模擬示波器那么幾乎乃至于完全不能觀察這些信號(hào)。

因此我們需要找到在熒光物質(zhì)上保持信事情軌跡的方法。為到達(dá)這一目的而采用的一種老式方法是使用一種稱為存儲(chǔ)示波管的特殊CRT。這種示波管的熒光物質(zhì)后面裝有柵網(wǎng)，通過在柵網(wǎng)上充載電荷的方法存貯電子束的路徑。這種示波管價(jià)格很昂貴又比擬脆弱，并且只能耐有限的時(shí)間內(nèi)保持軌跡。數(shù)字存儲(chǔ)的方法克服了所有這些缺點(diǎn)，并且還帶來了很多附加的特色，下面列出局部特點(diǎn)：

·可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息。

·可通通過使用光標(biāo)和不使用光標(biāo)的方法進(jìn)行全自動(dòng)的測(cè)量。

·可以長(zhǎng)期貯存波形。

·可以在打印機(jī)或繪圖儀上制作硬考貝以供編制文件之用。

·可以翻新采集的波形和操作人員手工或示波器全自動(dòng)采集的參考波形進(jìn)行比擬。

·可以按通過/不通過的原那么進(jìn)行判斷。

·波形信息可用數(shù)學(xué)進(jìn)行處理。何謂數(shù)字存儲(chǔ)從字意上不難看出，所謂數(shù)字存儲(chǔ)就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來貯存信號(hào)。

當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或稱DSO以后，在信號(hào)到達(dá)CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前〔圖18〕，示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣。然后用一個(gè)模/數(shù)變換器〔ADC〕對(duì)這些瞬時(shí)值或采樣值進(jìn)行變換從而生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制字。這個(gè)過程稱為數(shù)字化。圖18數(shù)字存儲(chǔ)示波器的方框圖獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為彩樣速率。采樣速率由采樣時(shí)鐘控制。對(duì)于一般使用情況來說，采樣速率的范圍從每秒20兆次〔20MS/s〕到200MS/s。

存儲(chǔ)器中貯存的數(shù)據(jù)用來在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。

所以，在DSO中的輸入信號(hào)接頭和示波器CRT之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號(hào)的波形在CRT上獲得顯示之前先要存貯到存儲(chǔ)器中去我們?cè)谑静ㄆ髌聊簧峡吹降牟ㄐ慰偸怯伤杉綌?shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號(hào)的立即的、連接的波形顯示。采樣和數(shù)字化數(shù)字存儲(chǔ)分兩步來實(shí)現(xiàn)。第一步，獲取輸入電壓的采樣值。這是通過采樣及保持電路來完成的，見圖19。圖19根本的采樣保持電路當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，輸入放大器A1，通過開關(guān)S對(duì)保持電容進(jìn)行充放電，而當(dāng)開關(guān)S斷開時(shí)保持電容上的電壓就不再變化，緩沖放大器A2將此采樣值送往模/數(shù)變換器〔ADC〕，ADC那么測(cè)量此采樣電壓值，并用數(shù)字的“字”的形式表示出來。

模/數(shù)字變換器圍繞一組比擬器而構(gòu)成，見圖20，每一個(gè)比擬器都檢查輸入睬樣電壓是高于或低于其參考電壓。如果高于其參考電壓那么該比擬器的輸出為有效；反之那么輸出為無效。圖20模數(shù)變換器根本電路各個(gè)比擬器的參考電壓彼此略有不同，這此參考電壓都是用一個(gè)電阻鏈從一個(gè)基準(zhǔn)電壓源而得到的。對(duì)于某一采樣電壓值來說，假設(shè)干個(gè)比擬器輸出為有效，而其余的比擬器輸出為無效，接著ADC中的編碼變換器就把該采樣電壓值變?yōu)橐粋€(gè)“數(shù)字”，并將其送往數(shù)字存儲(chǔ)器。

這種類型的ADC稱為閃其速式〔flash)模/數(shù)字變換器。因?yàn)樗茉凇耙婚W”間把一個(gè)模擬輸入電壓變換為一個(gè)“數(shù)字”。除此之外，還可以使用其它類型的模/數(shù)變換器，。其模/數(shù)變換是由幾步動(dòng)作來完成的，但是其缺點(diǎn)是完成一個(gè)采樣壓的變換所需時(shí)間較長(zhǎng)。模/數(shù)變換器和垂直分辨率ADC通過把采樣電壓和許多參考電壓進(jìn)行比擬來確定采樣電壓的幅度。構(gòu)成ADC所用的比擬器越多，其電阻鏈越長(zhǎng)，ADC可以識(shí)別的電壓層次也趙多。這個(gè)特性稱為垂直分辨率，垂直分辨率越高，那么示波器上的波形中可以看到的信號(hào)細(xì)節(jié)越小〔見圖21〕。圖21垂直分辨對(duì)顯示波形的影響垂直分辨率用比特來表示，垂直分辨率就是構(gòu)成輸出的字的總比特?cái)?shù)〔即數(shù)字輸出字的長(zhǎng)度大小〕。

這樣ADC可以識(shí)別并進(jìn)行編碼的電壓層次數(shù)可以用下式來計(jì)算：層次數(shù)=2比特?cái)?shù)多數(shù)示波器使用比特的模/數(shù)變換器，所以能夠按28=256個(gè)不同的電壓層次來表示信號(hào)電平，這樣就能夠提供足夠的細(xì)節(jié)以便研究信號(hào)和進(jìn)行測(cè)量，在這種垂直分辨率下，可以顯示的最小分辯率號(hào)步進(jìn)值大約和CRT屏幕上光點(diǎn)的直徑大小相同，代表采樣電壓值的一個(gè)ADC輸出字包含8個(gè)比特，并稱為一個(gè)字節(jié)。

在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，增加垂直分辨率的限制因素之一是本錢問題，在制造ADC時(shí)，輸出字每多增加一個(gè)比特，就需要將所用的比擬器數(shù)增加一倍并使用更大的編碼變換器，這樣一來就使得ADC電路在電路板上占據(jù)大一倍的芯片空間，并消耗多一倍的功率〔這又將進(jìn)一步影響周圍電路〕結(jié)果，增加垂直分辨率又帶了價(jià)格的提高。時(shí)基和水平的分辨率在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時(shí)基的設(shè)置〔s/格〕。

構(gòu)成一個(gè)波形的組全部的采樣叫作一個(gè)記錄，用一個(gè)記錄可以重建一個(gè)或多個(gè)屏莫的波形，一個(gè)示波器可以貯存的采樣點(diǎn)數(shù)稱為記錄長(zhǎng)度或采集長(zhǎng)度，記錄長(zhǎng)度用字節(jié)或千字節(jié)來表示，1千字節(jié)〔1KB〕等于1024個(gè)采樣點(diǎn)。

通常，示波器沿著水平軸顯示512采樣點(diǎn)，為了便于使用，這些采樣點(diǎn)以每格50個(gè)采樣點(diǎn)的水平分辨率來進(jìn)行顯示，這就是說水平軸的長(zhǎng)為512/50=10.24格。

據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計(jì)算：

采樣間隔=時(shí)基設(shè)置〔s/格〕/采樣點(diǎn)數(shù)

假設(shè)時(shí)基設(shè)置為1ms/格，且生格有50個(gè)采樣，那么可以計(jì)算出采樣間隔為：采樣間隔=1ms/50=20us

采樣速率是采樣間隔的倒數(shù)：采樣速率=1/采樣間隔

通常示波器可以顯示的采樣點(diǎn)數(shù)是固定的，時(shí)基設(shè)置的改變是通過改變采樣速率來實(shí)現(xiàn)的，因此一臺(tái)特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時(shí)時(shí)設(shè)置之下才是有效的。在較低的時(shí)基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比擬低。

設(shè)有一臺(tái)示波器，其最大采樣速率為100MS/s那么示波器實(shí)際使用這一采樣的速率的時(shí)基設(shè)置值應(yīng)為

時(shí)基設(shè)置值=50樣點(diǎn)×采樣間隔

=50/采樣速率

=50/〔100×106)

=500ns/格

了解這一時(shí)基設(shè)置值是非常重要的，因?yàn)檫@個(gè)值是示波器采集非重復(fù)性信號(hào)時(shí)的最快的時(shí)基設(shè)置，使用這個(gè)時(shí)基設(shè)置時(shí)示波器能給出其可能的最好的時(shí)間分辨率。

此時(shí)基設(shè)置值稱為“最大單次掃描時(shí)基設(shè)置值”，在這個(gè)設(shè)置值之下示波器使用“最大實(shí)進(jìn)采樣速率”進(jìn)行工作。這個(gè)采樣速率也就是在示波器的技術(shù)指標(biāo)中所給出的采樣速率。實(shí)用上升時(shí)間在很多示波器應(yīng)用場(chǎng)合，都要進(jìn)行信叼開關(guān)我的測(cè)量，即測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間。

從第一章我們已經(jīng)知道，示波器的上升時(shí)間決定了該示波器能夠精密進(jìn)行測(cè)量的最快瞬變我對(duì)于模擬示波器來說，上升時(shí)間特性。對(duì)于模擬示波器來說，上升時(shí)間特性完全取決于示波器的模擬電路。

如果DSO，那么示波器可以采集到的最快的瞬變特性不僅取決于其模擬電路，也取決于其時(shí)間分辨率。為了正確的進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量，必須在我們關(guān)心的信號(hào)邊緣上采集到足夠的細(xì)節(jié)信息，這就是說，在瞬變期間必須采集很多采樣點(diǎn)。這個(gè)上升時(shí)間稱為DSO的有用上升時(shí)間。并且其時(shí)間值是時(shí)基設(shè)置值的函數(shù)。

最大捕捉頻率及香農(nóng)(Shannon)采樣準(zhǔn)那么當(dāng)人們最初探索將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的時(shí)候研究工作就已揭示，為了很好的恢復(fù)原來的信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化的時(shí)候就要求采樣時(shí)鐘的頻率至少應(yīng)為信號(hào)本身所包含的最高頻率的兩倍，這個(gè)要求通常稱為香農(nóng)采樣定理。

然而，這項(xiàng)研究工作是針對(duì)通信應(yīng)用領(lǐng)域而并非針對(duì)示波器為進(jìn)行的，現(xiàn)在來看圖22。從圖中看出。當(dāng)使用兩倍于信號(hào)頻率的采樣時(shí)鐘時(shí)。信號(hào)頻率確實(shí)可以恢復(fù)。使用恰當(dāng)?shù)牟ㄐ沃亟ㄑb置我們就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是問題目的是這樣簡(jiǎn)單嗎？

現(xiàn)在我們?cè)O(shè)想在進(jìn)行波形的數(shù)字化時(shí)仍然使用相同的采樣時(shí)鐘，但是將采樣點(diǎn)選在和原來略為不同的時(shí)刻，不定在信號(hào)的峰值點(diǎn)，這樣一來，信號(hào)的幅度信息就會(huì)嚴(yán)重失誤，甚至可能完全喪失，事實(shí)上。如果采樣點(diǎn)準(zhǔn)確地取在信號(hào)地過零零碎碎點(diǎn)〔見圖22下列圖〕那么由于所有的采樣取到的采值均為零零碎碎，我們將完全觀測(cè)不到信號(hào)。圖22用兩倍于信號(hào)頻率的采樣速率對(duì)正弦波進(jìn)行采樣。

分別示出采樣點(diǎn)位于信號(hào)峰值點(diǎn)和采樣點(diǎn)接近信號(hào)過零零碎碎點(diǎn)兩種情況示波器是用來研究信號(hào)的，為了很好的研究主事情不僅要求正確的表示信號(hào)頻率并且還要求準(zhǔn)確地表示信號(hào)波形的幅度。從圖23可以看出，如果每個(gè)周期用三個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。那么再現(xiàn)的波形也會(huì)發(fā)生很大的失真。

圖23以每周期約三個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號(hào)波形根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常認(rèn)為每周期最小要了十個(gè)采樣點(diǎn)才能給出足夠的信號(hào)細(xì)節(jié)。在有些情況下，對(duì)信號(hào)怕細(xì)節(jié)要求低一些，這時(shí)每周期取五個(gè)樣點(diǎn)可能就足以給出有關(guān)信號(hào)的特性〔見圖24〕。這樣，對(duì)于一個(gè)最大樣率為200Ms/s的示波器來說，能夠準(zhǔn)確采集的最大信號(hào)頻率即為20于40MHz。在這種情況下，還可以使用特殊的顯示系統(tǒng)來提高顯示波開有的保真度。其方法是通過各個(gè)采樣點(diǎn)畫出最正確擬合的正弦曲線。這種方法稱為正弦內(nèi)插。圖24以每周期五個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號(hào)波形假象〔Aliasing)現(xiàn)象我們已經(jīng)知道，為了重建一個(gè)波形，至少需要一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，而且在任何情況下采樣時(shí)鐘的頻率都必須比信號(hào)頻率高五至十倍。

如果采樣時(shí)鐘頻率比信號(hào)頻率代，那么我們將會(huì)得到不可預(yù)料的結(jié)果。

讓我來看一下列圖25所示的情況。如下圖，我們從信號(hào)波形的不同周期連續(xù)獲到采樣點(diǎn)，然而。每一個(gè)新的采樣點(diǎn)的采集都發(fā)生在相對(duì)信號(hào)過零點(diǎn)的時(shí)間間隔略為長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)刻。如果我們現(xiàn)在來顯示這些采樣點(diǎn)并用它來重建信號(hào)波形，那么顯示出的仍然是一個(gè)正弦波。但是這個(gè)正弦波的頻率和原來輸入信號(hào)的頻率完全不同。這種現(xiàn)象稱為假象信號(hào)或者不正確頻率的幻影信號(hào)。然而，它卻可能表示出正確的波形形狀，而且往往還具有正確的波度幅度。圖25假象信號(hào)正弦波多數(shù)現(xiàn)代示波器都調(diào)用有所謂自動(dòng)設(shè)置功能，一旦輸入信號(hào)連好以后，示波器就能自動(dòng)地造反適當(dāng)?shù)钠D(zhuǎn)系數(shù)和時(shí)基設(shè)置值。這種自動(dòng)設(shè)置功能也能幫助防止假象現(xiàn)象。

在有些情況下，信號(hào)的頻率變化得非常快，以致于在某一時(shí)刻選定的時(shí)基設(shè)置是正確的，而在另一時(shí)刻〔或者對(duì)于信號(hào)的另一局部而言〕示波器又顯示出假象信事情，這時(shí)可以用峰值檢測(cè)功能〔見2.2節(jié)〕來發(fā)現(xiàn)任何時(shí)刻信號(hào)的真正幅值。

為了獲得這種復(fù)雜信號(hào)的起初波形，建議使用組合示波器的模擬方式來觀察信號(hào)，歸要結(jié)底，模擬方式是不可能發(fā)生假象現(xiàn)象的。實(shí)理采樣和等效時(shí)間采樣到現(xiàn)在為止我們所介紹的波形數(shù)字化方法稱為實(shí)時(shí)采樣。這時(shí)所有的采樣點(diǎn)都是按照一個(gè)固定的次序來采集的。這個(gè)波形采樣的次序和采樣點(diǎn)在示波器屏幕上出現(xiàn)的次序是相同的。只要一個(gè)觸發(fā)事件就可以啟動(dòng)全部的采集動(dòng)作。

在很多多應(yīng)有和場(chǎng)合，實(shí)時(shí)采樣方式所提供的時(shí)間分辨率仍然不能滿足工作的要求，在這些應(yīng)用場(chǎng)合中，要觀察的信號(hào)常常是重復(fù)性的，即相同的信號(hào)圖形按有規(guī)那么的時(shí)間間隔重復(fù)地出現(xiàn)。圖26實(shí)時(shí)采樣對(duì)于這些信號(hào)來說，示波器可以從假設(shè)干連續(xù)的信號(hào)周期中采集到的多組采樣點(diǎn)來構(gòu)成波形，第一組新的采樣點(diǎn)都是由一個(gè)新的觸發(fā)事件來啟動(dòng)采集的。這稱為等效時(shí)間采樣，在這種模式下，一個(gè)觸發(fā)事伯到來以后，示波器就采集信號(hào)波形的一局部，例如采集五個(gè)采樣點(diǎn)并將它們存入存儲(chǔ)器。另一個(gè)觸發(fā)事件那么用來采集另外的五個(gè)采樣點(diǎn)，并將其存貯在同一存儲(chǔ)器的不同位置，如此進(jìn)行下去經(jīng)過假設(shè)干次觸發(fā)事伯以后，存儲(chǔ)器內(nèi)存貯的足夠的采樣點(diǎn)，就可以在屏幕上重建一個(gè)完整的波形，等效時(shí)間采樣使得示波器在高時(shí)基設(shè)置值之下給出很高的時(shí)間別離率，這樣一來，就好象示波器具有了比共實(shí)際要樣速率要高得多的一個(gè)虛擬采樣速率或稱等效時(shí)間采樣速率。等效時(shí)間采樣速率等效時(shí)間采樣的方法采用從重復(fù)性信號(hào)的不同的周期取得采樣點(diǎn)來重建這個(gè)重復(fù)性信號(hào)的波形，這樣就提高了示波器的時(shí)間分辨率。

舉例來說，有一臺(tái)DSO的時(shí)基設(shè)置值為5ns/格，每格顯示50個(gè)采樣點(diǎn)，那么可以求出等效時(shí)間采樣速率為：等效時(shí)間采樣速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s

等效時(shí)間采樣速率是在高進(jìn)基設(shè)置之下表示示波器不平分辨率的一種間接的方法.它也說明假設(shè)使用實(shí)時(shí)采樣的方法要獲得相同的時(shí)間分辯集約所需要的采樣速率,等效時(shí)間采樣速率比現(xiàn)今能夠到達(dá)的實(shí)時(shí)采樣速率要高得多。

可以采用兩種不同的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)等效時(shí)間采樣,即順序采樣和隨機(jī)采樣.單次捕捉應(yīng)用模擬示波器和DSO的主要區(qū)別在于DSO能夠存貯波形信息。這使得DSO在研究低重復(fù)速率的現(xiàn)象或者研究完全不重復(fù)的現(xiàn)象即所謂單沖信號(hào)的工作中具有特別珍貴的價(jià)值。這種應(yīng)用情況的例子包括諸如測(cè)量一個(gè)電系統(tǒng)的沖擊電流、破壞性試驗(yàn)中只能進(jìn)行一次測(cè)量，事實(shí)上，非重復(fù)性信號(hào)或單位信號(hào)在很多系統(tǒng)中都可以見到。雖然很多模擬示波器也常常有單次測(cè)量能力，即可以產(chǎn)生單次的進(jìn)基掃描。但是DSO在采集波形細(xì)節(jié)方面那么是首屈一指的。在進(jìn)行單次采集時(shí)，示波器首先誚進(jìn)行觸發(fā)準(zhǔn)備〔armedfortrigering)。通常用一個(gè)標(biāo)有“單次”或者“單次復(fù)位”的傳門控制機(jī)構(gòu)來提供此項(xiàng)功能。觸發(fā)位置具有預(yù)觸發(fā)或后觸發(fā)延遲能力的示波器必須具有某種方法來控制延遲時(shí)間的大小，這可以用觸發(fā)位置控制機(jī)構(gòu)來完成。這個(gè)控制機(jī)構(gòu)可以舍不得觸發(fā)位置在屏幕上或者在采集記錄中移動(dòng)。

在有些示波器中，觸發(fā)位置只能設(shè)置為幾個(gè)預(yù)先規(guī)定的數(shù)值，例如在采集的信號(hào)記錄的開關(guān)、中間和結(jié)尾。但如示波器具有很寬的觸發(fā)位置控制范圍，使用起來將會(huì)是很方便的預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)在第一章中我們談到，每次時(shí)基掃描都是由一個(gè)觸發(fā)事件啟動(dòng)的。這樣一來我們就只通用性研究觀察觸發(fā)時(shí)刻以后的信號(hào)變化情況。

在很多應(yīng)用場(chǎng)合，我們感興趣的波形局部并不緊跟在引起穩(wěn)定觸發(fā)的信號(hào)部位的后面，而是在觸發(fā)以后一段時(shí)間，或者甚至可能在觸發(fā)這前。毛刺捕捉圖29所示的是一個(gè)帶有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。產(chǎn)生這種波形的原因可能是由于其它電路的干擾，也可能是由于連線離被測(cè)系統(tǒng)過近的緣故。這些毛刺常常會(huì)引起系統(tǒng)發(fā)生誤動(dòng)作。那么，我們能用示波器來發(fā)現(xiàn)這些毛刺嗎？圖29疊加了毛刺的正弦波如果我們使用模擬示波器來觀察，只有當(dāng)毛刺信號(hào)是重復(fù)性的并且和主信號(hào)〔即這個(gè)例子中的正弦波〕同步時(shí)，我們才能看到毛刺信號(hào)?；蛘撸绻覀兊倪\(yùn)氣好，出現(xiàn)了很多的毛刺的朦朧形象。

由于毛刺源于其它的電路系統(tǒng)，所以這些毛刺通常只是偶爾發(fā)生，并且和主信號(hào)不同步。

那么，如果DSO，我們能發(fā)能這些毛刺嗎？未必，首先我們必須確保示波器已準(zhǔn)備好去捕捉這些快速毛刺。

我們知道，DSO在特定時(shí)刻對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，如本章開頭所述，采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔取決于時(shí)基設(shè)置。如果毛刺的寬度比示波器的時(shí)間分辨率還要小，那么能否捕捉到毛刺就看運(yùn)氣如何了。為了能夠捕捉到毛，我們的方法就是峰值檢測(cè)或毛刺捕捉。

彩峰值檢測(cè)的方法時(shí)，示波器將對(duì)信號(hào)波形的幅度連續(xù)地進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并由正負(fù)峰值檢測(cè)器將信號(hào)的峰值幅度暫地存貯起來。當(dāng)示波器要顯示采樣點(diǎn)的時(shí)候，示波器就將正或負(fù)峰值檢測(cè)器保存的峰值進(jìn)行數(shù)字化，并將該峰值檢測(cè)器清零。這樣在示波器上就用檢測(cè)到的信號(hào)的正，負(fù)峰值代替了原來的采樣點(diǎn)數(shù)值。因此，峰值檢測(cè)的方法能夠幫助我們發(fā)現(xiàn)由于使用的采樣速率過低而喪失的信號(hào)或者由于假象而引起失真的信號(hào)。峰值檢測(cè)的方法對(duì)于捕捉調(diào)制信號(hào)，例如圖30所示的AM波形，也是非常有用的。為了顯示這類信號(hào)，必須將示波器的時(shí)基設(shè)置得和調(diào)制信號(hào)在頻率相配合，而在這種信號(hào)中，調(diào)制信號(hào)的頻率通常在音頻范圍但載波頻率通常為455KHz或者更高。在這種情況下，不使用行刺捕捉功能，就不能正確地采集信號(hào)，而使用了毛刺捕捉功能就可以看到類似模擬示波器所顯示的波形。圖30使用和不使用峰值檢測(cè)模式兩種情況下捕捉到AM調(diào)制信號(hào)波形示波器上的峰值檢測(cè)功能是通過硬件〔模擬〕峰值檢測(cè)器的方法或者快速采樣的方法來實(shí)現(xiàn)的，模擬峰值檢測(cè)器是一個(gè)專門的硬件電路，它以電容上電壓的形式存貯信號(hào)的峰值，這種缺點(diǎn)是速度比擬慢，它通常只能存貯寬度大于幾個(gè)微秒且具有相當(dāng)幅度的毛刺。

數(shù)字式峰值檢測(cè)器圍繞ADC而構(gòu)成，這時(shí)ADC將以可能的最高采樣速率連續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，然后將峰值存貯在一個(gè)專用的存儲(chǔ)器中，當(dāng)要顯示采樣點(diǎn)的值時(shí)，貯存的峰值就作為該時(shí)刻的采樣值來使用。數(shù)字式峰值檢測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是其速度和數(shù)字化過程的速度一樣快，本書中用作例如的示波器PM3394A就能夠在很低的時(shí)基速率設(shè)置下，如1秒/格，以正確的幅度采集到窄至5ns的毛刺。滾動(dòng)模式至此，我們已經(jīng)知道DSO能用和模擬示波器類似的方式顯示波形，從觸發(fā)事件開始，示波器采集信號(hào)的采樣點(diǎn)，并將其存于采集在儲(chǔ)器中的連續(xù)位置中。一旦新的數(shù)據(jù)已將存儲(chǔ)器的最后一個(gè)單元填滿以后，采集過程既告結(jié)束，示波器就將采集存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器中去在此時(shí)期示波器不再采集新的數(shù)據(jù)，就像模擬示波器在時(shí)基復(fù)位期間不能顯示波形掃跡一樣。

對(duì)于低頻應(yīng)用的場(chǎng)合，信號(hào)的變化周期可達(dá)分鐘量級(jí)而遠(yuǎn)不只是微秒的量級(jí)，這時(shí)DSO可以應(yīng)用于一種全連續(xù)的顯示方式：滾動(dòng)模式。而這種背后的極樣點(diǎn)顯示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形那么向左滾動(dòng)〔見圖31〕。老的采樣點(diǎn)一旦移動(dòng)到屏幕的左面即行消失。這樣一來示波器屏幕上顯示的波形總是反映出最新信號(hào)對(duì)時(shí)間變化的情況。圖31滾動(dòng)模式由于有了這種滾動(dòng)模式，我們就可以用示波器來代替圖表記錄儀來顯示慢變化的現(xiàn)象，諸如化學(xué)過程、電池的充放電周期或溫度對(duì)系統(tǒng)性能的影響等。波形存貯被測(cè)信號(hào)的波形形存入存儲(chǔ)器以后，可以將其復(fù)制到所謂的后備存儲(chǔ)器或存放器中，供以后進(jìn)行分析或作參考及比擬的目的使用，DSO中通常裝有多個(gè)這種存儲(chǔ)器可以按掃跡存儲(chǔ)器的方式設(shè)置，這時(shí)示波器多通道采集的每一條掃跡將分別存貯，也可將后務(wù)存儲(chǔ)器設(shè)置為記錄存儲(chǔ)器，這時(shí)示波器將多通道采集所有數(shù)據(jù)同時(shí)存貯了所有有關(guān)的時(shí)間信息。

示波器配備大量的后備存儲(chǔ)器對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)工作的工程師是很方便的。這時(shí)工程師可以把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間所有有關(guān)的波形都存貯下來，以便以后生成硬考貝，或?qū)⑦@些波形傳往計(jì)算機(jī)再作進(jìn)一步的分析。顯示算法，內(nèi)插和點(diǎn)連接我們?cè)贒SO屏幕上看到的波形是由存儲(chǔ)器中的采樣點(diǎn)重建出來的信號(hào)波形。這時(shí)示波器在屏幕上顯示出這些采樣點(diǎn)，并在這些采樣點(diǎn)之間畫出連線，這種波形顯示的工作可以按幾種方法來作，最簡(jiǎn)單的方法是在各個(gè)采樣點(diǎn)之間用直線連接，這種京都我為線性內(nèi)差，只要各采樣點(diǎn)之間告得很近，例如每格50個(gè)采樣點(diǎn)，用這種方法就能獲得足夠的重建波形，如果在信號(hào)跳變沿前后都采集了采樣點(diǎn)，那么用這種方法就可以觀察領(lǐng)事的沿，如果將顯示的波形在水平方向放大，使得采集的采樣點(diǎn)之間的距離變大，那么示波器屏幕上信號(hào)波形的亮度就會(huì)降低，所以，示波器是通過計(jì)算出內(nèi)插的或顯示的采樣值來保持屏幕上顯示的采樣點(diǎn)數(shù)足夠高，當(dāng)屏幕上的波形在水平方向放大得很大時(shí)，在屏幕上顯示出一條通過各采樣點(diǎn)的連續(xù)的曲線就比在采點(diǎn)之間用直線連接要好得多，為此可用使用正弦內(nèi)插法。采用這種方法時(shí)，在屏幕上將各個(gè)采集的采樣點(diǎn)用幅度和頻率均為可變的最正確正弦擬合曲線連接直來。采用了內(nèi)插的方法以后，既使當(dāng)屏幕上每格的采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)也能得到和模擬示波器顯示波形類似的自然平滑的重建波形。

采用平均的方法來提高分辨率平均的方法是把連續(xù)的各次波形采集的結(jié)果組合在一起，采用平均的方法可以減少疊加在信號(hào)上的噪音，經(jīng)過平均處理以后的波形的第一個(gè)采樣點(diǎn)都是由各次連續(xù)采集的波形上相同位置的采樣值通過平均運(yùn)算而獲得的。

由于噪音的本質(zhì)所決定，噪音對(duì)每次新的采集來說都是不同的，所以各次連續(xù)采集波形的采樣值就會(huì)略有不同，通過平均減少了這種差異，獲得了更加平滑的波形，但是并不影響帶寬，然而，當(dāng)使用平均的方法時(shí)，示波器要用更長(zhǎng)的時(shí)間才能響應(yīng)信息的變化。多數(shù)DSO的垂直分辨率為8比特。這就是說，采集的波形完全由256個(gè)不同的電壓