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第8章 数字存储示波器
数字存储示波器是20世纪７０年代初发展起来的一种新型 示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进 行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步 的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值 等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出 现使传统示波器的功能发生了重大变革。
(5) 具有很强的处理能力，这是由于数字存储示波器内含微处理器， 因 而能自动实现多种波形参数的测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、
取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘等运算处理。 同时还能使仪器具有许多自动操作功能，例如自检与自校等功能，使仪器使 用很方便。
(6) 具有数字信号的输入/输出功能， 所以可以很方便地将存储的数据送 到计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算或分析处理。同时还可以通 过GP－IB 接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。
(4) 测量精度高。模拟示波器水平精度由锯齿波的线性度决定，故很难 实现较高的时间精度，一般限制在3%～5%。而数字存储示波器由于使用晶 振作高稳定时钟，有很高的测时精度。采用多位A/D转换器也使幅度测量精 度大大提高。尤其是能够自动测量直接读数，有效地克服示波管对测量精度 的影响，使大多数的数字存储示波器的测量精度优于1%。
数字存储示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换 器最大转换速率等因素的影响，数字存储示波器目前还不能用 于观测频率较高的信号。
8.2 数字存储示波器的原理分析
波形的采集
波形的显示 波形的测量 波形的处理
实时取样 等效时间取样
8.2.1 实时取样方式的采集原理 8.2.2 等效时间取样方式的采集原理 8.2.3 波形的显示 8.2.4 波形参数的测量与处理
8.1 概述 8.2 数字存储示波器的原理分析 8.3 数字存储示波器的设计
8.1 概述
8.1.1 数字存储示波器的组成原理 典型的数字存储示波器原理框图如图所示
8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标
1． 最大取样速率 fmax
定义：单位时间内完成的完整 A／D 转换的最高次数。 最大取样速率主要由 A／D转换器的最高转换速率来决定。 最大取样速 率愈高，仪器捕捉信号的能力愈强。
3． 分辨率
分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与 A/D 转换器的分辨 率相对应，常以屏幕每格的分级数 (ห้องสมุดไป่ตู้/div) 表示。水平分辨率由存储器的容 量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点/div 示波管屏幕坐标的刻度一般为 8×10 div。若示波器采用8位 A/D 转换器 (256级)，则其垂直分辨率为32级/div，用百分数表示为 1/256≈0.39％。若采 用容量为1KB的存储器，则水平分辨率为 1 024/10≈100 点/div，或用百分数 表示为 1/1 024≈0.1％。
4． 存储容量
存储容量又称记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示， 常以字（word）为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。
数字存储器的存储容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存储容 量愈大，水平分辨率就愈高。但存储容量并非越大越好，由于仪器最高取样 速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的 重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
数字存储示波器在某个测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定 的扫描时间因数（t/div）推算。其推算公式为
式中
f N t / div
（8.1）
N ——每格的取样数；
t/div——扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度，
例如， 若某数字示波器的扫描时间因数设定为10μs/div， 每格取样数为 100点，则此时的取样速率等于10MHz。
(1) 数字存储示波器在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进 行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶 段，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获 得清晰而稳定的波形。
◆ 可以无闪烁地观察频率很低的信号，这是模拟示波器无能为力的。 ◆ 对于观测频率很高的信号来说，模拟示波器必须选择带宽很高的阴 极射线示波管，这就使造价上升，并且显示精度和稳定性都较低。而数字存 储示波器采用了一个固定的相对较低的速率显示，从而可以使用低带宽、高 分辨率、高可靠性而低造价的光栅扫描式示波管，这就从根本上解决了上述 问题。若采用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息.
5． 读出速度
读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div表示。 其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量×读脉冲周期。
使用时，示波器应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的不同要求， 选择不同的读出速度。
8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标
数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。
很显然，数字示波器最大取样速率fmax与示波器最快扫描速度相对应。 若该数字示波器最快扫描速度为100μs/div，则其fmax为1GHz
2． 存储带宽
存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等 于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。实际上，在数字存储示波 器的设计中，为保证显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点， 一般 一个周期取4～10点。
(2) 数字存储示波器能长时间地保存信号。这种特性对观察单次出现的瞬 变信号尤为有利。
有些信号，如单次冲击波、放电现象等都是在短暂的一瞬间产生，在示 波器的屏幕上一闪而过，很难观察。数字存储示波器问世以前，屏幕照相是 “存储”波形采取的主要方法。数字存储示波器把波形以数字方式存储起来，
(3) 具有先进的触发功能。数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而 且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间，这对材料强 度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具。除此之外，数字存储示波 器还可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式， 来实现多种触发功能，方便、准确地对电信号进行分析。
数字存储示波器是20世纪７０年代初发展起来的一种新型 示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进 行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步 的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值 等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出 现使传统示波器的功能发生了重大变革。
(5) 具有很强的处理能力，这是由于数字存储示波器内含微处理器， 因 而能自动实现多种波形参数的测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、
取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘等运算处理。 同时还能使仪器具有许多自动操作功能，例如自检与自校等功能，使仪器使 用很方便。
(6) 具有数字信号的输入/输出功能， 所以可以很方便地将存储的数据送 到计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算或分析处理。同时还可以通 过GP－IB 接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。
(4) 测量精度高。模拟示波器水平精度由锯齿波的线性度决定，故很难 实现较高的时间精度，一般限制在3%～5%。而数字存储示波器由于使用晶 振作高稳定时钟，有很高的测时精度。采用多位A/D转换器也使幅度测量精 度大大提高。尤其是能够自动测量直接读数，有效地克服示波管对测量精度 的影响，使大多数的数字存储示波器的测量精度优于1%。
数字存储示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换 器最大转换速率等因素的影响，数字存储示波器目前还不能用 于观测频率较高的信号。
8.2 数字存储示波器的原理分析
波形的采集
波形的显示 波形的测量 波形的处理
实时取样 等效时间取样
8.2.1 实时取样方式的采集原理 8.2.2 等效时间取样方式的采集原理 8.2.3 波形的显示 8.2.4 波形参数的测量与处理
8.1 概述 8.2 数字存储示波器的原理分析 8.3 数字存储示波器的设计
8.1 概述
8.1.1 数字存储示波器的组成原理 典型的数字存储示波器原理框图如图所示
8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标
1． 最大取样速率 fmax
定义：单位时间内完成的完整 A／D 转换的最高次数。 最大取样速率主要由 A／D转换器的最高转换速率来决定。 最大取样速 率愈高，仪器捕捉信号的能力愈强。
3． 分辨率
分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与 A/D 转换器的分辨 率相对应，常以屏幕每格的分级数 (ห้องสมุดไป่ตู้/div) 表示。水平分辨率由存储器的容 量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点/div 示波管屏幕坐标的刻度一般为 8×10 div。若示波器采用8位 A/D 转换器 (256级)，则其垂直分辨率为32级/div，用百分数表示为 1/256≈0.39％。若采 用容量为1KB的存储器，则水平分辨率为 1 024/10≈100 点/div，或用百分数 表示为 1/1 024≈0.1％。
4． 存储容量
存储容量又称记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示， 常以字（word）为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。
数字存储器的存储容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存储容 量愈大，水平分辨率就愈高。但存储容量并非越大越好，由于仪器最高取样 速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的 重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
数字存储示波器在某个测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定 的扫描时间因数（t/div）推算。其推算公式为
式中
f N t / div
（8.1）
N ——每格的取样数；
t/div——扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度，
例如， 若某数字示波器的扫描时间因数设定为10μs/div， 每格取样数为 100点，则此时的取样速率等于10MHz。
(1) 数字存储示波器在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进 行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶 段，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获 得清晰而稳定的波形。
◆ 可以无闪烁地观察频率很低的信号，这是模拟示波器无能为力的。 ◆ 对于观测频率很高的信号来说，模拟示波器必须选择带宽很高的阴 极射线示波管，这就使造价上升，并且显示精度和稳定性都较低。而数字存 储示波器采用了一个固定的相对较低的速率显示，从而可以使用低带宽、高 分辨率、高可靠性而低造价的光栅扫描式示波管，这就从根本上解决了上述 问题。若采用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息.
5． 读出速度
读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div表示。 其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量×读脉冲周期。
使用时，示波器应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的不同要求， 选择不同的读出速度。
8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标
数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。
很显然，数字示波器最大取样速率fmax与示波器最快扫描速度相对应。 若该数字示波器最快扫描速度为100μs/div，则其fmax为1GHz
2． 存储带宽
存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等 于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。实际上，在数字存储示波 器的设计中，为保证显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点， 一般 一个周期取4～10点。
(2) 数字存储示波器能长时间地保存信号。这种特性对观察单次出现的瞬 变信号尤为有利。
有些信号，如单次冲击波、放电现象等都是在短暂的一瞬间产生，在示 波器的屏幕上一闪而过，很难观察。数字存储示波器问世以前，屏幕照相是 “存储”波形采取的主要方法。数字存储示波器把波形以数字方式存储起来，
(3) 具有先进的触发功能。数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而 且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间，这对材料强 度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具。除此之外，数字存储示波 器还可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式， 来实现多种触发功能，方便、准确地对电信号进行分析。