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电子发烧友论坛|
一、什么叫数字存储
所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来储存信号。它有以下特点：
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10个回答
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二、数字存储示波器的原理
数字存储示波器是用数字电路来完成存储功能的，因此称“Digital storage oscilloscope”简称DSO。在DSO中在输入信号接头和示波器CRT之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在CRT上获得之前先要存储到存储器中去。它用A/D变换器将模拟波形转换成数字信号，然后存储在存储器RAM中，需要时再将RAM中存储的内容调出，通过相应的D/A变换器，再将数字信号恢复为模拟量，显示在示波管的屏幕上。在数字存储示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的，其性能指标完全取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器RAM。我们在示波器的屏幕上看到的波形总是有所采集到的数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连续的波形显示。 三、采样和数字化 实现数字存储首先要获取输入电压的采样值。这是通过采样及保持电路来完成的。采样值送往模/数变换器（ADC）， ADC测量此采样电压值，并用数字的“字”的形式表示出来。这个过程称为数字化。 模/数变换器（ADC）围绕一组比较器而构成，每个比较器都检查输入采样电压是高于或低于其参考电压。如果高于参考电压，则该比较器输出为有效，反之为无效。各比较器的参考电压彼此略有不同。这些参考电压都是用一个电阻链从一个基准源而得来的。对于某一个采样电压值来说，若干个比较器输出为有效，其余的比较器输出为无效。接着ADC中的编码变换器就把该采样电压值变为一个“数字”，并将其送往数字存储器。这种类形的ADC称为闪速式(flash) 模/数变换器,因为它能在“一闪”间把一个模拟输入电压变换为一个“数字”。除此之外还可以使用其它的模/数变换器，其模/数变换器是有几部动作来完成的。但是其缺点是完成一个采样的变换所需时间较长。 1、模/数变换器垂直分辨率 ADC通过把采样电压和许多参考电压进行比较来确定采样电压的幅度。构成ADC所用的比较器越多，其电阻链越长，ADC可以识别的电压层次也越多。这个特性称为垂直分辩率。垂直分辩率越高，则示波器上的波形中可以看到的信号细节越小。垂直分辩率用比特来表示。垂直分辩率就是构成输出的字的总比特数（即数字输出字的长度大小）。这样ADC可以识别并进行编码的电压层次数可以用下式来计算：层次数=2比特数。多数示波器使用8比特的模/数变换器。所以能够按28=256个不同的电压层次来表示信号电平。这样就能够提供足够的细节以便严究信号和进行测量。在这种垂直分辩率下，可以显示的最小信号步进值大约和CRT屏幕上的光点的直径大小相同。代表采样电压值的一个ADC输出字包含8个比特，并称为一个字节。 在现实当中，增加垂直分辩率的限制因素之一是成本问题。在制造ADC时，输出字每多增加一个比特，就需要将所用的比较器数增加一倍并使用更大的编码变换器。这样一来就使得ADC电路在电路板上占据大一倍的芯片空间，并消耗多一倍的功率，这又将进一步影响周围电路。结果增加垂直分辩率又带来了价格的提升。 2、时基和水平的分辨率 在数字存储示波器中，水平系统作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个采样值取自正确的时刻。和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置。 构成一个波形的一组全部的采样叫做一个记录。用一个记录可以重建一个或多个屏幕的波形。一个示波器可以储存的采样点数称为记录长度或采集长度。记录长度用字节或千字节来表示。1千字节（1KB）等于1024个采样点。通常示波器沿着水平轴显示512采样点。为了便于使用，这些采样点以每格50个采样点的水平分辨率来进行显示。这就是说水平轴的长为512/50=10。24格。据此，两个采样之间的时间间隔可按下式计算： |
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采样间隔=时基设置（S/格）/采样点数
通常示波器可以显示的采样点数是固定的。时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的。因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时基设置之下才是有效的。了解时基设置值非常重要，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置值。使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。此时，时基设置值称为“最大单次时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实时采样速率”进行工作。这个采样速率也就是在示波器技术指标中所给出的采样速率。在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。 3、实用上升时间 在很多示波器应用场合，都要进行信号开关特性的测量，即测量上升时间和下降时间。示波器的上升时间决定了该示波器能够精密进行测量的最快瞬变特性。对于模拟示波器来说上升时间特性完全取决于示波器的模拟电路。如果使用DSO，则示波器可以采集到的最快的瞬变特性不仅取决于模拟电路，也取决于其时间分辨率。为了正确的进行上升时间的测量，必须在我们关心的信号边缘上采集到足够的细节信息。这就是说在该瞬变期间必须采集很多采样点。这个上升时间称为DSO的有用上升时间。并且其时间值是时基设置制的函数。 4、香农(shannon)采样定律 当人们最初探索将信号进行数字化的时候，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。这就是香农(shannon)采样定律。然而香农(shannon)采样定律研究时是针对通信应用领域而并非针对示波器来进行的。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。使用恰当的波形重建装置，我们就可以得到和原始波形十分相像的波形。但问题不是这样简单，如果在进行波形数字化时仍然使用相同的采样时钟，但是将采样点选在和原来略为不同的时刻，不一定在信号的峰值点。这样一来，信号的幅度就会严重失误，甚至可能完全丢失。事实上，如果采样点准确地取在信号的过零点，那么由于所有的采样取到的值均为零，我们将完全观测不到信号。示波器是用来研究信号的，为了很好的研究信号不仅要求正确的表示信号的频率，还要求准确的表示信号的幅度。如果每个周期用三个采样点对信号进行采样，则再现的波形也会发生很大的失真。 根据经验，通常认为每周期最小要取十个采样点才能给出足够的信号细节。在有些情况下，对信号的细节要求低些，这时每周期取五个采样点可能就足以给出有关信号的特性。这样对于一个最大采样速率为200MS/S的示波器来说，能够准确采集的最大信号频率即为20-40MHZ。在这种情况下，还可以使用特殊的显示系统来提高显示波形的保真度。其方法是通过各个采样点画出最佳拟合的正弦曲线。这种方法称为正弦内插。 |
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5、假象(aliasing)现象
为了重建一个波形，至少需要一定数量的采样点。而且在任何情况下采样时钟的频率都必须比信号频率高5—10倍。如果采样时钟的频率比信号频率低，那我们将会得到不可预料的结果。从信号波形的不同周期连续获取采样点时，假如每一新的采样点的采集都发生在相对于信号过零点的时间间隔略为长一点的时刻，如果我们用这些采样点来重建信号波形，则显示出来的仍然是一个正弦波。但是这个正弦波的频率和原来的输入信号的频率会完全不同。这种现象称为假象信号或者不正确频率的幻影信号。它有可能表示出正确的波形形状，而且往往还具有正确的波形幅度。 现在一般数字示波器都有自动设置功能，一旦输入形号连好以后，示波器就能自动的选择适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功能能帮助避免假象现象。 在有些情况下，信号的频率变化的非常快，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信号。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。为了获得这种复杂信号的真实波形，建议使用组合示波器的模拟方式来观察信号，模拟方式是不可能发生假象的。 6、实时采样和等效时间采样 实时采样时所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的。这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作。在很多应用场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要求。在这些应用场合中，要观察的信号往往是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重复的出现。对于这些信号来说，示波器可以从若干连续的信号周期中采集到的多组采样点来构成波形。每一组新的采样点都是由一个新的触发事件来起动采集的。这称为等效时间采样。在这种模式下，一个触发事件到来以后，示波器就采集信号波形的一部分，例如采集五个采样点并将它们存入存储器。另一个触发事件则用来采集另外五个采样点，并将其存储在同一存储器的不同位置，如此进行下去。经过若干次触发事件后，存储器内存储了足够的采样点，就可以在屏幕上重建一个完整的波形。等效时间采样使得示波器在高时基设置值之下给出很高的时间分辨率。这样一来，就好象示波器具有了比其实际采样速率要高得多的一个虚拟采样速率或称等效时间采样速率。 等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的波形，这就提高了示波器的时间分辨率。等效时间采样速率是在高时基设置值之下表示示波器水平分辨率的一种间接方法。它也表明假如使用实时采样的方法要获得相同的时间分辨率所需要的采样速率。等效时间采样速率比现今能够达到的实时采样速率要高的多。 可以采用两种不同的技术来实现等效时间采样，即顺序采样和随机采样。 6．1顺序采样 采用顺序采样时，采样点的采集是按一个固定次序进行的，即在屏幕以上从左向右采集。每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。为了填满一个完整的波形记录，记录中有多少个存储位置就需要有多少个触发事件。 当第一个触发事件到来以后就立即采集第一个采样点，并将其存入存储器。第二个触发事件则用来起动一个定时系统。此定时系统将产生一个很小的时间延迟，经过这个延迟时间以后，在采集第二个采样点。在扫迹存储器中的时间分辨率就等于这个小的延迟时间△T。第三个触发事件到来后该定时系统产生2△T的延迟时间，此延迟时间过后再采集第三个采样，并这样进行下去。这就是说第n个新的采样点的采集是在相对于类似的触发事件延迟了（n-1）△T的时间以后进行的。其结果是示波器上显示的波形是由按固定次叙出现的采样点构成的。即第一个采样点在屏幕的最左边，按着各采样点依次向右构成显示波形。 在顺序采样模式下，采集波形的周期数，即触发事件数等于存储器的记录长度。顺序采样可以实现后触发延迟功能，但是不能提供预触发信息。在快速时基设置之下，填满一个存储器记录所需时间是很有限的。其速度要比随机采样要快得多。 6、2随机采样 在使用随机采样的示波器中，每一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关。这些采样点之间的时间间隔为一已知时间，由采样时钟来确定。当示波器在等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采样并将结果储存起来。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刻开始直到下一个采样点时刻进行测量。由于采样间隔是固定的，因此示波器就能够从此测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置。 当第一次采集的所有采样点存储完毕以后，就开始采集一组新的采样点并等待新的触发事件。新触发事件到来以后，计时系统又进行新的时间测量并计算出这些新的采样点的位置。这些新的采样点落在上一次采集的采样点填充位置之间的未填充位置。用这种方法，波形扫迹就由在X轴上的随机位置上出现的一组组的采样点构成。在最快的时基设置之下，使用随机采样的方法填满一个完整的波形记录所花的时间要比顺序采样的方法多很多，因为这时是用统计的方法来填充所有的存储器位置。随机采样技术的优点在于可以提供预触发信息以及触发后信息。 |
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7、电荷耦合器件
有些示波器采用电荷耦合器件，CCD即一种模拟移位寄存器，来作模拟存储介质。电荷耦合器件可以看成是一个由很多小单元组成的阵列，每个单元都可以储存一定量的电荷。此电荷就代表了信号的采样值。在时钟信号的命令控制下，这些单元可以按一个固定的方向一个接一个的传递电荷。 在高速时钟控制下，CCD可以用来移位存入模拟信息。当所有的单元都填满时，快速时钟停止。然后用一个较慢的时钟将CCD中的电荷信息移位取出送入一个标准的模/数转换器。这样，模/数转换器就可以以低得多的速度工作。而波形采集的速度仅仅取决于CCD输入时钟的速度。 如果让采样时钟连续运行，而当触发事件到来时让时钟停止，那么所有CCD的单元中寸储的都是触发时刻之前采集的信息。即整个CCD中填充的都是预触发信息。这对于研究系统过程的起因是非常宝贵的。 |
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四、显示类型、光栅扫描与相量扫描
CRT是示波器的心脏，在CRT中电子束的偏转是通过两个偏转板之间施加电压来实现的。这种方法称为静电偏转。这种偏转系统可以从DC开始直到很宽的频率范围内使用。在模拟示波器中采用了这种方法。在模拟示波器中输入信号经过衰减或放大以后，连续的直接的加到偏转系统。因此模拟示波器常常被认为是最可信赖的信号仪器。我们在CRT频幕上所看到的波形就是被测系统中实际发生的情况。这时电子束的偏转是由输入信号和时基来决定的。这两者一起把电子束偏转到屏幕上需要加亮的位置。这种类型的显示称为相量扫描显示。 在DSO中，在显示信号波形之前首先要采集波形并存入存储器。在某些DSO中使用了另一种类型的CRT即和PC监视器和电视机所使用的相类似的CRT。在这些CRT中电子束是由安装在CRT外面的线圈产生的磁场来偏转的，这种方法称为磁偏转，它只能在一个有限的偏转频率范围内使用。所以这种显示管采用和TV屏幕完全相同的方法来驱动：即在屏幕上以固定的频率从左到右一行挨一行的画出扫描线。扫完完整的一屏（一个全场）可能需要500行或更多的行。DSO计算出屏幕上的哪些点需要加亮，当扫描系统扫到屏幕上的这种点时，就使电子束加亮。这种类型的显示称为光栅扫描显示，它只能用于DSO，而不能用在模拟示波器中。这时我们在屏幕上看到并不是输入信号本身的波形，而是使用早些时刻采集的表示输入信号的数据在屏幕上重建的波形。 近年来使用液晶显示器（LCD）的DSO已经问世。这种显示器需要的功率要比CRT小，功耗很低，一组小型的电池就可以供仪器工作几个小时。因此在便携式示波器上极为理想。 |
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五、DSO的控制机构
DSO有许多新的特性，这就使得DSO有许多模拟示波器没有的控制机构。 1、预触发和后触发 每一次时基扫描都是由一个触发事件启动的。这样一来我们就只能研究观察触发时刻以后的信号变化情况。在很多应用场合，我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位后面，而是在触发以后一段时间，或者甚至可能在触发之前。 例如当一个半导体器件被打开时，其输出信号的幅度可能很大，我们可以用它来触发示波器。但是如果我们要研究该半导体器件开始导通的很小的输入信号时，我们就会发现，这个信号太小因而不能准确的触发示波器。这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：即有一个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器，而示波器显示触发时刻之前的信号的能力。这就使得示波器能用多通道的波形详细的显示出一个系统的输入和输出信号，年个而看出系统响应的因果关系。 在另一些情况下，你可能想要详细的研究触发事件以后一段时间发生的信号有关部分。例如要研究一个方波的抖动的大小，就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。这时可以用方波的一个沿来触发示波器，而把时基设置成很高的速度以显示抖动。其作法是：在示波器探测到触发事件时，启动一个后触发延迟计数器。将此计数器的计数时间设置成大约等于一个信号周期的时间。当此预先设计的定时时间结束以后，示波器就开始从方波的下一个上升沿即将开始的时刻采集。 由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟，它与被测信号无关，独立工作，所以被测方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。也就是说在各次采集过程中，方波的上升沿将会在相对于触发事件的不同时刻（即屏幕上的不同位置）出现。 2、触发位置 具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小。这可以用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以使得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。在有些示波器中，触发位置只能设置为几个预先规定的数值，例如在采集信号记录的开头、中间和结尾。但如示波器具有很宽的出发位置控制范围，使用起来会是很方便的。 3、毛刺捕捉 由于电路的干扰或者由于连线离被测系统过近等因素就可能会产生带有快速的毛刺或尖峰的失真波形，这些毛刺常会引起系统发生误动作。这就需要我们来发现这些毛刺。 如果用模拟示波器来观察，只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号同步时，我们才能看到毛刺信号。或者如果运气好，出现了很多的毛刺，就可能会在主信号的周围看到毛刺的朦胧形象。由于毛刺源于其它的电路系统，所以这些毛刺通常只是偶尔发生，并且和主信号不同步。使用DSO捕捉毛刺首先必须确保示波器已准备好去捕捉这些快速毛刺。DSO在特定时刻对输入信号进行采样，采样点之间的时间间隔取决于时间设置。如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，能否捕捉到毛刺就要看运气如何了。为了能够捕捉到毛刺我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉。 采用峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续的进行监测，并由正、负峰值检测器将信号的峰值幅度暂时的储存起来。当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正、负峰值代替了原来的采样点的数值。因此，峰值检测的方法能帮助我们发现由于使用的采样率过低而丢失的信号或者由于假象现象而引起失真的信号。峰值检测的方法对于捕捉调制信号，也很有用。为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置的和调制信号的频率相配合。而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为455KHZ或者更高。在这种情况下，不使用毛刺捕捉功能，就不能正确的采集信号，而使用了毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。 示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的。（模拟）峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存储信号的峰值。这种方法的缺点是速度比较慢，它通常只能存储宽度大于几个微秒且有相当幅度的毛刺。数字峰值检测器围绕ADC而构成，这时ADC将以可能的最高采样率连续对信号进行采样。然后将峰值存储在一个专用的存储器中。当要显示采样点的值时，储存的峰值就作为该时刻的采样值来使用。数字峰值检测器的优点是其速度和数字化的过程的速度一样快。 4、滚动模式 从触发事件开始，示波器采集信号的采样点，并将其存于采集存储器中的连续位置。一单新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后，采集过程即告结束，示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去。在此期间示波器不再采集新的数据，就象模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一样。 对于低频应用的场合，信号的周期可达分钟的量级而远不只是微秒级的量级，这时DSO可以应用一种全连续的显示方式：滚动模式。在这种模式下，示波器采集采样点并立即将采集的数据复制到显示存储器。而这些新的采样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动。老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。这样一来示波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。 由于有了这种滚动模式，就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象。诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。 5、显示放大 在模拟示波器中，可以将时基放大10倍，以便详细观察信号的细节。在DSO中显示的波形可以按大小不同的步进值放大。通常时基放大按2的幂次倍数放大。一旦波形已经采集并存入存储器，例如单次波形采集的情况，使用垂直放大功能代替提高垂直灵敏度来放大波形也是很方便的。 |
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六、特殊的触发方式
DSO的存储功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件或者系统闭锁等情况的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件。为了实现这一目的，只有边缘触发往往是不够的，为此就需要有若干附加的触发能力的特殊的触发方式。 1、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。 2、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这个时钟系统的指令之下来存储其输入信号。当使用状态触发时，输入信号的处理方法和图形触发时一样，只不过现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储的其余的线的输入字和用户规定的触发字一致，则示波器就触发。 3、毛刺触发 使用毛刺触发时，能引起系统误动作的窄脉冲，如毛刺、尖峰等可引起示波器触发。如果一个系统是设计在DC到某一频率信号下工作的，那么由于线路走线可能会使系统引入比此范围更高的频率信号，例如来自其它线路的干扰或吸收大功率的瞬变信号等。可以把示波器设置为当被测脉冲的宽度小于允许的最高频率信号之周期的一半时触发。因为我们可以认为，在正常工作的情况下，这样的窄脉冲是不可能发生的。 毛刺触发的另一个应用场合是逻辑硬件，这时硬件电路的逻辑状态都是和系统时钟同步变化的。结果，这种硬件电路中的脉冲宽度都应为系统时钟周期的整倍数。在这种系统中，故障的发生常常和脉冲宽度异常有关。为了探测故障，我们现在可以把示波器的触发条件设置为在脉冲宽度小于一个时钟周期时触发。 4、时间限定触发 这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下，可以按上述任何一种方式触发。这种时间长度要求可以是要求某一最小时间长度（如果时间长于某值则为有效），要求某一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。时间限定触发对于按照系统不能满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时是非常有用的。还可以用这种触发方式探测连续工作信号发生的中断现象。 5、时间延迟 这种触发方式可以使示波器按照多个信号的情况来触发，而其中的一个信号，用来延迟采集的起始点。触发周期是由一个主信号，通常为多个信号通到之一启动的。接收到主触发信号以后，示波器就开始检查第二个信号（这也可能还是那个主触发信号，但取不同的电平），并对这个信号上的触发事件进行计数。当达到预先规定的触发事件数时，示波器就开始采集波形。典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。 6、N次周期 这种功能可以用来从输入信号中选出每个第N次出现的波形，然后将这种选出的信号加到正常触发系统来使示波器触发。当一个信号受到它的谐波的影响而失真，也就是说这个信号是周期性的但其各个周期并不完全相同。这种情况下， N次周期触发方式特别有用。例如某一系统按一固定频率运行，但是每过12个脉冲，脉冲的宽度就变得宽一些。这时可以选择“N周器=12”，这样示波器就只对这些变宽的脉冲作出响应，引起触发。 |
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七、波形存储
被测信号的波形存入存储器以后，可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中，供以后进行分析或作参考及比较的目的使用。DSO通常装有多个这种存储器。后备存储器可以按扫迹存储器的方式设置，这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存储。也可将后备存储器设置为记录存储器，这时示波器将多通道采集的所有数据同时存储下来。第二种方法的好处是同时保存了所有有关的时间信息。 示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是很方便的。这时，工程师可以把现场测量期间所有有关的波形都存储下来以便以后生成硬考贝、或将这些波形传往计算机再作进一步的分析。 八、显示算法、内插和点连接及窗口模式 我们在DSO屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。这时示波器在屏幕上显示出这些采样点，并在这些采样点之间画出连线。这种波形显示的工作可以按几种方法来作。最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接。这种方法称为线性内插。只要各采样点之间靠得很近，例如每格50个采样点，用这种方法就能够获得足够的重建波形。如果在信号跳变沿前后都采集了采样点，那么用这种方法就可以观察信号的沿。如果将显示的波形在水平方向放大，使得采集的采样点之间的距离变大，那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低。所以示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高。当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时，在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采样点之间用直线连接要好得多。为此可以使用正弦内插法。采用这种方法时，在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率俱为可变的最佳正弦拟合曲线连接起来。采用了内插的方法以后，即使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。 为了观察真正的采样点，示波器通常设有点显示方式。在此方式下，不使用任何内插法。选择这种方式以后，我们在屏幕上只能看到用离散亮点表示的采样点，而在这些点之间没有任何连线。 当我们进行信号比较时，例如将一新采集的波形和以前存储的信号波形比较时，把这两个波形扫迹显示在示波器屏幕的不同区域会是很有用处的。为此示波器又设有窗口模式。这个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。由于减小了垂直幅度，因此在窗口模式下，DSO还可以使用其模拟前端的全部动态范围。这样，在减少了显示幅度的情况下，还能获得优化的测量准确度。 |
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九、、自动测量和处理
1、自动测量 示波器用来显示信号的波形，并对诸如：峰---峰值幅度、RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量。对于任何波形来说，这些波形参数都可以使用大家熟知的数学方法来测量计算。 在使用模拟示波器的时候，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析，在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔，再用数学定义算出测量结果。对于基本的波形来说，这种方法只能获得中等的准确度，但方法是可行的。而对于更加复杂的波形来说，使用这种方法要困难的多，并且可能要进行某些推测。 当使用DSO时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确、可靠的结果，整个过程极为迅速、简便。 多数DSO都能对一个或多个通道上的输入信号同时进行两个或多个参数的测量。因此可以用来进行信号间的比较，例如比较一个放大器或衰减器的输入和输出信号。另外，如果示波器对存储的波形和新采集的波信都能进行参数测量，那将会是非常方便的。这就使我们能对实际信号的性能和标准信号的性能进行比较。也使我们可以观察时间对信号的响应或者对系统修改后的变化影响。 示波器上最完全的参数测量功能还应包括用统计形式给出测量结果。这就是说，在一个较长的波形采集期间中的任何时刻，示波器应给出某一特定测量参数的最小值、最大值和平均值。使用这一功能我们可以发现一个系统性能变化的趋势而无需连续监视示波器屏幕显示的内容。 任何示波器的参数测量都是通过对采集的数据进行分析来进行的。所以，参数测量的结果都源于在示波器的存储器中存储的采集到的波形。这就意味着，示波器的设置情况对参数测量的结果会有影响。例如，如果示波器的时基速度设置的比较慢，比如说设置为1ms/格，而要对一个估计为50ns—100ns的上升沿进行上升时间的测量，那么由于采集过程中时间分辨率的限制，我们就无法测出正确的结果。为了进行这项参数测量，我们应当把示波器的时基设置的足够快，例如设置为50ns/格以便以足够细的时间分辨率显示出被测波形的上升沿。 2、数字处理 示波器所采集的波形数据中包含了非常丰富的信息。用来显示这些数据的一种非常有用的形式就是波形显示，即用垂直坐标轴表示电压，用水平坐标轴表示时间。这就是Y—t显示方式。另一种显示波形数据的方法是用两个通道的波形数据来画图。这时对显示的每一个数据点来说，其水平位置代表一个通道的数据值，而其垂直位置则表示另一个通道的数据值。这种显示模式称X—Y模式。用这种模式，用户可以观察频率相关联的两个信号之间的相位或时间关系。X—Y模式对于测试相移器和滤波器极为有用，还可以和运动传感器配合使用来检查运动系统的振动情况。和输出信号器蚕 在X—Y模式下，DSO比模拟示波器优越的地方在于这时DSO的带宽为示波器的全部采基带宽，而在X---Y模式下模拟示波器只能用于有限的带宽。而另一方面，在X---Y模式下DSO显示的是在某一单个记录中所包含的采样点数据。这些数据只能表示在一个有限的时间期间（该记录的时间长度）的波形。而在在X---Y模式下模拟示波器给出的是一个连续的活的显示图形。此外还有很多其它的方法用来从波形数据中提取宝贵的信息，或者对数据进行运算以便用更加有用的格式来表示数据中所包含的信息。这种运算通常称为波形的数学运算 2．1采用平均的方法来提高分辨率 平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起，采用平均的方法可以减少叠加在信号上的噪音。经过平均处理以后的波形的每一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置的采样值通过平均运算而获得的。由于噪音的本质所决定，噪音对每次新的采集来说都是不同的，所以各次连续采集波形的采样值就会略有不同。通过平均减少了这种差别，更加平滑的波形，但是并不影响带宽。然而当使用平均的方法时，示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。 多数DSO的垂直分辨率为8比特。这就是说，采集的波形完全由256个不同的电压电平来表示。通过对各次连续采集的波形进行平均可以提高分辨率。进行平均计算时所用的连续采集波形数越多，垂直分辨率就越高。每当所用的连续采集波形数增加一倍时，垂直分辨率就增加一个比特。 2．2包络模式 当被测信号随着时间变化时，例如要观察信号的幅度变化或者抖动现象时，观测在多次采集过程中波形的总体特性往往比观测一次瞬时波形更有用。当打开包络模式以后，示波器在各次连续采集过程中对波形记录中的每个采样点位置的最小值和最大值都存储下来，并以此构成波形显示。这样获得的显示波形表现了信号长期变化的积累效果。使得我们可以进行长时期的抖动测量或者长时期的幅度变化测量。 2．3数字滤波 对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以减小波形带宽的处理过程。“滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果。 数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波形记录中与该点相临的若干采样点进行平均来实现的。这样作的结果减小了信号中的噪音，但同时也减小了带宽。与平均方法不同，数字滤波减小带宽的目的是为了减小噪音。数字滤波也可用于单次信号的情况，而平均的方法却要求对重复性信号进行多次波形采集。 2．4波形比较，样板测试 示波器中存储的波形可以和新采集的波形同时进行显示。例如，我们可以把一个已知好的设备的波形特性和有故障的设备的波形特性进行比较。在很多情况下，进行这种信号比较的目的在于检查该系统的性能是否符合其技术指标。使用具有“通过/不通过”测试能力的示波器我们可以非常容易的、全自动的进行这种信号比较工作。首先我们把标准信号及其允许的极限范围存储在示波器的寄存器中。这些存储的信息称为样板。接着示波器就从被测系统采集信号，并将每个新采集的信号和该样板进行比较。如果采集的信号在样板的范围之内，则示波器指示“通过”。反之，则示波器指示“不通过”。 2．5快速付里叶变换（FFT） 快速付里叶变换（FFT）是一种数学运算方法。它从被测信号中提取信号所包含的各个频率分量的幅度显示出来。FFT对于发现信号失真的大小，确认复杂波形中包含的频率成份或者寻找系统间的相互干扰等工作是非常有用的。 2．6波形相乘 此功能最重要的应用是测量电功率，因为电功率的定义就是电流和电压的数学乘积。为了进行功率测量，示波器就要同时采集电压和电流的波形，并将二者相乘。相乘后获得的波形则表示随时间变化的瞬时功率值。这种功率测量工作对于测试电源功率放大器以及稳压器等都是非常重要的。因为这些场合电流都比较大，而这些部件承受的功率大小都是很关键的指标。 2．7积分 积分可以给出一条曲线下的面积，使我们能够观察信号随着时间积累的总体效果。 2．8微分 微分表示的是信号变化的速率。 |
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十、PC机接口
在很多情况下，我们需要把示波器中的信号传往PC机。而在另一些情况下，我们可能希望用PC机来对示波器进行控制，这两种情况下都要求示波器具有通讯能力。也就是说，示波器必须装有通迅硬件及其支持软件。此通讯软硬件称为“接口”。常用的接口有两种。即RS—232接口和GPIB通用接口总线IEEE488总线。 RS—232接口是一种串行接口。这种接口在PC机上一般用来通过调制解调器进行通讯，还用来连接鼠标器、打印机等设备。连接到PC机上的每个设备都需要单独占用PC机上的一个RS—232接口。也就是说在一台PC机上只能连接有限个设备，常常只能连接一个。很多软件包都使用串行通讯方式，因为这种通讯方式要求对PC机的改动最小，并且可以使用比较简单的电缆。所以在示波器上配备这种软件比较容易。 GPIB通用接口总线是一种为在仪器系统中使用而设计的并行总线。这种总线允许多台仪器同时连至同一总线。这种总线还允许各台仪器在测试协议之下随时请求控制器给予注意。 |
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