1、第 6 章 時域測量 1. 引言2. 模擬示波器 3. 數字存儲示波器的基本原理4. 數字存儲示波器的組成和關鍵技術 5. 示波器的技術參數6. 示波器的使用1 引 言示波器經歷了從低頻到高頻、從模擬到數字的漸進發展過程。1934年，基于CRT的137型示波器1957年，記憶示波器研制成功1958年通用示波器的帶寬達到了100MHz1959年，出現了采樣示波器1969年，通用示波器的帶寬達到300MHz20世紀70年代以后，示波器的帶寬提高到1GHz模擬示波器1980年，HP公司發明了第一臺數字存儲示波器20世紀90年代為以來，其帶寬由誕生之初的50MHz發展700MHz1GHz，甚至出現了帶

2、寬超過10GHz的超寬帶實時示波器20世紀90年代初，業界還推出了混合信號示波器(Mixed Signal Oscilloscope, MSO)，出現了PC示波器、手持式示波表等形式的示波器數字示波器 Agilent公司的一種四通道數字存儲示波器 PC示波器 手持式示波表2 模擬示波器圖6-2-1 模擬示波器的原理框圖 模擬示波器的主要由陰極射線管CRT、垂直通道、水平通道、電源和標準信號發生器等部分組成.2.1 模擬示波器的基本結構圖6-2-2 模擬示波器顯示信號時域波形的基本過程圖6-2-2描述了模擬示波器顯示電信號時域波形的基本過程。熒光屏上光點的Y和X坐標分別與這一瞬間的信號電壓和掃描

3、電壓成正比。圖6-2-3 掃描正程和掃描回程2.2 波形顯示的基本原理圖6-2-4 邊沿觸發電路與掃描電路的工作波形 邊沿觸發電路可以在波形的正向過零點的位置產生觸發脈沖，啟動掃描鋸齒波電壓進行掃描。圖中點均符合觸發條件，但在這些點掃描過程未結束，因此這些點不能啟動下一次掃描，是無效的。僅有這些點是有效的觸發點。2.3 觸發電路圖6-2-5 邊沿觸發電路組成框圖 主要由觸發源選擇開關、耦合方式選擇開關、觸發電平及極性選擇器和放大整形電路等組成。作用：產生觸發脈沖的信號源分類：內觸發、外觸發、電源觸發（又稱為線觸發）（1） 觸發源（2） 耦合方式作用：選擇觸發源中哪個成分來產生觸發脈沖分類：DC

4、、AC、AC（H）和HF（3）觸發放大和觸發整形電路作用: 對前級輸出信號進行處理，產生符合一定脈沖寬度要求的、穩定可靠的觸發脈沖。實現：常采用雙端輸入的單穩電路來實現。（4）觸發電平及極性選擇器a）正極性、正電平 b）負極性、正電平c）正極性、負電平d）負極性、負電平3 數字存儲示波器的基本原理3.1 數字存儲示波器的基本原理數字存儲示波器的基本結構如下：1、工作過程一般分為存儲和顯示兩個大的階段2、具有“負延遲”觸發功能3、提供多種采集控制功能，實現峰值采集、過采樣等采集模式4、數字存儲示波器有一些重要的技術指標: 模擬帶寬、采樣率、垂直分辨率、存儲深度、死區時間、波形更新速率等3.2 數

5、字存儲示波器的基本特點4 數字存儲示波器的組成和關鍵技術主要由耦合方式選擇、衰減器和前置放大器構成（1）模擬前端4.1 模擬前端與模擬帶寬1、耦合方式選擇開關一般有三個檔位：DC、AC和GND（即接地耦合）。2、輸入阻抗選擇開關指示波器接入被測電路時模擬前端的等效阻抗通常該阻值是 1兆歐姆或者50歐姆它會和被測電阻構成并聯關系。 3、前置放大器 對輸入信號幅度進行進一步調節; 為觸發電路提供大小合適的內觸發信號源。4、衰減器衰減器用于對輸入信號進行幅度調節。滿足R1Cl=R2C2時，衰減器具有平坦的幅頻特性，且衰減比為R2/（R1R2）。通常所說的示波器-3dB帶寬，也稱為模擬帶寬BWa。BW

6、a的單位為“Hz”、“MHz”或“GHz”。BWa的大小直接影響：進入ADC的信號高次諧波分量的多少影響到信號上升沿的變緩程度以及幅度的衰減程度。（2）模擬帶寬（a）輸入信號頻率f=100MHz （b）輸入信號頻率f=300MHz （c）輸入信號頻率f=500MHz計算被測信號的最高頻率值 fmax（3）如何選擇合適的模擬帶寬根據測量精度需求確定模擬帶寬遺憾的是：在測量時可能并不知道信號的最高頻率分量。判斷準則：將所測量的信號上升沿取倒數，判斷是否與示波器的 模擬帶寬很接近。 奈奎斯特定理（采樣定理） 為了很好的恢復一個基帶信號，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

7、的最高頻率的兩倍。 4.2 采樣率與采樣技術fs2fmax fs是采樣率，fmax是信號本身所包含的最高頻率（1）采樣與內插原理采樣率的單位：“GSa/S”、“MSa/S”；帶 寬的單位： “Hz”、“MHz”或“GHz”。 最小允許的采樣率被稱為奈奎斯特速率。 如果對一個正弦波，每個周期采樣應多于兩個點。 如果采樣時鐘頻率不滿足這一要求，將出現混疊信號或者不正確頻率的假象信號。假象信號頻率和原信號頻率完全不同，但卻可能有相同的波形形狀，且往往還具有相同幅度。圖6-4-4 混疊現象圖6-4-5 以兩倍于信號頻率的采樣率對正弦波進行采樣圖6-4-6 以2.7倍于信號頻率的采樣率對正弦波進行采樣奈

8、奎斯特速率僅是一個理論上的采樣率值，要真實復現原始信號，需要更高的采樣率。fs 25fmax 內插技術：（1） 線性內插 在兩個采樣點之間插入數據點，且采樣點和各插值點處于同一條直線上?？梢允共蓸勇蕪?5fmax降低至10fmax。（2） 正弦內插 對數據進行內插函數sinc(x)=sin(x)/x運算后,用曲線將各數據點連接起來。采樣率可以降低為2.5fmax。 內插算法通常以數字濾波器的形式來實現。 1、實時采樣（Single Shot Sampling） 最容易理解、最直觀的一種采樣方式，以足夠高的采樣率采集整個帶寬內的信號，采樣點均勻分布。 （2）采樣方式2、等效時間采樣等效時間采樣（

9、也稱為非實時采樣或重復采樣）必須滿足兩個前提條件：信號必須是周期重復的；必須能產生穩定的觸發條件。 (a) 順序采樣示意圖(b) 順序采樣的實現過程采用順序采樣，能夠以較低速的ADC來實現高頻信號測量。但由于順序采樣的采樣點都是在觸發之后采集的，不能提供預觸發信息。 隨機采樣可以克服順序采樣無法實現預觸發的缺點，具有能夠提供預觸發信息、易于發現波形細節等優點。1、數字實時帶寬在實時采樣方式下，數字實時帶寬定義為在單次（瞬態）信號測量中能夠捕捉的最大信號帶寬。單次信號帶寬與采樣率之間的關系是： BWsfs/kR fs為采樣率。kR 為與信號內插技術有關的內插系數2、有效采樣率有效采樣率feff是

10、Teff的倒數。Teff不取決于ADC的轉換速率，而是取決于采樣點相對于觸發事件時間排列的精度。 （3）數字實時帶寬和有效采樣率并行比較式ADC也稱為FLASH型ADC，轉換速率可達數百兆赫茲。采用直接比較的原理，n位ADC需要2n-1個比較器。圖6-4-11 3位FLASH型ADC（4）數字存儲示波器使用的ADC并串行ADC通過將高位編碼與低位編碼串行比較，減少了比較器的數量。圖6-4-12 兩階N位并串行ADC時間交織式ADC使用多個低速ADC交替工作來實現高速信號采集。 圖6-4-13 1GSa/s的ADC實現框圖(54111D )采用四片采樣率為250MSa/s的ADC，這四個ADC的

11、工作周期都是4ns，通過精確定時電路，控制各ADC啟動工作的時間依次間隔1nsADC性能1987年1997年2007年變化率采樣率1GSa/s8GSa/s40GSa/s40 x實時帶寬250MHz1.5GHz13GHz52x分辨率6bit8bit8bit4x存儲深度8kB64kB2MB250 x功耗20W27W20W1x單位功耗 W/GSa/s203.40.540 x芯片數量10425x表6-4-2 ADC性能發展對比ADC的采樣速率在20年里增加了40倍采樣帶寬增加了52倍存儲深度增加了250倍維持在20WAgilent公司的數字存儲示波器多采用復合式的ADC技術。 波形存儲器能夠儲存的采樣

12、點數稱為存儲深度。4.3 存儲深度與存儲技術（1）儲存深度記錄時間存儲深度/采樣率=存儲深度采樣周期 （2）深存儲帶來的問題 導致死區時間增加、波形更新速率變慢、響應面板操作的時間增加等。 死區時間（dead-time）指從示波器完成前一次采集到開始下一次采集的時間間隔。（3）存儲技術圖6-4-17 早期數字存儲示波器的存儲過程圖6-4-18 MegaZoom 快響應深存儲技術觸發方式4.4 觸發方式邊沿觸發毛刺觸發脈寬觸發矮脈沖觸發視頻觸發模式觸發狀態觸發延遲觸發（預置觸發） 兩個重要的原因：一是確定波形顯示的時間參考點，穩定顯示波形；二是捕獲感興趣的信號波形。（1）邊沿觸發 基本觸發方式（

13、2）毛刺觸發脈寬觸發出現在示波器檢測到了一個正（負）極性脈沖，其脈沖寬度在設定脈寬門限之間或之外的情形。 圖6-4-20 設定門限之間的脈寬觸發圖6-4-21 設定門限之外的脈寬觸發（3）脈寬觸發（Pulse-width Trigger） 在示波器檢測到了一個正（負）極性脈沖，其上升（下降）沿穿越了低（高）門限電平，但在其下降（上升）沿重新穿越低（高）門限電平之前沒有能穿越高（低）門限電平的情形。（4）矮脈沖觸發（Runt Trigger）狀態觸發就是將觸發通道中的某一路配置為觸發系統的時鐘，其他通道的狀態是在時鐘上升沿或者下降沿讀取。 （5）視頻觸發（video trigger）從視頻輸入信

14、號中提取水平和垂直同步信號來作為觸發信號。 （6）模式觸發（pattern trigger）模式觸發提供了對多條信號線狀態的監視功能，并能在信號線狀態符合特定條件下產生觸發。（7）狀態觸發（State Trigger）（8）延遲觸發（預置觸發）延遲觸發有“+”延遲觸發和“-”延遲觸發。在一次觸發產生之后迫使觸發電路停止工作一段時間如果觸發是被抑制一段固定的時間，這種方式稱為“時間抑制”。有些示波器還提供“事件抑制”的功能 。 觸發抑制（Trigger Hold-off） 4.5 采集模式（1）按采集啟動的方式來分類，有三種采集模式： 1、單次采集 2、常規采集（normal acquisiti

15、on） 任何時候出現有效的觸發信號，示波器都采集一次新的波形。但在沒有輸入信號或者觸發電平不適當時，示波器不采集，將出現黑屏。 3、自動采集（automatic acquisition） 在無觸發信號持續超過一定時間（30ms）時，示波器將自動啟動波形采集。對應于存儲器中的每個樣點都需要進行一次采集，且樣點沒有經過任何處理。圖6-4-25 常規采集模式的示波器顯示如果信號中疊加的噪聲比較大，顯示出來的波形就比較差，影響對于信號幅度、頻率的精確測量。 1、常規采集模式（2）按采樣率選擇及樣點存入存儲器的方式來分：使用高于常規采集模式的采樣率來捕獲信號，然后將相鄰若干采樣點的平均值作為一個采樣點存

16、入存儲器。此模式僅適用于實時采樣方式。圖6-4-26 過采樣采集模式的示波器顯示 2、過采樣采集模式峰值檢測采集模式使用高于常規模式的采樣率來捕獲信號，然后將相鄰若干采樣點的最大值、最小值作為一個采樣點存入存儲器，僅適用于實時采樣方式。圖6-4-27 峰值檢測采集模式的示波器顯示 3、峰值檢測采集模式在連續采集多個波形的基礎上，僅將這些各時間點的平均值記錄在存儲器中，適用于實時和等效時間采樣兩種方式。圖6-4-28 平均采集模式的示波器顯示使用均值采集模式能夠達到降低信號上疊加噪聲的效果，但不會犧牲示波器測量帶寬和上升時間. 4、均值采集模式 示波器連續采集多個波形，但僅將各時間點的最大值和最

17、小值記錄在存儲器中。用戶可以設置用于包絡計算的波形個數。適用于實時采樣和等效時間采樣兩種方式。 5、包絡采集模式通過顯示保持算法，產生與傳統模擬存儲示波器相似的顯示。對于每一個顯示點都在內存中對應有一個亮度值，給用戶提供關于特定像素點被波形撞擊的次數信息。 無限時間的顯示保持 4.6 顯示模式與顯示技術（1）顯示保持模式（persistence mode） 利用示波器的深存儲資源存儲很長的一段波形數據，再用上、下兩個窗口來觀測信號。這種顯示模式既可以深度存儲觀察到波形的全貌，又可以對信號的某段局部進行細致觀察，便于對信號進行深入地分析。（2）延遲/縮放顯示模式（Delayed/Zoom）X-Y

18、顯示模式是一種改變示波器時基的顯示方式。在X-Y顯示模式下，水平軸也用來測量輸入信號的電壓幅度。（3）滾動模式滾動模式在顯示時從右繪制波形，在新的波形采樣點不斷出現時持續地向左“滾動”波形。 （4）X-Y顯示 4.7 測量與分析功能（1）波形參數的測量 例如： 實現串行數據測量中時鐘恢復、眼圖測量、抖動分析； 通過協議觸發功能實現對于串行通信信號的捕捉和解碼； 通信接口的兼容性測試等。（2）函數計算加、減、乘、積分、微分、FFT、濾波、統計分析等（3）光標光標是指示波器上的水平標記和垂直標記線。（4）高級測量與分析功能5 示波器的技術參數說明值模擬帶寬（3dB）1GHz上升時間0.35ns采樣

19、頻率每通道10GSa/s，兩個通道20GSa/s通道數2內存大小10MSa（標準）；1GSa（可選）垂直分辨率8比特（0.39%）輸入阻抗1 M 1% (13pF 典型值)直流增益精度+2%（垂直）偏轉系數分檔，1mV/div到5V/div時基范圍分檔，0.2ns/div到20s/div時基精度 (0.4 + 0.5 * 從校準到現在的年數) ppm觸發方式邊沿、毛刺、矮脈沖、狀態、脈寬、建立和保持、視頻表6-5-1 1GHz示波器主要技術參數 5.1 數字存儲示波器圖6-5-1混合信號示波器混合信號示波器（MSO）可看做是在一臺通用示波器的基礎上，增加了附加的數字信號測量通道而構成的。 5.

20、2 混合信號示波器屏幕最上方的兩條波形是模擬信號，由兩路模擬通道捕獲。第一路信號是DAC的階梯波輸出，第二路是經模擬低通濾波器后的輸出。屏幕下方的顯示是從8數字通道捕獲的數字信號波形，來自于DAC的數據線輸出。圖6-5-2 混合信號示波器捕獲MCU控制DAC的并行數字輸入和模擬輸出6 示波器的使用 6.1 基本使用方法 1、在開始測量時，讓示波器處于一個已知的狀態，至少有些顯示。 2、如果示波器設置完成后，被測波形可以顯示出來，但不穩定，就需要使用觸發控制旋鈕來調節波形的顯示。改變觸發源、觸發耦合方式，或者調整觸發電平和觸發極性都有助于使波形的穩定。 6.2 示波器的探頭探頭類型帶寬電阻負載電容負載1X 無源型20MHz1M70pF10X