数字示波器的波形测量方法

Ｓ ｉ ｉ ｈ ｎ ｓ ｓ ｉ ｉ ｐ ｎ ｈ Ｉ Ｚ ａ ｇ ｕ ｈ Ｊ ａ ｉ ｇ
摘 要 本文 通过实脸对比 的方法，阐述了 数字示波 器在进行波 形测量时的两种荃本方法，并总结 了 在选择数字示波器及波形测量时应注意的问题．
关键词 数字示波器 波形测量方法
Ａ ｓｒｃ ｎ ｉ ｐｐ ｒ ｔｒｕｈ ｅ ｔｏ ｏ ｅｐ ｒｍ ｎ ｃｍ ａｅ ｔｏ ｓｃ ｔｏ ｓ ｂ ｔａ ｔ Ｉ ｔ ｓ ｅ ， ｏ ｇ ｔ ｍ ｈｄ ｘｅ ｉｅ ｔ ｐ ｒ， ｂ ｉ ｍ ｈｄ ｏ ｈ ａ ｈ ｈ ｅ ｆ ｏ ｗ ａ ｅ ｆ ｄ ｇ ｔ ｌ ｓ ｉ ｌ ｓ ｏ ｅ ｉ ｗ ｖ ｆ ｒ ｍ ａ ｕ ｅ ｅ ｔ ｓ ｅ ｃ ｉ ｅ ． ｅ ｒ ｂ ｅ ｓ ｎ ｉ ｉ ａ ｏ ｃ ｌ ｏ ｃ ｐ ｓ ｎ ａ ｅ ｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｎ ｉ ｄ ｓ ｒ ｂ ｄ Ｔ ｐ ｏ ｌ ｍ ｉ ｈ
作者
石莉
１７ 年 ９月出生 ９０
程师
时，要求的采样速率不是很高。 在线性内 插 法时，示波器的采样速率是信号的最高
频率的５ 倍时，显然不能真实反映信号特 征， 那么示波器的采样速率为多大时，能
够使信号在允许的误差范围内呢？
实验设置： 分别利用数字示波器在采
样率大于被测信号的频率的５ 倍，１ ０倍，
５ 三 方 时 波 情 进 比 。 图． ； 采 速 为 号 率 。 ０ 种 式卜 的 形 况 行 较 倍 ３ 波 的样 率 信 频 的 倍 ５示 ｇ
多大的影响呢？在此，我们就对目 ’ 前）为使用的两种土要内抽方式的应用情况进行探讨。 一
— １ ４ —
３ 、实验设计
目 大多数数字存储示波器都提供了两种内 前， 插形式： 线性内 插和ｉ弦内 线性内 ｌ 捅。 插 法是在示波器的显示屏上按时序二点间用直线来连接 线性内 插可减少视感的 Ｎ淆所产生的 影响。 这种方式对脉冲和数字信号 使用起来效果很好， 但是对正弦信号会产生较大失真 １ １ 弦内 插法采用曲 线拟合的方法连接实际采样点， 这种方法对正弦波信号 很理想， 但在显示脉
体信号对内 插法的 要求， 此为依据来推算出 以 所需的 最高采样率， 从而为选购示波器提供依
据。
参考文献
Ｔ Ｓ ４Ｂ Ｔ Ｓ８ Ｂ Ｔ Ｓ ８ Ａ ｇ ｔｚｎ Ｏ ｃ ｌｏ ｃｐ Ｓ ｒ ｉｅ ｎ ａ Ｄ６ ４ ， ６ ４＆ Ｄ ７ ４ Ｄ ｉｉ ｉｇ ｉ ｌｓｏ ｅ ｅ ｖ ｃ Ｍ ｕ ｌ Ｄ ｉ ｓ ａ Ｔ Ｓ ４Ｂ Ｔ Ｓ８ Ｂ ＴＳ ８ Ａ ｇ ｔ ｚｎ Ｏ ｃ ｌｏ ｃｐ Ｕ ｅ Ｍ ｎａ Ｄ６ ４ ， ６ ４＆ Ｄ ７ ４ Ｄ ｉ ｉ ｉｇ ｉｌｓｏ ｅ ｓｒ ｕ ｌ Ｄ ｉ ｓ ａ
利用内 插法的实时采样， 示波器在单程内 只收集很少量的采样点 在间隙处利用内插法进行
填充。 内插法是利用一些点推算出整个波形的处理方法， 它的作用是在波形的实际采样点之
间划线，从而建立连续的波形曲线，而不是 一 串单独的点。
既然内 插法对数字存储示波器必不可少， 那么， 它是如何 ） ＿ 作的， 又能对波形显示产＇ ｔ
示波器的采样速率为信号频率的 １ 倍时， ０
图 ３６ ： ． ｊ ．波器的采样速率为信 号 频今的 １ 倍 ０
基 本可反映真实的波形，只是在波形峰值
处有畸变；当 示波器的采样速率 为信号频
率的５ 倍时、可反映出信号的真实情况 ０
４ 、结论及意义
值得注意的是：为了 准确地再现信号 图３ 示 器 采 速率 信 频 的５倍 ． 波 的 样 为 号 率 ０ 了
将随之而改变。 本实验通过一次 触发 采集到一个；ｊ波信号， Ｌ玄 ｉ ＇ 然后改变内 插方式来观察波形
是否随之而改变，从而判定 匕 述说法的准确性
实验设 我们利用数字示波器以实际采样率对一个 ２Ｈ 频ຫໍສະໝຸດ Baidu信号进行采样。 置： Ｇｚ 然后利
川两种内插法分别进行还原显示。
实验数据： ． 图３１ 是采用正弦内插法采集到的波形， ． 图３２ 是将内插法改变为线性内插 后原波形的显示情况；图 ３３是采用线 ． Ｊ 性内插法采集到的波形，图 ３４ ． 是将内
数字示波器的波形测量方法 （ 一）
石莉 张夙世 贾平 （ 西北核技术研究所，陕西省西安市，７０２ ） １０４
Ｗａ ｅｆ ｍ ｕｒ ｍｅ ｏｆ Ｔｈ Ｍｅｔ ｏ ｏｆ ｖ ｏｒ Ｍｅａｓ ｅ ｎｔ ｅ ｈ ｄ
Ｔｈｅ Ｄ ｇ ｔ ｌ ｉ ｌ ｓ ｏ ｅ Ｏ ｃ ｌ ｏ ｃ ｐ ｓ ｉ ｉａ ｓ
冲时很可能产生明显的过冲或 卜 冲。 Ｈ 前一种改进的正弦内插法可以在显示脉冲时消除不精确性。 ｉ（ ／ 内捅法是基 ｊ Ｓｎｘ ｘ ）
Ｎｑｉｔ定理，它根据数字信号处理的 ｙｕｓ 理论，来计算被采集的采样点间的路径。 ｉ（ ／ Ｓｎｘ ｘ ） 内 插法只 有在满足Ｎｑｉ 定理的前提下 ｙｕｓ ｔ 才会消除视感混淆的 影响。 真正 为了 地去除视感混
一 １ 一 ６
而在脉冲方式时， 应尽量使用线性内 插来进行波形的还原显示， 那么， 多高采样率 满足 才能
要求？
当采用两种内插方式时，示波器的采样速率与信号的最高频率之间存在怎样的关系？ 由上述实验可以看出，在采用正弦内插法
上相当于在采样前端增加了一个前置滤 波器，该滤波器的特性是受内插处理方 法的设定来控制的，换句话说，数字存 储示波器所记录的信号是经过一个 “ 滤 波器”后的波形，因而，该 “ 滤波器”
图３３ 线性内插采集到的波形 ．
设定的正确与否或滤波效果，将直接影
假设上述认识正确，那么就是说，不
论怎样设 定内 插法，在数字存储示波器的 Ａ Ｄ转换寄存器中存储的数据都是原始的
波形数据，内插法所产生的点只是用干改
变显示的波形方式，由此推论，当一次触
图３２ 转 线 擂 的 形 ． 换成 性内 后 波
发完成后， 寄存器中将记录 卜 原始的波形数据， 然后根据所设定的内 插方式显示响应的波形， 当改变内插方式时， 因原始数据不变， 因而内 插点将随内插法的改变而改变， 显示的波形也
插法改变为正弦内插后原波形的显示情
况。
实验结论：从对比中可以 很明显的 看出， 波形并不随内插法的改变而改变， 也就是说， 内插处理实际上在 Ａ 转换过 Ｄ
程中就开始进行了，寄存器中所保存的 是经过内插后得到的数据。通过本实验
我们了 解到， 数字示波器在采样过程中，
就已 经在进行相应的内插处理了，客观
１ 、引言
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。 在人多数应用中，｝ １ ， 现 的图形能够表明信号随时间的变化过程。 最初的形式是模拟示波器， Ｌ 其 作方式是直接测量 信号电压。随着数字电 路技术的 屹 速发展，特别是Ａ 转换技术的不断提高，数字示波器也 Ｄ 得到了 快速发展， 在许多应用场合替代了 模拟示波器。 数字示波器在测量原理上也与模拟示
率和信号采样点间连接所采用的内插法。 在使用正 弦内 插法时， 准确再 为了 现信号， 示波器 的采样速率至少为信号 最高频率成分的２５ 使用线性内 ． 倍。 插法时， 示波器的采样速率应至
少是信号最高频率成分的 １ 倍。 ０
上述实验表明， 插法对信号的影响是很大的。 内 首先， 应考虑该示波器所用于测量的具
— １ — ７
开避免混淆， 奈奎斯特判据规定， 对信号进行采样的速率必须不小于该信号 最高频率成分的
两倍。 然而， 这个定理的 前提是基于 无限长时间和连续的 周期信号。 没有示波器可以 由于 提
供无限 的记 度， 时间 录长 而且， 从定义上 低频干 看， 扰是不 连续的， ， 用两倍于 所以 采 最高 频率成分的 速率通 不 采样 常是 够的。 上 验可以 ： 由 述实 看出 信号的 准确再 取决于 采样速 现 其
实验数据：图 ３５ ． ３７ －图 ． 均是采用线 ｖ内插法测得的结果，图３５ ｉ ． 是示波器的采
样速率为信号频率的 ５倍 ；图３ｓ ． 是示波器
的采样速率为信号频率的 １ ０倍：图 ３ ７是 ．
示波器的采样速率为信号频率的 ５ ０倍时的
寸况 占
实验结论：从图３５ ． ． 的测量数 一图３了 据可以看出， 在采用线性内抽法时，当示波 器的采样速率为信号频率的５ 倍时，波形 畸变严重，无法看出波形的实际情况；当
淆的影响，我们必须采用Ｓｎｘ／ 的数字滤波器。这种数字滤波可在波形止确的采样１间 ｉ（ ｘ ） 从 计算出止确无误的中间点 Ｓｎｘ／ 插法是区分实际混淆和视感混淆的手段 它是利川 ｉ（ ｘ内 ） 自 适应前置滤波器判明快速信号瞬变位置并作相应补偿。 虽然这个方法比 线性内插法要求史
多的计算，但却提高了波形的重建精度 卜 面，我们通过实验来进行说明内插 法是怎样上作的。目的是通过实验结果的 对比分析来了解内插法的工作情况。 实验 一：内插法是在何时进行的 一 般认为，内插法作为数字示波器的
ｓ ｌ ｃ ｉ ｇ ｓ ｉ ｌ ｓ ｏ ｅ ａ ｄ ａ ｅ ｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｎ ａ ｅ ｎ ｉ ａ ｅ ． ｅ ｅ ｔ ｎ ｏ ｃ ｌ ｏ ｃ ｐ ｓ ｎ ｗ ｖ ｆ ｒ ｍ ａ ｕ ｅ ｅ ｔ ｒ ｔ ｄ ｉｄ ｃ Ｋ ｙ ｒ ｓ ｉ ｉａ ｏ ｉ ｌ ｓｏ ｅ Ｍ ｔ ｏ ｏ Ｗ ｖ ｆ ｒ Ｍ ａ ｕ ｅ ｅ ｔ ｄ Ｄ ｇ ｔ ｌ ｃ ｌｏ ｃ ｐ ｓ Ｔ ｅ ｅ ｈ ｄ ｆ ａ ｅ ｏ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍ ｎ ｅ Ｗ ｏ ｓ ｈ
响测试结果。 所以， 选择数字示波器时，
图３ 转 成正 内 后 波 ． 换 弦 插 的 形 ４
不应仅看到采样率与带宽， 还应该在实际测量中进行比较， 检查该滤波器 （ 内筹法） 处理的
是否准确。
实验二：多高采样率才能满足要求 从实验一司看出：５ 倍采样率时 （Ｏ／Ｇ，利用线性内插获得的波形畸变非常严重。 ｌ ２） Ｇ
一种数学处理方法，应该是在中央处理器
的控制 下，对所采集到的波形数据点进行
相应的 （ 按照所设 定的内 插方式） 数学 运
算， 计算出实际采样点之间的内插点的值， 然后， 再将经过内 插后的点序列进行处理 后显示出实际的波形。也就是说内插法是
图３１ 正 内 ｓ集 的 形 ． 弦 ９ 到 波 采
在采集完成后进行的。实际 情况如何呢？
波器有了很大的不同， 因而，在许多方面还需进一步探讨，我们将就数字示波器在波形测量
上的一些较为普遍的问题采用实验对比的方式进行探讨，本文为其中的第一篇。
２ 、问题的提出
无论数字示波器以实时或等效时间采样方式获取波形信息，内插法都是必不可少的。 用内插法 “ 连接各采样点’ ， ，即使信号在一个周期内仅采样儿次，也能有精确的显示。对于