数字存储示波器
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2013年8月20日8时20分
2、必须能稳定触发
30
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C. 等效时间采样－随机采样
随机采样原理：
在每次触发事件到来时，延迟一段随机的时间长度再进 行采样。 各组采样点是在触发事件出现之后的随机时刻采集的， 这些采样点之间的时间隔已知，由采样时钟来确定。相邻两 次触发事件之间，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存 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 一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。示波器从该 测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置。 随机采样技术的在优点在于可以提供预触发信息以及触 发后信息；且易于发现波形的细节。
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8
上节课内容回顾
1. 通用示波器的结构：水平通道 2. 双踪示波器 3. 双扫描示波器 4. 模拟示波器的缺点 5. 数字存储示波器的结构和原理 6. 数字存储示波器中的采样技术
2013年8月20日8时20分
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26
避免出现假像的方法：
（1）自动设置功能：一旦输入信号连好以后，示波器就能 自动地造反适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功 能也能帮助避免假象现象。 （2）在有些情况下，信号的频率变化得非常快，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，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。 （3）为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用数字存 储示波器的实时模式来观察信号。归要结底，模拟方式是不 可能发生假象现象的。或者选择使用第三代示波器。
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14
扫描 发生器 存储
水平 放大器
CRT 实时 输入 输入 衰减器 输入 放大器 延迟线 存储 存储 GPIB 控制器 实时 垂直 放大器
触发 电路 外触发
A/D 转换器
存储器 (RAM)
D/A 转换器
逻辑控制电路 (微处理器)
地址 计数器
D/A 转换器
记录输出 控制器
波形 重要谐波数（占基波幅度10％） 正弦波 1:01 方波 1:09 三角波 1:03 脉冲波（占空比50％） 1:09 脉冲波（占空比25％） 1:14 脉冲波（占空比10％） 1:26
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5
2. 波形上升时间与测量精度的关系
上升时间在波形10％－90％处测量，上升时间可由：
9
第三章
示波测试和测量技术－专题之二
数字存储示波器
2013年8月20日8时20分
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10
一、为什么采用数字存储示波器
1. 模拟示波器的优劣
• 对实际的信号变化有直接的视觉效果 • 亮度等级（信息出现的频率） • 非常快的波形获取率，没有量化误差和 信号混迭 • 在单通道作业模式下性能最好 • 单一的用户界面 • 纯粹的视觉信息 • 无法进行瞬态信号的捕获及储存 • 闪烁和漏失,对于低重复率信号能力有限 • 带宽性能有限、只有边沿触发 • 无法观察触发事件之前的信息
• ART整个系统，包括显示器必须维持示波器全部带宽。
• DSO在取样器之前，电路必须维持示波器的全部带宽，但在A/D之后需 要的带宽大大降低。
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20
2. 数字存储示波器采样技术
（1）数字存储示波器的采样率和采样定理
采样点
采样间隔
• 采样点等时间间隔分布 • 采样率以 样点数 /秒描述 (S/s, kS /s, MS/s, GS/s)
荧光屏 显示
数字储存示波器与模拟示波器比较
• ART采用传统电路技术在CRT上显示波形。
• DSO是把模拟信号转换为数字形式，才能显示或存储。
• ART的波形显示时间暂短的，当输入信号消失，波形也消失。只用来 观察周期性的重复信号。 • DSO波形可以保留在屏幕上，可进行分析。不但可以显示重复波形和 对低频信号做到无闪烁的清晰显示。并有捕获显示单次信号的能力。
– t上升时间＝0.35 /BW
BW：3db带宽(单位为Hz), 0.35：系数
信号上升时间/示波器对信号的上升时间 1/1 3/1 5/1 10/1
测量误差 41% 5.2% 2% 0.5%
结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。 P182 公式3-16 、 3-17
2013年8月20日8时20分
• 比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、 单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态 信号和非重复信号进行捕捉和分析。
2013年8月20日8时20分
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34
3. 采样率与信号带宽的关系
采样技术不同，使带宽定义复杂化： – 模拟带宽即重复信号带宽（放大器带宽） – 单次信号带宽
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25
如果采样时钟频率比信号频率低，将出现假象（Aliasing） 信号或者不正确频率的幻影信号。 假象信号频率和原来输入信号的频率完全不同。然而， 却可能表示出正确的波形形状，且往往还具有正确的幅度。
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第三章
示波测试和测量技术－专题之一
如何合理选择示波器 ？
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1
1. 根据被测信号频率选择示波器带宽
示波器首要技术指标－带宽 • 示波器的带宽是示波器垂直放大器的频率响应， • 定义为：信号幅度下降3dB.在此频点为示波器的带宽
例：100M带宽示波器输入100M 1V正弦波观察到的将是100M 0.707V • 对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。 • 请谨记住5倍带宽法则
2013年8月20日8时20分
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21
香农采样定理（奈奎斯特取样原理）
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。 –fs(取样率)＞2BW(信号频率）
–例：100M正弦波信号，最少采样率？ 200MS/s
触发点
2013年8月20日8时20分
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2
（1）示波器带宽不足导致波形失真
非正弦波是由基波加无数奇次谐波所构成。包含的谐波越 多，波形越近似方波。所以方波的质量根据包含的谐波次数， 其近似程度有所不同。
幅度衰减
波形失真
例：100MHz方波是由3次、5次、7次…………….合成，3次 谐波频率为300MHz、5次谐波频率为500MHz…………..
2013年8月20日8时20分
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27
（2）数字存储示波器采样技术
– 实时采样 – 等效时间采样（非实时采样） · 顺序采样 · 随机采样
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28
A. 实时(Real-Time)采样
一次触发采集信号所有资料
• 实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽4－5倍或更高。 • 不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号 中的毛刺和异常信号的有效方法。
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29
B. 等效时间采样－顺序采样
需要对信号进行多次触发
按固定顺序从重复性信号不同的周期经过多次触发和采样， 触发时间依次延迟Δ t,取得足够的采样点(存储器器的记录长度 ) 来重建这个重复信号的波形。 等效采样必须满足两个前提条件： 1、信号必须是重复的
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6
3. 其他考虑因素
（1）偏转灵敏度:10V--10nV，体现测量强弱信号的能力。 （2）扫描速度Ss：10S/cm--1nS/cm,观测窄脉冲或高频信号 1、工作特性 3、测量的准确度 5、数据处理方式 7、评价存档能力
2013年8月20日8时20分
2、性能价格比 4、通道数 6、采样速率 8、易使用
为单次(瞬态)信号测量中可获得的最大带宽 BWs＝fs(采样率) k (与重现技术有关的内插系 数) 例：内插系数4，采样率为100MS/s, 单次带宽？ 100MS/s4＝25MHz 多通道显示时可能影响单次信号带宽
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三、 数字存储示波器的特点
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。但却不能重现波形。
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23
wenku.baidu.com
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24
重现信号波形的技术： 内插技术（正弦内插、线性内插等）
具有实时和存储两种工作模式的数字示波器
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16
取样和存储过程
被测信号
地 址 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
数据
D0 D1
D2
取样脉冲
D3 D4 D5 D6
D7 D8 D9 D10 D11
17
RAM A8
A9
取样值
A10 A11
7
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第三章 示波测试和测量技术
本章作业：
课本P542: 4、5、7、10、15题
课程论文2：
试采用微处理器和电子电路设计技术设计一个数字 存储示波器的控制电路（已有示波管、XY偏转板等）， 并考虑如何提高示波器的波形捕获率。画出原理框图、 电路原理图、程序流程图，并给出设计和使用说明。
等效采样率（等效转换率）
转换率是指最快的水平扫描速度下，把 从对重复信号多次触发收集的采样点显 示在屏幕上时，点与点之间的最小时间 距离。
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33
实时采样率决定DSO 对单次信号的捕获能力
数字示波器 带宽100M，采样率500MS/s
数字示波器 带宽100M，采样率20MS/s
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2. 模拟示波器在显示极值时会遇到问题
低重复率快前沿信号
显示昏暗难以读出 由于模拟示波器的 技术局性。即使示 波器触发和信号存 在，但对某些信号 也是无法进行清晰 的显示或无法显示。 并丢失信息如：毛 刺
中等重复性信号（中等 频率），显示清楚但是 否漏失什么信息 低重复率信号（低频 信号），光迹不连续
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32
请注意所谓－等效采样率
单一触发 采样率的标准定义（实时）
最高采样率是指在单一触发中，模拟数 字转换器能采集的最大采样点数目。
每秒8个采样点
采样率＝8S/s 1 最快扫 （显示屏上每格 描速度 显示点数目） 等效转换率 ＝1 / (5nS/25) =5GS/s
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增加垂直分辨率：技术实现难度；造价问题
读出和显示过程
地 址 A0 A1 数据 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
读出 数字量
A2 A3 A4 A5 A6
A7 A8 A9 A10 A11
X通道 扫描 信号
D9 D10
D11
（1）提供多种触发方式 （2）提供多种波形显示方式 （3）提供自动测量和多种数据处理功能 （4）提供多种接口和输出方式 （5）其他特点
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（1）提供多种触发方式
a、可进行负延迟触发
同时观察到触发点前、后的波形。例如： 有利于观察振荡器起振的过程。
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3
（2）示波器带宽对测量波形影响
观测20MHz的方波
在200MHz带宽示波器测试所 显示的结果
在20MHz带宽示波器测试所 显示的结果
示波器所显示的波形
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4
（3）影响波形的谐波数是基波的倍数
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3. 数字存储示波器捕捉模拟示波器难以发现的问题
低重复率快前沿 信号的细节
高频的差别快速 毛刺的细节
非常低频的信号
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二、数字存储示波器的 组成与工作原理
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2、必须能稳定触发
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C. 等效时间采样－随机采样
随机采样原理：
在每次触发事件到来时，延迟一段随机的时间长度再进 行采样。 各组采样点是在触发事件出现之后的随机时刻采集的， 这些采样点之间的时间隔已知，由采样时钟来确定。相邻两 次触发事件之间，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存 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 一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。示波器从该 测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置。 随机采样技术的在优点在于可以提供预触发信息以及触 发后信息；且易于发现波形的细节。
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上节课内容回顾
1. 通用示波器的结构：水平通道 2. 双踪示波器 3. 双扫描示波器 4. 模拟示波器的缺点 5. 数字存储示波器的结构和原理 6. 数字存储示波器中的采样技术
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避免出现假像的方法：
（1）自动设置功能：一旦输入信号连好以后，示波器就能 自动地造反适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功 能也能帮助避免假象现象。 （2）在有些情况下，信号的频率变化得非常快，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，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。 （3）为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用数字存 储示波器的实时模式来观察信号。归要结底，模拟方式是不 可能发生假象现象的。或者选择使用第三代示波器。
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扫描 发生器 存储
水平 放大器
CRT 实时 输入 输入 衰减器 输入 放大器 延迟线 存储 存储 GPIB 控制器 实时 垂直 放大器
触发 电路 外触发
A/D 转换器
存储器 (RAM)
D/A 转换器
逻辑控制电路 (微处理器)
地址 计数器
D/A 转换器
记录输出 控制器
波形 重要谐波数（占基波幅度10％） 正弦波 1:01 方波 1:09 三角波 1:03 脉冲波（占空比50％） 1:09 脉冲波（占空比25％） 1:14 脉冲波（占空比10％） 1:26
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2. 波形上升时间与测量精度的关系
上升时间在波形10％－90％处测量，上升时间可由：
9
第三章
示波测试和测量技术－专题之二
数字存储示波器
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一、为什么采用数字存储示波器
1. 模拟示波器的优劣
• 对实际的信号变化有直接的视觉效果 • 亮度等级（信息出现的频率） • 非常快的波形获取率，没有量化误差和 信号混迭 • 在单通道作业模式下性能最好 • 单一的用户界面 • 纯粹的视觉信息 • 无法进行瞬态信号的捕获及储存 • 闪烁和漏失,对于低重复率信号能力有限 • 带宽性能有限、只有边沿触发 • 无法观察触发事件之前的信息
• ART整个系统，包括显示器必须维持示波器全部带宽。
• DSO在取样器之前，电路必须维持示波器的全部带宽，但在A/D之后需 要的带宽大大降低。
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2. 数字存储示波器采样技术
（1）数字存储示波器的采样率和采样定理
采样点
采样间隔
• 采样点等时间间隔分布 • 采样率以 样点数 /秒描述 (S/s, kS /s, MS/s, GS/s)
荧光屏 显示
数字储存示波器与模拟示波器比较
• ART采用传统电路技术在CRT上显示波形。
• DSO是把模拟信号转换为数字形式，才能显示或存储。
• ART的波形显示时间暂短的，当输入信号消失，波形也消失。只用来 观察周期性的重复信号。 • DSO波形可以保留在屏幕上，可进行分析。不但可以显示重复波形和 对低频信号做到无闪烁的清晰显示。并有捕获显示单次信号的能力。
– t上升时间＝0.35 /BW
BW：3db带宽(单位为Hz), 0.35：系数
信号上升时间/示波器对信号的上升时间 1/1 3/1 5/1 10/1
测量误差 41% 5.2% 2% 0.5%
结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。 P182 公式3-16 、 3-17
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• 比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、 单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态 信号和非重复信号进行捕捉和分析。
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3. 采样率与信号带宽的关系
采样技术不同，使带宽定义复杂化： – 模拟带宽即重复信号带宽（放大器带宽） – 单次信号带宽
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25
如果采样时钟频率比信号频率低，将出现假象（Aliasing） 信号或者不正确频率的幻影信号。 假象信号频率和原来输入信号的频率完全不同。然而， 却可能表示出正确的波形形状，且往往还具有正确的幅度。
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第三章
示波测试和测量技术－专题之一
如何合理选择示波器 ？
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1. 根据被测信号频率选择示波器带宽
示波器首要技术指标－带宽 • 示波器的带宽是示波器垂直放大器的频率响应， • 定义为：信号幅度下降3dB.在此频点为示波器的带宽
例：100M带宽示波器输入100M 1V正弦波观察到的将是100M 0.707V • 对于非正弦波的波形，必须考虑其谐波。 • 请谨记住5倍带宽法则
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香农采样定理（奈奎斯特取样原理）
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。 –fs(取样率)＞2BW(信号频率）
–例：100M正弦波信号，最少采样率？ 200MS/s
触发点
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（1）示波器带宽不足导致波形失真
非正弦波是由基波加无数奇次谐波所构成。包含的谐波越 多，波形越近似方波。所以方波的质量根据包含的谐波次数， 其近似程度有所不同。
幅度衰减
波形失真
例：100MHz方波是由3次、5次、7次…………….合成，3次 谐波频率为300MHz、5次谐波频率为500MHz…………..
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（2）数字存储示波器采样技术
– 实时采样 – 等效时间采样（非实时采样） · 顺序采样 · 随机采样
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A. 实时(Real-Time)采样
一次触发采集信号所有资料
• 实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽4－5倍或更高。 • 不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号 中的毛刺和异常信号的有效方法。
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B. 等效时间采样－顺序采样
需要对信号进行多次触发
按固定顺序从重复性信号不同的周期经过多次触发和采样， 触发时间依次延迟Δ t,取得足够的采样点(存储器器的记录长度 ) 来重建这个重复信号的波形。 等效采样必须满足两个前提条件： 1、信号必须是重复的
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6
3. 其他考虑因素
（1）偏转灵敏度:10V--10nV，体现测量强弱信号的能力。 （2）扫描速度Ss：10S/cm--1nS/cm,观测窄脉冲或高频信号 1、工作特性 3、测量的准确度 5、数据处理方式 7、评价存档能力
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2、性能价格比 4、通道数 6、采样速率 8、易使用
为单次(瞬态)信号测量中可获得的最大带宽 BWs＝fs(采样率) k (与重现技术有关的内插系 数) 例：内插系数4，采样率为100MS/s, 单次带宽？ 100MS/s4＝25MHz 多通道显示时可能影响单次信号带宽
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三、 数字存储示波器的特点
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。但却不能重现波形。
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重现信号波形的技术： 内插技术（正弦内插、线性内插等）
具有实时和存储两种工作模式的数字示波器
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取样和存储过程
被测信号
地 址 A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
数据
D0 D1
D2
取样脉冲
D3 D4 D5 D6
D7 D8 D9 D10 D11
17
RAM A8
A9
取样值
A10 A11
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第三章 示波测试和测量技术
本章作业：
课本P542: 4、5、7、10、15题
课程论文2：
试采用微处理器和电子电路设计技术设计一个数字 存储示波器的控制电路（已有示波管、XY偏转板等）， 并考虑如何提高示波器的波形捕获率。画出原理框图、 电路原理图、程序流程图，并给出设计和使用说明。
等效采样率（等效转换率）
转换率是指最快的水平扫描速度下，把 从对重复信号多次触发收集的采样点显 示在屏幕上时，点与点之间的最小时间 距离。
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实时采样率决定DSO 对单次信号的捕获能力
数字示波器 带宽100M，采样率500MS/s
数字示波器 带宽100M，采样率20MS/s
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2. 模拟示波器在显示极值时会遇到问题
低重复率快前沿信号
显示昏暗难以读出 由于模拟示波器的 技术局性。即使示 波器触发和信号存 在，但对某些信号 也是无法进行清晰 的显示或无法显示。 并丢失信息如：毛 刺
中等重复性信号（中等 频率），显示清楚但是 否漏失什么信息 低重复率信号（低频 信号），光迹不连续
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请注意所谓－等效采样率
单一触发 采样率的标准定义（实时）
最高采样率是指在单一触发中，模拟数 字转换器能采集的最大采样点数目。
每秒8个采样点
采样率＝8S/s 1 最快扫 （显示屏上每格 描速度 显示点数目） 等效转换率 ＝1 / (5nS/25) =5GS/s
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增加垂直分辨率：技术实现难度；造价问题
读出和显示过程
地 址 A0 A1 数据 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8
读出 数字量
A2 A3 A4 A5 A6
A7 A8 A9 A10 A11
X通道 扫描 信号
D9 D10
D11
（1）提供多种触发方式 （2）提供多种波形显示方式 （3）提供自动测量和多种数据处理功能 （4）提供多种接口和输出方式 （5）其他特点
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（1）提供多种触发方式
a、可进行负延迟触发
同时观察到触发点前、后的波形。例如： 有利于观察振荡器起振的过程。
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（2）示波器带宽对测量波形影响
观测20MHz的方波
在200MHz带宽示波器测试所 显示的结果
在20MHz带宽示波器测试所 显示的结果
示波器所显示的波形
2013年8月20日8时20分
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（3）影响波形的谐波数是基波的倍数
2013年8月20日8时20分
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3. 数字存储示波器捕捉模拟示波器难以发现的问题
低重复率快前沿 信号的细节
高频的差别快速 毛刺的细节
非常低频的信号
2013年8月20日8时20分
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二、数字存储示波器的 组成与工作原理
2013年8月20日8时20分