数字示波器简介及分类

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。

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

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数字荧光示波器和采样示波器。

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。

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)。

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。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。

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，。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。

串行处理体系结构

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。

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。

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。

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。

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。

如何使用数字示波器?

数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于数字示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

区分模拟带宽和数字实时带宽

带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关(数字实时带宽=最高数字化速率/K)，一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考数字示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

有关采样速率

采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是数字示波器的一项重要指标。

1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象

如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢?这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢?可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生;或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：

·调整扫速;

·采用自动设置(Autoset);

·试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。

·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。

2.采样速率与t/div的关系

每台数字示波器的最大采样速率是一个定值。但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：

fs=N/(t/div) N为每格采样点

当采样点数N为一定值时，fs与t/div成反比，扫速越大，采样速率越低。下面是TDS520B的一组扫速与采样速率的数据：

t/div(ns)1252550100200fs(GS/s)502510210.50.25

综上所述，使用数字示波器时，为了避免混迭，扫速档最好置于扫速较快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，扫速档则最好置于主扫速较慢的位置。

数字示波器的上升时间

在模拟示波器中，上升时间是示波器的一项极其重要的指标。而在数字示波器中，上升时间甚至都不作为指标明确给出。由于数字示波器测量方法的原因，以致于自动测量出的上升时间不仅与采样点的位置相关，如图2中a表示上升沿恰好落在两采样点中间，这时上升时间为数字化间隔的0.8倍。图2中的b的上升沿的中部有一采样点，则同样的波形，上升时间为数字化间隔的1.6倍。另外，上升时间还与扫速有关，下面是TDS520B测量同一波形时的一组扫速与上升时间的数据：

t/div(ms)502010521tr(μs)800320160803216

由上面这组数据可以看出，虽然波形的上升时间是一个定值，而用数字示波器测量出来的结果却因为扫速不同而相差甚远。模拟示波器的上升时间与扫速无关，而数字示波器的上升时间不仅与扫速有关，还与采样点的位置有关，使用数字示波器时，我们不能象用模拟示波器那样，根据测出的时间来反推出信号的上升时间。