深入了解示波器.pdf

深入了解示波器目录引言 5信号完整性 6信号完整性的意义6为什么要考虑信号完整性问题?6考虑数字信号的模拟特性 7示波器 7理解波形和波形的测量 8信号的类型 8正弦波 9方波和矩形波 9锯齿波和三角波 9阶跃波和脉冲波 9周期信号和非周期信号10同步信号和异步信号10复杂波形10波形测量10频率和周期11电压11幅度11相位11利用数字示波器对波形进行测量11示波器的类型12模拟示波器13数字示波器13数字存储示波器14数字荧光示波器15数字采样示波器17示波器的各个系统和控制17垂直系统和控制17位置和每刻度电压18输入耦合18带宽限制19交替和断续显示模式19水平系统和控制19深入了解示波器初级捕获控制20捕获模式20捕获系统的启动和终止21采样21采样控制22采样方式22实时采样22实时采样加内插等时采样23随机等时采样顺序等时采样位置和秒/格24时基选择24缩放24XY模式24Z轴 25XYZ模式25触发系统和控制25触发位置26触发电平和斜率26触发源27触发模式27触发耦合28触发抑制28显示系统和控制28其他示波器控制29数学和测量操作29完整的测量系统29探头29无源探头30有源和差分探头30探头附件31性能术语和应用31带宽31上升时间 1采样速率33波形捕获速率33记录长度34触发能力34有效比特34频率响应34垂直灵敏度35扫描速度35增益精度35水平准确度（时间基准）35垂直分辨率（模数转换器）35互连性 35可扩展性36易用性 36探头37示波器的操作37设置37将示波器接地37将自己接地37设置控制方式37使用探头38连接地线夹子38校正探头39示波器测量技术39电压测量39时间和频率测量40脉冲宽度和上升时间测量40相移测量41其他测量技术41书面作业41Part I42词汇练习将右列中的定义所对应的字母填到左列中与其相符的词前面。42Part I42应用练习：42Part II 43词汇练习将右列中的定义所对应的字母填到左列中与其相符的词前面。44Part II 44应用练习:44答案46词汇表47深入了解示波器初级2 深入了解示波器初级引言自然界运行着各种形式的正弦波，比如海浪、地震、声波、爆破、空气中传播的声音，或者身体运转的自然节律。物理世界里，能量、振动粒子和不可见的力无处不在。即使是光（波粒二象物质）也有自己的基频，并因为基频的不同呈现出不同的颜色。通过传感器，这些力可以转变为电信号，以便通过示波器能够进行观察和研究。有了示波器，科学家、工程师、技术人员、教育工作者和他人能够“观察”随时间变化的事件。示波器是任何设计、制造或是维修电子设备的必备之物。当今世界瞬时万变，工程师们需要最好的工具，快速而精确地解决测量疑难。在工程师看来，面对当今各种测量挑战，示波器自然是满足要求的关键工具。示波器的用途不仅仅局限于电子领域。示波器利用信号变换器，适用于各种各样的物理现象。信号变换器能够响应各种物理激励源，使之转变为电信号，包括声音、机械应力、压力、光、热。麦克风属于信号变换器，它实现把声音转变为电信号。由示波器收集科学数据的例子如图1所示。从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器的用途是没有止境的。本读本提供的概念将引导读者逐步理解示波器的基础知识和操作方式。本读本的后面的术语表对各术语进行了定义。针对示波器的原理和控制，本读本列出了词汇表以及练习中设计的多项选择题，对课堂学习很有帮助。并不要求有数学和电子学的基础知识。阅读完本读本，您可以掌握如下内容：描述示波器如何工作区别模拟、数字存储、数字荧光和数字采样示波器的异同描述电波的类型理解示波器的基本控制进行简单的测量在实际工作中使用示波器时，借助随同示波器一同提供的手册，能帮助您了解更多特定的信息。一些示波器制造商也提供各种应用备忘录，其中的注意事项可以帮助您优化示波器，以满足特定测量的需求。如果您需要其他的帮助，或者您对本读本有任何的建议和问题，请与泰克的代理商联系，或者访问。图1.示波器收集科学数据的例子光源光电元件 3深入了解示波器初级信号完整性信号完整性的意义任何好的示波器系统的关键点在于精确地重建波形的能力，称为信号完整性。摄像机捕获信号图象，以便我们随后能够进行观察和解释。在这一点上，示波器很是类似。信号完整性有两个关键点。您摄下图片的时间，它是否与实际发生的情况一致？图片是清晰的还是模糊的？每一秒您能摄下多少张精确的图片？综合起来，不同的系统和不同性能的示波器，有不同的实现最高信号完整性的能力。探头也对测量系统的信号完整性有影响。信号完整性影响许多电子设计规律。但在数年以前，数字设计者并不以为重。他们着重于逻辑的设计，便能使逻辑电路顺利工作。在进行高速设计时，噪声和不确定信号偶有发生，RF（射频）设计者需要对此进行考虑。而数字系统进行着缓慢的转换，信号如所预料的一样稳定。处理器的时钟速率上升了数个数量级。3D图象处理、视频和服务器I/O等计算机应用需要巨大的带宽。如今的许多电信设备也是基于数字的，同样也需要大量的带宽资源。数字处理的高清晰度电视同样如此。目前，微处理器设备处理的数据速率高达2、3 GS/s，甚至5 GS/s（吉采样值每秒）。同时，一些内存设备采用 400-MHz的时钟以及200-ps上升时间的数据信号。重要的是，随着速度的提高，原用于车辆、录像机、机械控制器的普通IC设备应用得越来越少。与那些800-MHz的处理器类似，工作于20-MHz时钟速率的处理器也许同样有上升时间的问题。设计者不得不考虑交叉情况下对性能的影响。其结果，几乎所有的设计中都包含高速设计。如果不预防地进行一些测量，高速带来的问题可能会影响其他常规的数字设计。如果电路时断时续发生故障，或者如果电路在电压和温度的极限条件下发生差错，可能就是里面隐藏着信号完整性的问题。最终，影响的是投放市场的时间、产品的可靠性、电磁兼容性（E M Icompliance），等等。为什么要考虑信号完整性问题？让我们来看一看今天数字设计中引起信号衰减的特殊原因。比起过去，为什么这些问题变得更为普遍？答案是速度。在“过去缓慢的年月”，维护可接受的数字信号完整性就意味着对细节的关注，比如时钟的分布、信号通道的设计、白噪声、负载的影响、传输线的影响、总线终端、解耦和功率的分配。现在，上述规则仍旧适用，但是总线的周期时间比20年以前快过了千倍！原来需要数毫秒才能完成的事务处理现在仅需要数纳秒。为实现速度的提高，边缘的速度也经过加速：边缘升降速度比20年前快了100倍以上。进步是相当令人瞩目的。但是，某些物理现实阻碍着电路板技术跟上速度提高的步调。数十年以来，芯片内部总线的传输时间基本上没有什么变化。物理尺寸自然越来越小，但是电路板上总还得安插实际的IC元件、连接器、无源部件，当然还需安排总线本身。实际的布局增加了间距，而这些距离意味着时间的消耗，这与速度形成了矛盾。需要注意的是，数字信号的边缘速度（上升时间）对频率的影响远大于重复速率的影响。正因为如此，一些设计人员有意识“减缓”相关的上升时间，使IC器件正常工作。4 深入了解示波器初级过去为预测电路中的信号状态，常常单独考虑各个基本的电路模块。但是当边缘速度比信号通道延迟还要快四到六倍时，简单的划分模块就不再可行。不考虑周期速率，当驱动低于四到六纳秒边缘速率的信号时，六英寸长的电路板已经变成波导线。其结果，产生新的信号通道。这些无形中形成的连接并不属于设计的初衷，但是不可预料地影响着正常信号。另外，高速的边缘速度通常需要有更高的电流保障。更高的电流常引起地线的反射。特别是在许多信号同时转换的瞬间，宽总线容易出现此情况。而且，大电流引起电磁辐射量的增加，导致信号串扰。考虑数字信号的模拟特性所有这一切的共同特征是什么？他们都是典型的模拟现象。为解决信号完整性问题，数字设计人员必须步入模拟领域。而为踏出这一步，需要有工具来帮助他们指示数字和模拟信号之间的相互关系。模拟信号完整性问题常常导致数字的差错。利用示波器跟踪数字故障的原因是很有必要的。示波器能够显示波形的细节、边缘和噪声；示波器能探测和显示瞬态情况；也能帮助您精确测量时间的关系，比如建立和保持时间。理解示波器系统的每一部分，理解各部分如何运作，这样会有助于您有效地应用示波器，使您更有把握面对测量方面的挑战。图2.显示波形的X、Y和Z分量X(时间)Y(电压)Z(亮度)X(时间)Z(亮度)示波器什么是示波器，它是如何工作的？本节将解答这些基本问题。示波器本质上是一种图形显示设备，它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称亮度为Z轴。（参看图2。）这一简单的图形能够说明信号的许多特性，例如：信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分”信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值(DC)和交流值(AC)信号的噪声值和噪声是否随时间变化 5深入了解示波器初级波形能够揭示信号的许多特性。当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化。当看到的是平坦的水平线，则表示在一段时间内，信号没有变化。平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更。图3提供出普通波形图，而图4展示出这些普通波形的来源。理解波形和波形的测量通常把随时间重复的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都具有重复的特点。示波器测量的是电压波形。波的周期是波动重复的部分。波形是波的图形表现形式。电压波形描述水平方向的时间和垂直方向的电压。图3.普通波形正弦波衰减的正弦波方波矩形波锯齿波三角波阶跃波脉冲波图4.普通波形的激励源6 深入了解示波器初级图5.正弦波和衰减的正弦波正弦波衰减的正弦波图6.方波和矩形波正弦波正弦波波的类型大多数波都属于如下类型：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波周期和非周期信号同步和异步信号复杂波正弦波有几个原因说明正弦波是基本波形。它具有和谐的数学特性，这与您高中在三角学课程中学习到的正弦函数曲线的形状一样。房间墙角的电源出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。信号发生器振荡电路产生的测试信号通常就是正弦波。大多数AC电源产生的是正弦波。（AC表示的是交流，实际上电压值也在改变。DC表示的是直流，同时意味着稳定的电流和电压，电池产生的就是DC。）衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例，它随时间而衰减。图5是正弦波和衰减的正弦波的示例。图7.锯齿波和三角波三角波锯齿波方波和矩形波方波是另一种常见的波形。从本质上看，方波是以相同的时间间隔，不停开关的电压（或者不断为高低值）。它是测试放大器的标准波形，好的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。电视、广播和计算机电路中经常使用方波作为定时信号。矩形波与方波类似，不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。在分析数字电路时，矩形波非常有用。图6是方波和矩形波的示例。锯齿波和三角波锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。例如，模拟示波器的水平扫描，或者电视的光栅扫描。这类波形以恒定速率对电压电平值进行转换。这些渐增过程称为斜坡信号。图7是锯齿波和三角波的示例。 7深入了解示波器初级图8.阶跃波、脉冲波和脉冲序列阶跃波 脉冲波 脉冲序列阶跃波和脉冲波象阶跃波和脉冲波之类的信号很少发生，并且是非周期信号。这类信号被称为单脉冲或瞬时信号。阶跃波指示的是电压的突然变化，打开电源开关时电压的情况即是如此。脉冲指示的是电压的突然的两次变化，打开电源开关马上又关闭时，产生的电压波形就是脉冲。在计算机电路进行传输时，一个脉冲可以表示信息的一位。脉冲也可能是电路中的低频干扰，或某种缺陷。一系列传输脉冲的集合成为脉冲序列。计算机的数字部件通过脉冲进行相互通信。在X射线和通信设备中，脉冲应用广泛。图8是阶跃波、脉冲波和脉冲序列的示例。周期信号和非周期信号不断重复的信号称为周期信号，而不断变化的信号称为非周期信号。静止图象与周期信号相似，而移动图象则与非周期信号等同。图9.复杂波的例子：一段NTSC复合视频信号复杂波同步信号和异步信号如果二信号之间具备定时关系，则称它们是同步的。举例来说，计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说，接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联，两者可被认为是异步的。复杂波一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性，形成新的波形，对于许多示波器来说是一种考验。信号的信息可以置入幅值、相位中，可能还置入频率变量当中。例如，图9表示的是平常的复合视频信号，但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子，理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号，需要用示波器来捕获低频包络，并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来，就可以观察到整个混合图象，方便直观地进行解释说明。对于如图9所示的视频信号，模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。显示器提供必要的发生频率的信息，或者亮度等级，这些对理解波形的实际特性颇为重要。8 深入了解示波器初级图10.正弦波的频率和周期周期1秒频率每秒3周期=3 Hz波形测量使用示波器时有许多测量参数。本小节将对一些常见的测量参数进行说明。频率和周期不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹（Hz），表示一秒时间内信号重复的次数。成为周期每秒。重复信号也具有周期特性，即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系，即1/周期等于频率，同理1/频率等于周期。例如，如图10所示，该正弦信号的频率是3Hz，而周期是1/3秒。电压电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值，则称为电压的峰值-峰值。幅度幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。图11所示的波形的幅度为1V，而电压的峰值-峰值为2V。图11.正弦波的幅度和读数 9深入了解示波器初级利用数字示波器对波形进行测量现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮，以及基于屏幕的菜单，方便选择全自动的测量参数。包括幅值、周期、上升/下降时间，等等。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说，读取的数值可能比直接利用有刻度的工具更为准确。一些数字荧光示波器用到的全自动波形测量参数有：图12.相移电压电流相位相位参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。参照图11，一个圆的度数是360，而正弦波的一个周期也是360。为描述经过的周期数，可以参照正弦波的相位的角度。相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图12中，标号为“电流”的波形比标号为“电压”的波形超前90，因为两者到达同一点刚好相差1/4周（360o/4=90）。在电子学中，相移比较普遍。周期频率宽度宽度上升时间下降时间幅度消光率平均光功率占空比占空比延迟相位突发宽度峰值-峰值均值周期均值周期区高低最小值最大值过冲过冲均方值周期均方值10 深入了解示波器初级图13.模拟示波器体系结构垂直系统衰减器垂直放大器显示系统扫描发生器水平放大器阴极射线管触发系统探头水平系统斜线时基示波器的类型电子设备可以划分为两类：模拟设备和数字设备。模拟设备的电压变化连续，而数字设备处理的是代表电压采样的离散二元码。传统的电唱机是模拟设备，而CD播放器是属于数字设备。同样，示波器也能分为模拟和数字类型。模拟和数字示波器都能够胜任大多数的应用。但是，对于一些特定应用，由于两者具备的不同特性，每种类型都有适合和不适合的地方。作进一步划分，数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。模拟示波器在本质上，模拟示波器工作方式是直接测量信号电压，并通过从左到右穿过示波器屏幕的电子束在垂直方向描绘电压。示波器屏幕通常是阴极射线管（CRT）。电子束投到荧幕的某处，屏幕后面总会有明亮的荧光物质。当电子束水平扫过显示器时，信号的电压是电子束发生上下偏转，跟踪波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置电子束投射的频度越大，显示得也越亮。CRT限制着模拟示波器显示的频率范围。在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。当把示波器探头和电路连接到一起后，电压信号通过探头到达示波器的垂直系统。图13图解出模拟示波器是如何显示被测信号。设置垂直标度（对伏特/格进行控制）后，衰减器能够减小信号的电压，而放大器可以增加信号电压。随后，信号直接到达CRT的垂直偏转板。电压作用于这些垂直偏转板，引起亮点在屏幕中移动。亮点是由打在CRT内部荧光物质上的电子束产生的。正电压引起点向上运动，而负电压引起点向下运动。 11深入了解示波器初级图14.触发器能稳定重复的波形，使信号产生清晰的图象没经触发的显示经触发的显示信号也经过触发系统，启动或触发水平扫描。水平扫描是水平系统亮点在屏幕中移动的行为。触发水平系统后，亮点以水平时基为基准，依照特定的时间间隔从左到右移动。许多快速移动的亮点融合到一起，形成实心的线条。如果速度足够高，亮点每秒钟扫过屏幕的次数高到500000次。水平扫描和垂直偏转共同作用，形成显示在屏幕上的信号图象。触发器能够稳定实现重复的信号，它确保扫描总是从重复信号的同一点开始，目的就是使呈现的图象清晰。参照图14。另外，模拟示波器有对聚焦和亮度的控制，可调节出锐利和清晰的显示结果。为显示“实时”条件下或突发条件下快速变化的信号，人们经常推荐使用模拟示波器。模拟示波器的显示部分基于化学荧光物质，它具有亮度级这一特性。在信号出现越多的地方，轨迹就越亮。通过亮度级，仅观察轨迹的亮度就能区别信号的细节。图15.模拟示波器跟踪信号，而数字示波器采样信号并重构图象模拟示波器跟踪信号数字示波器采样信号并重构显示数字示波器与模拟示波器不同，数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。随后，数字示波器重构波形。（参看图15。）数字示波器分为数字存储示波器（DSO）、数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。数字的手段则意味着，在示波器的显示范围内，可以稳定、明亮和清晰地显示任何频率的波形。对重复的信号而言，数字示波器的带宽是指示波器的前端部件的模拟带宽，一般称之为3dB点。对于单脉冲和瞬态事件，例如脉冲和阶跃波，带宽局限于示波器采样率之内。为了解更多的细节，请参照性能术语和应用部分的采样率一节。12 深入了解示波器初级图16.数字存储示波器顺序处理体系结构数字存储示波器常规的数字示波器是数字存储示波器（DSO）。它的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。数字存储示波器（DSO）便于您捕获和显示那些可能只发生一次的事件，通常称为瞬态现象。以数字形式表示波形信息，实际存储的是二进制序列。这样，利用示波器本身或外部计算机，方便进行分析、存档、打印和其他的处理。波形没有必要是连续的；即使信号已经消失，仍能够显示出来。与模拟示波器不同的是，数字存储示波器能够持久地保留信号，可以扩展波形处理方式。然而，DSO没有实时的亮度级；因此，他们不能表示实际信号中不同的亮度等级。组成DSO的一些子系统与模拟示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的数据处理子系统，因此它能够收集显示整个波形的数据。从捕获信号到在屏幕上显示波形，DSO采用串行的处理体系结构，如图16所示。随后将对串行处理体系作讲解。串行处理体系结构与模拟示波器一样，DSO第一部分（输入）是垂直放大器。在这一阶段，垂直控制系统方便您调整幅度和位置范围。紧接着，在水平系统的模数转换器（ADC）部分，信号实时在离散点采样，采样位置的信号电压转换为数字值，这些数字值称为采样点。该处理过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定ADC采样的频度。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。 13深入了解示波器初级来自ADC的采样点存储在捕获存储区内，叫做波形点。几个采样点可以组成一个波形点。波形点共同组成一条波形记录。创建一条波形记录的波形点的数量称为记录长度。触发系统决定记录的起始和终止点。DSO信号通道中包括微处理器，被测信号在显示之前要通过微处理器处理。微处理器处理信号，调整显示运行，管理前面板调节装置，等等。信号通过显存，最后显示到示波器屏幕中。在示波器的能力范围之内，采样点会经过补充处理，显示效果得到增强。可以增加预触发，使在触发点之前也能观察到结果。目前大多数数字示波器也提供自动参数测量，使测量过程得到简化。DSO提供高性能处理单脉冲信号和多通道的能力（参看图17）。DSO是低重复率或者单脉冲、高速、多通道设计应用的完美工具。在数字设计实践中，工程师常常同时检查四路甚至更多的信号，而DSO则成为标准的合作伙伴。图17.TDS694C提供多通道同时的高速单次脉冲捕获，增加了对偶发毛刺和瞬态现象的捕获14 深入了解示波器初级图18.数字荧光示波器的并行处理体系结构数字荧光示波器数字荧光示波器（DPO）为示波器系列增加了一种新的类型。DPO的体系结构使之能提供独特的捕获和显示能力，加速重构信号。DSO 使用串行处理的体协结构来捕获、显示和分析信号；相对而言，DPO为完成这些功能采纳的是并行的体系结构，如图18所示。DPO采用ASIC硬件构架捕获波形图象，提供高速率的波形采集率，信号的可视化程度很高。它增加了证明数字系统中的瞬态事件的可能性。随后将对该并行处理体系结构进行阐述。并行处理体系结构DPO的第一阶段（输入）与模拟示波器相似（垂直放大器），第二阶段与DSO相似（ADC）。但是，在模数转换后，DPO与原来的示波器相比就有显著的不同之处。对所有的示波器而言，包括模拟、DSO和DPO示波器，都存在着释抑时间。在这段时间内，仪器处理最近捕获的数据，重置系统，等待下一触发事件的发生。在这段时间内，示波器对所有信号都是视而不见的。随着释抑时间的增加，对查看到低频度和低重复事件的可能性就会降低。请注意，由显示的更新速率简单地推断采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠显示更新速率，就确认示波器能采集到波形的所有相关信息，那么是很容易犯错误的，因为，实际上示波器并没有作到。数字存储示波器串行处理采集到的波形。由于微处理器限制着波形的采集速率，所以微处理器是串行处理的瓶颈。DPO把数字化的波形数据进一步光栅化，存入荧光数据库中。每1/30秒，这大约是人类眼睛能够觉察到的最快速度，存储到数据库中的信号图象直接送到显示系统。波形数据直接光栅化，以及直接把数据库数据拷贝到显存中，两者共同作用，改变了其他体系在数据处理方面的瓶颈。结果是增加了“使用时间”，增强显示更新能力。信号细节、间断事件和信号的动态特性都能实时采集。DPO微处理器与集成的捕获系统一道并行工作，完成显示管理、自动测量和设备调节控制工作，同时，又不影响示波器的捕获速度。 15深入了解示波器初级DPO如实地仿真模拟示波器最好的显示属性，并在三维显示信号：时间、幅度和以时间为参变量的幅度变化，三者都是实时的。模拟示波器依靠化学荧光物质，与此不同，DPO使用完全的电子数字荧光，其实质是不断更新的数据库。针对示波器显示屏幕的每一个点，数据库中都有独立的“单元（cell）”。一旦采集到波形（即示波器一触发），波形就映射到数字荧光数据库的单元组内。每一个单元代表着屏幕中的某位置。当波形涉及到该单元，单元内部就加入亮度信息；没有涉及到则不加入。因此，如果波形经常扫过的地方，亮度信息在单元内会逐步累积。当数字荧光数据库传送到示波器的显示屏幕后，根据各点发生的信号频率的比例，显示屏展示加入亮度形式的波形区域，这与模拟示波器的亮度级特性非常类似。DPO也可以显示不断变化的发生频率的信息，显示屏对不同的信息呈现不同的颜色，这一点与模拟示波器不同。利用DPO，可以比较由不同触发器产生的波形之间的异同，例如，比较某波形与第100号触发器产生波形的区别。数字荧光示波器（DPO）突破模拟和数字示波器技术之间的障碍。它同时适合观察高频和低频信号、重复波形，以及实时的信号变化。只有DPO实时提供Z（亮度）轴，常规的DSO已经丧失了这一功能。图19.一些DPO能够在数秒之内捕获成百上千万的波形，有效地扩展了功能，例如捕获中断和难以捕获的事件应用，以及展示动态信号行为。对那些需要最好的通用设计和故障检测工具以适合大范围应用的人来说，DPO是一个理想工具。DPO典型应用有：通信模板测试，中断信号的数字调试，重复的数字设计和定时应用。16 图20.数字采样示波器的体系结构数字采样示波器当测量高频信号时，示波器也许不能在一次扫描中采集足够的样值。如果需要正确采集频率远远高于示波器采样频率的信号，那么数字采样示波器是一个不错的选择（参看图21）。这种示波器采集测量信号的能力要比其他类型的示波器高一个数量级。在测量重复信号时，它能达到的带宽以及高速定时都十倍于其他示波器。连续等效时间采样示波器能达到50GHz的带宽。与数字存储和数字荧光示波器体系结构不同，在数字采样示波器的体系结构中，置换了衰减器/放大器于采样桥的位置，参照图20。在衰减或放大之前对输入信号进行采样。由于采样门电路的作用，经过采样桥以后的信号的频率已经变低，因此可以采用低带宽放大器，其结果，整个仪器的带宽得到增加。然而，采样示波器带宽的增加带来的负面影响是动态范围的限制。由于在采样门电路之前没有衰减器/放大器，所以不能对输入信号进行缩放。所有时刻的输入信号都不能超过采样桥满动态范围。因此，大多数采样示波器的动态范围都限制在1V的峰值-峰值。另一方面，数字存储和数字荧光示波器却能够处理50到100伏特的输入。图21.TDS8000 数字采样示波器和80E04 20-GHz 采样模块的时域反射仪（TDR）显示另外，采样桥的前面不能增加保护二极管，否则会限制带宽。因此，采样示波器的安全输入电压大约只有3V，相对而言，其他示波器可以高达500V。深入了解示波器初级 17深入了解示波器初级图22.示波器的前面板调节控制部分示波器的各个系统和控制示波器包含四个不同的基本系统：垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。理解每一个系统的含义，有助于您更有效地应用示波器，完成特定的测量任务。请记住，示波器的每一个系统对精确地重构信号都大有裨益。本小节简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。模拟和数字示波器的一些控制并不相同；也许您的示波器还有其他的控制，但并没有在这里提及。示波器的前面板分为三个主要的区域，标注为垂直区、水平区和触发区。由于模式和类型（模拟或数字）不同，您的示波器也许还有其他的区域。参看图22，在阅读本小节过程中，看看您能否在图中以及在自己的示波器中找到前面板的各区域位置。当使用示波器时，为接纳输入信号，需要对以下配置进行调整：信号的衰减和放大值。通过控制伏特/格，可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。时基。通过控制秒/格，可以显示屏中每一水平刻度代表的时间量。示波器触发。利用触发电平，可以稳定重复信号，或者触发单一的事件。垂直系统和控制波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件，具体内容在本节的后面部分有讲解。通用垂直控制包括：端接设备 1M欧 50欧耦合方式 DC直流 AC交流 GND地线带宽限制 20 MHz 250 MHz 全带宽位置偏移转置开/关标度 1-2-5 可变缩放18 深入了解示波器初级图23.AC和DC输入耦合幅度为Vp-p正弦波与2V DC成分的DC耦合同样的信号，采用AC耦合位置和每刻度电压垂直位置控制使您能按照需求准确地上下移动波形。调节每刻度电压值（通常记为volts/div，伏特/格），那么显示波形大小会随之改变。较好的通用示波器可以精确显示信号电平范围大概是从4微伏到40伏特。伏特/格是一个标度因数。假设分为八个主要的刻度格子，如果伏特/格设置为5伏特，则八个垂直格中的每一个都表示5伏特，那么从下到上整个屏幕可以显示40伏特。如果设置的是0.5伏特/格，那么从下到上可以显示4伏特，依此类推。屏幕显示的最大电压是伏特/格乘上垂直刻度的数量。注意探头有1X或10X，它也影响标度因数。如果示波器没有把伏特/格除以衰减系数，那么您自己应该留意。通常，伏特/格有可变的增益控制或精密增益控制，使显示的信号标度在数个合适的刻度内。利用这样的控制方式，方便对上升时间等的测量。输入耦合耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式。既然这样，那么输入耦合就指测试电路与示波器的连接。耦合方式可以设置为DC、AC或者地线。DC耦合会显示所有输入信号。而AC耦合去除信号中的直流成分，结果是显示的波形始终以零电压为中心。图23图解了两者的不同之处。当整个信号（振荡的电流直接电流）大于伏特/格的设置时，AC耦合非常适用。地线地线的设置不需要输入信号与垂直系统相连。观察地线，就可以知道屏幕中零电压的位置。如果使用的是地线输入耦合和自动触发模式，那么屏幕中就有一条表示零电压值的水平线。测试信号电压相对地的电平值的便捷方法为，把耦合从DC转换到地，再重新转换回DC。 19深入了解示波器初级图24.多通道显示模式交替模式：轮流绘制通道1和通道2继续模式：轮流分段描绘通道1和通道2首先绘制随后绘制带宽限制大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。交替和断续显示模式模拟示波器显示多个信道时采用交替（alternate）或断续（chop）模式。（许多数字示波器可以同时表示多个信道，而不需要使用间隔和交替模式。）交替模式轮流绘制每一通道：示波器首先完成通道 1 的扫描，马上对通道2进行扫描，接着又扫描通道1，如此循环。这一模式适用于中速到高速的信号，此时秒/格标度设置在0.5ms，甚至更快。断续模式是示波器前后变换着描绘信号中的一小段。变换的速度相当快，人眼难以注意到，波形看上去也是一个整体。典型地，捕获的扫描速度为1ms或者更低的慢速信号，可以采用这一模式。图24图解出两者的不同之处。有时为了得到最好的显示效果，需要在两种模式中作出选择。20 深入了解示波器初级图25.捕获菜单示例水平系统和控制示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系，采样速率和记录长度等需要在此设定。水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括：主时基延迟时基XY模式标度 1-2-5 可变波形踪迹区分记录长度分辨率采样速率l触发位置缩放捕获控制对数字示波器，用户可以控制捕获系统如何处理信号。在阅读下面的说明时，请察看您自己的示波器的捕获选项。图25给出的是一个捕获菜单的例子。捕获模式捕获模式控制如何从采样点中产生出波形点。采样点是直接从模数转换器（ADC）中得到的数字值。采样间隔指的是相邻采样点的时间。波形点指的是存储在存储区内的数字值，它将重构显示波形。相邻波形点之间的时间差用波形间隔表示。采样间隔和波形间隔可以一致，也可以不一样。由此产生出几种不同的实际捕获模式，其中一个波形点可以由数个捕获的采样点序列构成，另外有一种捕获模式，波形点是由若干捕获产生的采样点共同构成。随后将介绍最常用的捕获模式。 21深入了解示波器初级图26.采样速率随时基的设置而变化：采样时基设定得越慢，采样速率也越慢。一些数字示波器提供峰值检测模式，捕获慢速扫描中发生的瞬态现象。您不能观察到该小脉冲DS O显示的采样点捕获模式的类型采样模式：这是最简单的捕获模式。每一个波形间隔，示波器存储一个采样点的值，并做为波形的一个点。峰值检测模式：示波器将波形间隔内采样出来的采样点，选取其中的最小值和最大值，并把这些样值当作两个相关的波形点。采用峰值检测模式的示波器以非常高的采样速率运行ADC，即便设置的时基非常慢也是如此（慢时基等效为长的波形间隔）。采样模式不能捕获发生在波形点之间的快速变化的信号（参看图26），而峰值检测模式可以捕获到。利用峰值检测，非常有效地能观察到偶尔发生的窄脉冲（如图27所示）。高分辨率(Hi Res)模式：与峰值检测一样，当ADC采样快于时基的设置要求时，高分辨率模式是获取更多信息的一种方法。对于这种模式，在一个波形点时间间隔内，采多个样值，然后算出平均值，得到一个波形点。噪声会对结果产生负面影响，而低速信号的分辨率会提高。图27.TDS7000系列示波器采用峰值检测模式能够捕获窄到100ps的瞬态异常包络模式：包络模式与峰值检测模式类似。但是包络模式是由多次捕获得到的多个波形的最小和最大波形点，重新组合为新波形，表示波形随时间变化的最小/最大量。常常利用峰值检测模式来捕获记录，组合为包络波形。平均值模式：对于平均值模式，在每一个波形间隔，示波器存储一个采样点，这一点与采样模式一致。随后处理方式则不同，该模式算出连续捕获得到的波形点的平均值，然后产生最后的显示波形。平均值模式在减少噪声的同时并没有损失带宽，但它处理对象是重复的信号。22 深入了解示波器初级图28.基本采样。采样点通过插值法形成连续波形100每秒100每秒输入信号采样点等价时间采样信号1伏特1伏特捕获系统的启动和终止数字示波器的最大优点之一是它们能够存储波形，随后再作观察。为此目的，前面板中通常都会有一个或多个按钮，用来启动和终止捕获系统，然后从容地分析波形。另外，您也许需要在一个捕获过程完成之后，或者在某设定的记录已经变为某种包络或均值波形之后，让示波器自动停止捕获。这个特性称为单次扫描或单次捕获，通常在使用其他捕获控制或者使用触发控制时，可以控制该特性。采样采样是为方便存储、处理和/或显示，把部分输入信号转变为许多离散电信号的过程。信号在某一时刻采样，每一个采样点的幅度与输入信号在那一时刻的幅度值相同。采样与抓拍类似。每一个瞬间图象代表波形上某一时刻的特定点。这些瞬象按照时间顺序排列起来，就能够重构输入信号。对数字示波器而言，一组采样点在显示屏上重构波形，垂直轴代表测量幅度，而水平轴表示时间，请参看图28。图28中，输入波形在屏幕上呈现一串点。如果点距离很远，那么很难分辨出波形，解决方法是采用插值法连接各点。插值法利用直线或矢量连接各点。许多插值算法都可以精确显示连续的输入信号。采样控制有些数字示波器可以选择采样的方式：实时采样或者等效时间采样。在示波器的捕获控制部分可以选择捕获信号的采样方式。请注意，对于慢速的捕获信号，选择结果是没有差别的；只有当ADC采样速度不够快速，不能在一遍之内把波形点填充到记录中时，作出选择才是有意义的。采样方式尽管有许多不同的采样技术的实现，现在的数字示波器采用两种基本的采样方式：实时采样和等效时间采样。等效时间采样可以进一步分为两种子类：随机和顺序。每一种方式都根据测量对象的不同有各自独特的优势。 23深入了解示波器初级图29.实时采样方式图30.为实时捕获这10 n s 脉冲，采样速率必须足够高，才能精确定义边缘实时采样的显示输入信号以记录点为基础重构波形采样速率实时采样对于频率范围在示波器最大采样速率一半以下的信号，实时采样是理想的方式。此时，通过一次“扫描”波形，示波器就能获得足够多的点重构精确的图象，如图29所示。为数字示波器采集快速、单脉冲和瞬态信号，实时采样是唯一的方式。为了精确数字化高频瞬态事件，必需要有足够的采样速率，数字示波器的实时采样才能很好的完成这样的任务。如图30所示。这些事件只发生一次，必须在发生的同一时间帧内对其采样。如果采样速率不够快，高频成分可能会“混叠”为低频信号，引起显示混叠。另外，一旦波形经实时采样数字化，必需的高速存储器也带来更多的复杂性。为精确体现高频成分，涉及采样率和记录长度的概念，如果需要详细了解，请参看性能术语和应用部分的采样速率和记录长度一节。24 深入了解示波器初