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示波器基礎（二）——數字存儲示波器之一
點擊次數：4634 發布時間：2011-2-18
第二章 數字示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO）
2.1 數字存儲
你可能還記得，*章中我們談到，普通模擬示波器CRT上的P31熒光物質的余輝時間小于1ms。在有些情況下，使用P7熒光物質的CRT能給出大約300ms的余輝時間。只要有信號照射熒光CRT就將不斷顯示信號波形。而當信號去掉以后使用P31材料的CET上掃跡迅速變暗，而使用P7材料的CRT上掃跡停留時間稍長一些。
那么，如果信號在一秒鐘內只有幾次，或者信號的周期為數秒至珍長，甚至于信號只發生一次，那又將會怎么樣呢？在這種情況下，使用我們上面介紹過的模擬示波器則幾乎乃至于*不能觀察這些信號。
因此我們需要找到在熒光物質上保持信事情軌跡的方法。為達到這一目的而采用的一種老式方法是使用一種稱為存儲示波管的特殊CRT。這種示波管的熒光物質后面裝有柵網，通過在柵網上充載電荷的方法存貯電子束的路徑。這種示波管價格很昂貴又比較脆弱，并且只能耐有限的時間內保持軌跡。
靈敏字存儲的方法克服了所有這些缺點，并且還帶來了很多附加的特色，下面列出部分特點。
- 可以顯示大量的預觸發信息。
- 可通通過使用光標和不使用光標的方法進行全自動的測量。
- 可以長期貯存波形。
- 可以在打印機或繪圖儀上制作硬考貝以供編制文件之用。
- 可以反新采集的波形和操作人員手工或示波器全自動采集的參考波形進行比較。
- 可以按通過/不通過的原則進行判斷。
- 波形信息可用數學進行處理。
何謂數字存儲
從字意上不難看出，所謂數字存儲就是在示波器中以數字編碼的形式來貯存信號。
當信號進入數字示波器，或稱DSO以后，在信號到達CRT的偏轉電路之前（圖18），示波器將按一定的時間間隔對信號電壓進行采樣。然后用一個模/數變換器（ADC）對這些瞬時值或采樣值進行變換從而生成代表每一個采樣電壓的二進制字。這個過程稱為數字化。
 | 獲得的二進制數值貯存在存儲器中。對輸入信號進行采樣的速度稱為彩樣速率。采樣速率由采樣時鐘控制。對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。 |
圖18數字存儲示波器的方框圖
存儲器中貯存的數據用來在示波器的屏幕上重建信號波形。
所以，在DSO中的輸入信號接頭和示波器CRT之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號的波形在CRT上獲得顯示之前先要存貯到存儲器中去我們在示波器屏幕上看到的波形總是由所采集到數據重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號的立即的、連接的波形顯示。
采樣和數字化
數字存儲分兩步來實現。*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。
 | 當開關S閉合時，輸入放大器A1，通過開關S對保持電容進行充放電，而當開關S斷開時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/數變換器（ADC），ADC則測量此采樣電壓值， |
圖19基本的采樣保持電路
并用數字的“字”的形式表示出來。
模/數字變換器圍繞一組比較器而構成，見圖20，每一個比較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則該比較器的輸出為有效；反之則輸出為無效。
 | 各個比較器的參考電壓彼此略有不同，這此參考電壓都是用一個電阻鏈從一個基準電壓源而得到的。對于某一采樣電壓值來說，若干個比較器輸出為有效，而其余的比較器輸出為無效，接著ADC中的編碼變換器就把該采樣電壓值變為一個“數字”，并將其送往數字存儲器。這種類型的ADC稱為閃其速式（flash）模/數字變換器。因為它能在“一閃”間把一個模擬輸入電壓變換為一個“數字”。除此之外，還可以使用其它類型的模/數變換器，。其模/數變換是由幾步動作來完成的，但是其缺點是完成一個采樣壓的變換所需時間較長。 |
圖20模數變換器基本電路
模/數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行比較來確定采樣電壓的幅度。構成ADC所用的比較器越多，其電阻鏈越長，ADC可以識別的電壓層次也趙多。這個特性稱為垂直分辨率，垂直分辨率越高，則示波器上的波形中可以看到的信號細節越小（見圖21）。
 | 垂直分辨率用比特來表示，垂直分辨率就是構成輸出的字的總比特數（即數字輸出字的長度大?。?。 這樣ADC可以識別并進行編碼的電壓層次數可以用下式來計算： |
圖21垂直分辨對顯示波形的影響
多數示波器使用比特的模/數變換器，所以能夠按2^8=256個不同的電壓層次來表示信號電平，這樣就能夠提供足夠的細節以便研究信號和進行測量，在這種垂直分辨率下，可以顯示的zui小分辯率號步進值大約和CRT屏幕上光點的直徑大小相同，代表采樣電壓值的一個ADC輸出字包含8個比特，并稱為一個字節。
在現實當中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本問題，在制造ADC時，輸出字每多增加一個比特，就需要將所用的比較器數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大一倍的芯片空間，并消耗多一倍的功率（這又將進一步影響周圍電路）結果，增加垂直分辨率又帶了價格的提高。
時基和水平的分辨率
在數字存儲示波器中，水平系統的作用是確保對輸入信號采集足夠數量的采樣值，并且每個采樣值取自正確的時刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉的速度取決于時基的設置（s/格）。
構成一個波形的組全部的采樣叫作一個記錄，用一個記錄可以重建一個或多個屏莫的波形，一個示波器可以貯存的采樣點數稱為記錄長度或采集長度，記錄長度用字節或千字節來表示，1千字節（1KB）等于1024個采樣點。
通常，示波器沿著水平軸顯示512采樣點，為了便于使用，這些采樣點以每格50個采樣點的水平分辨率來進行顯示，這就是說水平軸的長為512/50=10.24格。
據此，兩個采樣之間的時間間隔可按下式計算：
采樣間隔=時基設置（s/格）/采樣點數
若時基設置為1ms/格，且生格有50個采樣，則可以計算出采樣間隔為：采樣間隔=1ms/50=20us
采樣速率是采樣間隔的倒數：采樣速率=1/采樣間隔
通常示波器可以顯示的采樣點數是固定的，時基設置的改變是通過改變采樣速率來實現的，因此一臺特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時時設置之下才是有效的。在較低的時基設置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。
設有一臺示波器，其zui大采樣速率為100MS/s那么示波器實際使用這一采樣的速率的時基設置值應為時基設置值=50樣點*采樣間隔=50/采樣速率=50/（100*10^6=500ns/格
了解這一時基設置值是非常重要的，因為這個值是示波器采集非重復性信號時的zui快的時基設置，使用這個時基設置時示波器能給出其可能的的時間分辨率。
此時基設置值稱為“zui大單次掃描時基設置值”，在這個設置值之下示波器使用“zui大實進采樣速率”進行工作。這個采樣速率也就是在示波器的技術指標中所給出的采樣速率。
實用上升時間
在很多示波器應用場合，都要進行信叼開關我的測量，即測量上升時間和下降時間。
從*章我們已經知道，示波器的上升時間決定了該示波器能夠精密進行測量的zui快瞬變我對于模擬示波器來說，上升時間特性。對于模擬示波器來說，上升時間特性*取決于示波器的模擬電路。
如果DSO，則示波器可以采集到的zui快的瞬變特性不僅取決于其模擬電路，也取決于其時間分辨率。為了正確的進行上升時間的測量，必須在我們關心的信號邊緣上采集到足夠的細節信息，這就是說，在瞬變期間必須采集很多采樣點。這個上升時間稱為DSO的有用上升時間。并且其時間值是時基設置值的函數。
我們將在本書的練習部分（第六章）更詳細的討論上升時間測量的問題。
zui大捕捉頻率及香農（Shannon）采樣準則
當人們zui初探索將信號進行數字化的時候研究工作就已揭示，為了很好的恢復原來的信號，在進行信號數字化的時候就要求采樣時鐘的頻率至少應為信號本身所包含的zui高頻率的兩倍，這個要求通常稱為香農采樣定理。
然而，這項研究工作是針對通信應用領域而并非針對示波器為進行的，現在來看圖22。從圖中看出。當使用兩倍于信號頻率的采樣時鐘時。信號頻率確實可以恢復。使用恰當的波形重建裝置我們就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是問題睦的是這樣簡單嗎？
現在我們設想在進行波形的數字化時仍然使用相同的采樣時鐘，但是將采樣點選在和原來略為不同的時刻，不定在信號的峰值點，這樣一來，信號的幅度信息就會嚴重失誤，甚至可能*丟失，事實上。如果采樣點準確地取在信號地過零零碎碎點（見圖22下圖）那么由于所有的采樣取到的采值均為零零碎碎，我們將*觀測不到信號。
 | 示波器是用來研究信號的，為了很好的研究主事情不僅要求正確的表示信號頻率并且還要求準確地表示信號波形的幅度。從圖23可以看出，如果每個周期用三個采樣點對信號進行采樣。則再現的波形也會發生很大的失真。 |
 | 根據經驗通常認為每周期zui小要了十個采樣點才能給出足夠的信號細節。在有些情況下，對信號怕細節要求低一些，這時每周期取五個樣點可能就足以給出有關信號的特性（見圖24），這樣，對于一個zui在樣速率為200MS/s的示波器來產， |
圖23 以每周期約三個采樣點進行采樣的信號波形
能夠準確采集的zui大信號頻率即為20于40MHz。在這種情況下，還可以使用特殊的顯示系統來提高顯示波開有的保真度。其方法是通過各個采樣點畫出*擬合的正弦曲線。這種方法稱為正弦內插。
 | 假象（Aliasing）現象 我們已經知道，為了重建一個波形，至少需要一定數量的采樣點，而且在任何情況下采樣時鐘的頻率都必須比信號頻率高五至十倍。 |
圖24 以每周期五個采樣點進行采樣的信號波形
如果采樣時鐘頻率比信號頻率代，那么我們將會得到不可預料的結果。
讓我來看一下圖25所示的情況。如圖所示，我們從信號波形的不同周期連續獲到采樣點，然而。每一個新的采樣點的采集都發生在相對信號過零點的時間間隔略為長一點的時刻。如果我們現在來顯示這些采樣點并用它來重建信號波形，則顯示出的仍然是一個正弦波。但是這個正弦波的頻率和原來輸入信號的頻率*不同。這種現象稱為假象信號或者不正確頻率的幻影信號。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。
 | 多數現代示波器都調用有所謂自動設置功能，一旦輸入信號連好以后，示波器就能自動地造反適當的偏轉系數和時基設置值。這種自動設置功能也能幫助避免假象現象。 |
圖25假象信號正弦波
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信事情，這時可以用峰值檢測功能（見2.2節）來發現任何時刻信號的真正幅值。
為了獲得這種復雜信號的起初波形，建議使用組合示波器的模擬方式來觀察信號，歸要結底，模擬方式是不可能發生假象現象的。
實理采樣和等效時間采樣
到現在為止我們所介紹的波形數字化方法稱為實時采樣。這時所有的采樣點都是按照一個固定的次序來采集的。這個波形采樣的次序和采樣點在示波器屏幕上出現的次序是相同的。只要一個觸發事件就可以啟動全部的采集動作。
 | 在很多多應有和場合，實時采樣方式所提供的時間分辨率仍然不能滿足工作的要求，在這些應用場合中，要觀察的信號常常是重復性的，即相同的信號圖形按有規則的時間間隔重復地出現。 |
圖26 實時采樣
對于這些信號來說，示波器可以從若干連續的信號周期中采集到的多組采樣點來構成波形，*組新的采樣點都是由一個新的觸發事件來啟動采集的。這稱為等效時間采樣，在這種模式下，一個觸發事伯到來以后，示波器就采集信號波形的一部分，例如采集五個采樣點并將它們存入存儲器。另一個觸發事件則用來采集另外的五個采樣點，并將其存貯在同一存儲器的不同位置，如此進行下去經過若干次觸發事伯以后，存儲器內存貯的足夠的采樣點，就可以在屏幕上重建一個完整的波形，等效時間采樣使得示波器在高時基設置值之下給出很高的時間分離率，這樣一來，就好象示波器具有了比共實際要樣速率要高得多的一個虛擬采樣速率或稱等效時間。
等效時間采樣速率
等效時間采樣的方法采用從重復性信號的不同的周期取得采樣點來重建這個重復性信號的波形，這樣就提高了示波器的時間分辨率。
舉例來說，有一臺DSO的時基設置值為5ns/格，每格顯示50個采樣點，則可以求出等效時間采樣速率為：等效時間采樣速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s
等效時間采樣速率是在高進基設置之下表示示波器不平分辨率的一種間接的方法.它也表明假如使用實時采樣的方法要獲得相同的時間分辯集約所需要的采樣速率,等效時間采樣速率比現今能夠達到的實時采樣速率要高得多.
可以采用兩種不同的技術來實現等效時間采樣,即順序采樣和隨機采樣.
順序采樣
采用順序采樣時,采樣點的采集是按一個固定的次序進行的,即在屏幕以上左向右的進行采集.每到來一個新的觸發事件就采集一個采樣點.為了填滿一個完整的波形記錄,記錄中有多少個存儲位置就需要朋多少個觸發事件,（見圖27）.
 | 當*個觸發事件到來以后就立即采集*個采樣點,并將其存入存儲器.第二個觸發事件則用來超動一個定時系統.此定時系統將產生一個很小的時間延遲Δt,經過這個Δt的延遲時間以后，再采集第二個采樣點，在掃跡存儲器中的時間分辨率就等于這個小的延遲時間Δt，其值可能小于50微微秒。第三個觸發事件到來后，該定時系統則產生2Δt的延遲時間。此延遲時間過后再采集第三個采樣，并這樣進行下去。 |
圖27 順序采樣時顯示波形的構成情況
這就是說第n個新的采樣點的采集是在相對于類似的觸發事件延遲了（n-1）Δt的時間以后進行的。
其結果是示波器上顯示的波形是由按固定次序出現的采樣點而構成的。即*個采樣點在屏幕的zui左邊，接著各采樣點集資向右構成顯示波形。
在順序采樣模式下，采集波形的周期數，即觸發事件數等于存儲器器的記錄長度。順序采樣可以實現后觸發延遲功能，但是不能提供預觸發信息。在快速時基設置之下，填滿一個存儲器記錄所需的時間是很有限的。其速度比隨機采產要快得多。
隨機采樣
在使用隨機采樣的示波器中，*組采樣點是在隨機的時刻采集的，而與觸發事件無關，這些采樣點之間的時間隔為一已知的時間，由采樣時鐘來確定，當示波器在在等待觸發事件到來時，其內部就在連續的進行采樣并將結果貯存起來。當一個觸發事件到來時示波器內的一個定時系統就從這一時刻開始直到下一個采點時刻進行時間測量。由于采樣間隔是固定的，因此示波器就能夠從此測量的時間計算出所有采集的采樣點在存儲器中的位置（見圖28）。當*次采集的所有采樣點存貯完畢以后，就開始采集一組新的采樣點并等待新的觸發事件，新觸發事件到來以后，計時系統雙進行新的時間測量并計算出這些新的采產點位置。這些新的采樣點落在一次采集的采產點填充位置之間的未填充位置，用這種方法，波形掃跡就由在X軸上的隨機位置上出現的一組組采樣點所構成。
 | 在zui快的時基設置之下，使用隨機采樣的方法填滿一個完整的波形記錄所花的時間要比順序采樣的方法多很多，因為這時是用統計的方法來填充所有的存儲器位置。隨機采樣技術的在優點在于可以提供預觸發信息以及觸發后信息。 |
圖28 隨機采樣時掃跡的構成情況
電荷耦合器件
有些示波器采用電荷耦合器件，或稱CCD即一種模擬移位寄存器，來作模擬存儲介質。電荷耦合器件可以看成是一個由很多小單元組成的陣列，每個單元都可以貯存一宣的電荷，此電荷就代表隊號的采樣值，在時鐘信號的命令控制下，這些單元可以按一個固定方向一個接一個的傳遞電荷，就象救火隊員傳遞水桶一樣。
在高速時鐘控制下，CCD可以用來移位存入模擬信息，當所有的單元都填滿時，快速時鐘停止，然后用一個較慢的時鐘將CCD中的電荷信息移位取出送入一個標準的模/數變換器。這樣模/數變抽象器就可以以低得多的速度工作。而波形采集的速度僅僅取決于CCD輸入時鐘的速度。
如果讓采樣時鐘連續運行，而當觸發事件到來時讓時鐘停止，那么所有CCD的單元中存貯都是觸發時刻這前采集的信息，也就是說，整個CCD中填充的都是預觸發信息。這對于研究系統過程的起因是非常寶貴的。
單次捕捉應用
模擬示波器和DSO的主要區別在于DSO能夠存貯波形信息。這使得DSO在研究低重復速率的現象或者研究*不重復的現象即所謂單沖信號的工作中具有特別寶貴的價值。這種應用情況的例子包括諸如測量一個電系統的沖擊電流、破壞性試驗中只能進行一次測量，事實上，非重復性信號或單位信號在很多系統中都可以見到。雖然很多模擬示波器也常常有單次測量能力，即可以產生單次的進基掃描。但是DSO在采集波形細節方面則是的。在進行單次采集時，示波器首先誚進行觸發準備（armed for trigering）。通常用一個標有“單次”或者“單次復位”的傳門控制機構來提供此項功能。
顯示類型，光柵掃描與向量掃描
在本書*章的開頭，我們談到CRT是示波器的心臟。還談到在CRT中電子束的偏聽偏信轉是通過在兩個偏轉板之間施加電壓來實現的。這種偏轉方法稱為靜電偏轉。這時偏聽偏信轉系統可以從DC開始直到很寬的頻率范圍內使用。在模擬示波器中就采用了這種方法，在模擬示波器中輸入信號經過衰減或放大以后，連續地、直接地加到偏轉系統。因此，模擬示波器常常被認為是zui可信賴的的信號儀器；我們在CRT屏幕上所看到的波形就是被套測系統中實際發生的情況。
這時，電子束的偏轉是由輸入信號和時基來決定的。這兩者一起把電子束偏轉到屏幕上需要加亮的位置。這種類型的顯示稱為向量掃描顯示。
在DSO中，在顯示信號波形之前首先要采集波形并存入存儲器。在基本些DSO中使用了另一種類型的CRT，即和PC監視器及電視機所使用的相類侯CRT。在這些CRT中電子束得由安裝在CRT外面的線圈產生的磁場來偏轉的。這種偏轉方法稱為磁偏轉，它只能在一個很有限的偏轉頻率范圍內使用，所以為種顯示管采用和TV屏幕*相同的方法來驅動：即在屏幕上以固定的頻率從左到右一行緊挨一行的車出掃描線。掃守完整的一屏（一個全場）可能需要500行或者更多的行。DSO計算出屏幕上的哪些點需要加亮，當掃描系統掃到屏幕上的這種點時，就使電子束加亮。這種顯示方式只能用于DSO，而不能用在模擬示波器中。這時我們在屏幕上看到的并不是輸入信號本身的波形，而是使用早些時刻采集的表示輸入信號的數據在屏幕上重建的波形。
近年來使用液晶顯示（LCD）的DSO已經問世，這種顯示器需要的功率比CRT要小，困此用在便攜式示波器上極為理想。下面在Fluke公司的示波表（ScopeMeter）中我們會看到很好的應用實例。由于LCD顯示器功耗很低，所以一組小型的電池就可以供儀器工作幾個小時。