近代电子测量技术 示波器ppt课件.ppt

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1、时域测量 示波器,Jddzcl_ Password:jddzcl,时域测量仪器,时域测量仪器：观察和测试信号的时域波形、测量脉冲的占空比、上升沿、下降沿、上冲等示波器；测量信号的电压、电流及功率电压表、电流表及功率计；测量电信号的频率、周期、相位及时间间隔通用电子计数器、频率计、相位计等；,从物理学家到电视维修人员，各种人士都使用示波器。汽车工程师使用示波器来测量发动机的振动。医师使用示波器测量脑电波。描述示波器的用途是没有止境的。,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。在大多数应用中，呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程：垂直（Y）轴表示电压，水平（X）轴表示时间。有时称

2、亮度为Z 轴。,概述,波的类型,波型正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波复杂波性质阶跃波和脉冲波周期和非周期信号同步和异步信号,幅度(电压)：最小值最大值 峰值-峰值 均方值周期均方值均值周期均值过冲过冲时间：延迟宽度宽度 上升时间下降时间周期频率 占空比占空比组合：相位 突发宽度,示波器可测量参数,现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮，以及基于屏幕的菜单，方便选择全自动的测量参数。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说，读取的数值可能比直接利用有刻度的工具更为准确。,示波器的发展与分类（一）,第一代模拟示波器 （ART

3、-Analog Real Time Oscilloscope） 20世纪40年代电子示波器兴起的时代；20世纪60年代出现了带宽6GHz的取样示波器；20世纪70年代模拟式电子示波器达到高峰，带宽1GHz的多功能内插式示波器标志着当时科学技术的最高水平，模拟示波器从此没有更大的进展；20世纪80年代模拟示波器逐渐从前台退到后台。,示波器的发展与分类（二）,第二代数字存储示波器 （DSO Digital Storage Oscilloscope） 它能将电信号经过数字化及后置处理以后再重建波形，具有记忆、存贮被观察信号功能，可以用来观测和比较单次过程和非周期现象、低频和慢速信号以及在不同时间或不

4、同地点观测到的信号。1978年出现了数字储存示波器，它是公认的第二代示波器产品；进入90年代数字示波器除了提高带宽到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模拟示波器。,示波器的发展与分类（三）,第三代数字荧光示波器 （DPO Digital Phosphor Oscilloscope ） DPO是以数字荧光技术为核心的第三代示波器，通过多层次的辉度或彩色能够显示长时间内的信号。数字荧光示波器在技术上已经把前两代示波器产品数字模拟示波器和数字存储示波器的优点集中到一起，实现了所谓数字示波器模拟化，使数字示波器得到了更为广泛的应用。,示波器的发展与分类（四）,混合示波器（MSO） 混合信号示波器

5、是把数字示波器对信号细节的分析能力和逻辑分析仪多通道定时测量能力组合在一起的仪器。专用示波器 随着应用需求的牵引和技术发展，还产生了一些能满足特殊用途的示波器，如监测和调试电视系统的电视示波器，主要用于调试彩色电视中有关色度信号幅度和相位的矢量 示波器等等。,模拟示波器,模拟示波器的组成及原理,垂直通道,对从Y通道输入的信号进行调整，然后接至Y偏转板上。,将加到垂直偏转板的Y输入信号延迟，以保证屏幕上可以扫描出完整的信号,水平通道,组成：扫描发生器环、触发电路和X放大器,又称“时基电路”Time Base,CRT显示原理,CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。,灯

6、丝,阴极,栅极,阳极,通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制,调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,CRT 对模拟示波器显示频率范围的限制,在频率非常低的地方，信号呈现出明亮而缓慢移动的点，而很难分辨出波形。在高频处，起局限作用的是CRT的写速度。当信号频率超过CRT的写速度时，显示出来的过于暗淡，难于观察。模拟示波器的极限频率约为1GHz。,偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板 。当有外加电压作用时，偏转板之

7、间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）： 其倒数为示波管的Y轴偏转因数。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。,l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。,荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分 。在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉

8、效应”。,波形显示的基本原理（一）,1.显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,光点出现在荧光屏的中心位置。,光点仅在垂直方向偏移 ：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,光点仅在水平方向偏移 ：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直

9、线段。,仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。,（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。,光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。,模拟示波器波形显示扫描,扫描回程对显示波形的影响,连续扫描和触发扫描,当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题： 选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。 选择扫描周期等

10、于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。,触发扫描（Normal状态） 触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。,（1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。,n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。,模拟示波器波形显示同步,（2）TxnTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。,2显示任意两个变量之间的关系 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为：李沙育（Lissajous）图形 利用这种图形可对： 相

11、位 频率 进行测量！,波形显示的基本原理（二）,若两同频信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,相位测量,若两同频信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。,若两同频信号的初相不同，且在X、Y方向的偏转距离相同数字式（分别送入示波器的Y通道和X通道，使示波器工作在X-Y方式），在荧光屏上画出的图形为椭圆。,示波器工作于X-Y方式下，将频率已知的信号与频率未知的信号加到示波器的两个输入端，调节已知信号的频率，使荧光屏上得到李沙育图形，由此可测出被测信号的频率。 和 分别为水平线、垂直线与李沙育图形的交点数；

12、、 分别为示波器Y和X信号的频率。李沙育图形存在关系：,测量频率,最大交点数,例 如图所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？,MHz,李沙育图形频率与相位,数字示波器,模拟示波器的缺点,在显示方面：由于没有存储功能，无法观测单次信号，对于低频信号往往只能显示一个移动的亮点；触发方面：模拟示波器只有电平触发，而没有预触发和其它高级触发方式，这对于系统中多种异常信号是捕获不到的，并且不能看见事件发生前的信号情况；在测量方面：模拟示波器必须依赖屏幕上的刻度尺采用人工方式进行，会引进较大的人为误差；在扩大带宽方面：高频的模拟示波器的制作难度集中到CRT上，100M带宽以上的

13、CRT其成本急剧提高，1GHz频宽的模拟示波器的一半以上成本来自CRT，其成本比目前3GHz频宽的数字示波器还高。,数字示波器通过模数转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。它捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储；当需要显示时，再从存贮器中读出并重构波形。,数字示波器的主要优点,（1）波形的采样/存储与波形的显示是独立的因而可以无闪烁地观测极慢变化信号；对于观测极快信号来说，数字存储示波器可采用低速显示。（2）能长时间地保存信号便于观察单次出现的瞬变信号。 （3）先进的触发功能不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号。（4）测量准确度高采用了晶振和高分辨率A/D转换器。 （5）很

14、强的数据处理能力内含微处理器，能自动实现多种波形参数的测量与显示；还具有自检与自校等多种自动操作功能。 （6）外部数据通信接口可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。,数字示波器分类数字存储示波器（DSO）数字荧光示波器（DPO）数字混合示波器（MSO）,数字存储示波器（DSO）,数字存储示波器（DSO Digital Storage Oscilloscopes) ）是最常规的数字示波器数字存储示波器（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，

15、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。,DSO结构及工作原理,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

16、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采样的频率。该速率称为采样速率，表示为样值每秒（S/s）。,数字存储示波器顺序处理体系结构,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

17、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。,模拟示波器与DSO相比的优点,垂直分辨率：模拟示波器连续而且无限级，DSO分辨率一般只有8位至10位；数据更新快：模拟示波器从信号采集一直到在CRT上显示出波形都是纯粹的模拟通道,仅仅在扫描的回扫时间及闭锁Hold off时间内不采样信号,因此可以有很好的波形刷新率,一般在200,000次/秒左右，DSO由于进行A/D转换后要进行一系列的信号处理，因此有几个毫秒级的盲区，在这个盲区内出现的异常信号将被漏失；三维显示效果：模拟示波器除显示

18、时间与振幅的关系外，还可显示信号能量的变化，即振幅跟随时间的分布灰度显示，这样模拟示波器就能够清楚地辨别信号主体与噪声间的分别，尤其是在观察复杂动态的信号时。DSO只能两维幅度时间地显示捕获的信号，而不能表达幅度随时间的变化频率，即没有灰度级变化的显示。,数字荧光示波器（DPO）,DSO （Digital phosphor Oscilloscopes ）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。,黄色 = 特定

19、通道模块蓝色 = 系统模块（支持所有通道）,DPO的技术特点,在结构上：DPO将显示单元和数据处理单元形成并行的结构，中心处理器只作数据的数学处理，显示方面的处理由数字荧光单元完成，提高了仪器对波形数据的处理能力；在波形显示方面：有了以数字荧光单元为核心的专门通道，波形的捕获率有了质的提高，目前最高已经达到400,000次/秒，达到模拟示波器相同水平，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。在灰度显示方面：数字荧光示波器不仅能实现灰度级显示，而且其三维数组结构还能实现彩色亮度层次的荧光显示效果，即彩色显示。,采样技术初步,奈奎斯特采样带通欠采样并行和交替采样等效采样和取样示波器,奈奎斯特采

20、样,根据奈奎斯特采样定理，若最高工作频率为 ，则其采样速率应满足: 当 2GHz时，最低采样速率也应大于4GHz。,带通采样,一般的通信和雷达系统中处理的信号都是带通信号，即尽管载波频率可能非常高，但是需要处理的信号相对于载波频率来说是比较窄的。在数字中频接结构中，对信号在中频进行数字化，利用带通欠采样的方法可以大大降低采样速率，同时还可以完成频谱下搬移的过程。,欠采样与过采样,欠采样是指采样时钟频率低于被采样信号下限频率的采样方式；过采样是指采样频率远大于两倍以上被采样信号带宽的采样方式。带通采样即是欠采样的一种方式；而过采样即可以存在于带通采样，也可以存在于低通采样。,带通欠采样（一）,任

21、何信号经采样后，它的频谱在强度上将正比于采样频率，而频谱的内容将被无限复制，间隔为采样频率。,对于一个高频奇数奈奎斯特区内的带通信号采样等同于采样一个第一奈奎斯特区内的信号； 对于一个高频偶数奈奎斯特区内的带通信号采样等同于采样一个第二奈奎斯特区内的信号，不过此时存在频谱倒置问题，在数字部分需要进一步进行数字下变频（DDC）才能变为基带信号（第一奈奎斯特区内的信号），如果DDC的NCO频率高于输入DDC的数字信号的上限频率，即采用高中频DDC，可以利用其具有频谱倒置功能实现逆频谱倒置。,带通欠采样（二）,如果带宽为B的带通信号频谱所占的频率范围为从,到,fmin=0时即为奈奎斯特采样,在满足上

22、述条件的情况下，从概念上讲，可以用滤波器滤除在采样过程中增加的所有频谱分量，从而还原出原信号的频谱，即还原出原信号。,带通欠采样（三）,注：以上两式需同时满足,例：如果fmin140MHz，fmax180MHz，只要求80MHz，但是通过计算可以发现，130MHz是一个合格的采样频率，而150MHz和170MHz却不是合格的采样频率。,带通欠采样（四）,并行和交替采样（一）,当单片ADC无法满足采样精度或采样速率要求时，常用采用并行或交替采样方式，提高采样精度或采样速率。并行采样方式可提高采样精度；交替采样方式可提高采样速率。,并行和交替采样（二）,k路并行/交替采样电路框图,交替采样始终信号

23、为：,并行和交替采样（三）,k路交替采样脉冲时序图,如果k=2时，即采用双路并行采样，信噪比可提高6.02dB，相当于A/D变换的精度提高了1位；如果k=4时，即采用四路并行采样，信噪比可提高12.04dB，相当于A/D变换的精度提高了2位，依次类推。 当然，由于时钟信号的抖动、S/H电路模拟带宽等因素的限制，并行采样一般都不超过8路。,并行采样时钟信号为：,并行和交替采样（四）,误差分析： 由于ADC性能指标的分散性和电路布局布线方面的影响，并行和交替采样性能除了受单个ADC性能指标积分非线性、微分非线性、谐波失真、模拟带宽、孔径抖动等因素的影响外，主要受到k路A/D变换的孔径时间误差、k路

24、A/D变换的增益和直流偏移误差的影响。如果并行和交替采样的这些参数配合解决不好，将会导致非均匀采样问题出现，造成有用信号频谱发生畸变。,并行和交替采样（五）,等效采样（一）,周期信号的等效采样又被称为非均匀采样，是利用等时间增量的非均匀采样时钟信号去采样高速周期信号的一种方式。等效采样的最大优点是可以用频率相对很低的采样时钟去采样频率高达几百MHz，甚至上GHz的高速信号，如：射频脉冲信号、雷达回波信号等。,实时取样,等效取样,等效采样（二）,等效采样尽管可以用相对很低速率去采样高速周期信号，仅从频域来看好象并不受奈奎斯特采样定理的限制，但实际上并不是这样，而是利用时间累计换取频率，达到高速信

25、号采样的目的，其实质仍然满足奈奎斯特采样定理和香农定理。非均匀采样尽管降低了采样速率，但这种采样方式对采样时钟的时间递增量的大小及稳定性的要求更高，并对A/D变换前的S/H电路的建立时间及其保持特性都有很高的要求。顺序取样 随机取样,顺序取样示波器中的水平扫描信号为阶梯波电压，阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。,取样示波器显示原理,取样示波器特点,取样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。在测量重复周期信号时，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。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

26、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。另外，采样桥的前面也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，而数字存储和数字荧光示波器却能够处理50 到100甚至500伏特的输入。,ADC初步,ADC的几种典型电路结构ADC的特性,ADC的发展,ADC是信号采样系统的关键器件之一，是连接模拟与数字系统的桥梁。随着数字技术的飞速发展，ADC已被广泛应用于语音、医学成像、声纳、雷达、电子战、仪器、消费电子和通信系统中。而ADC的

27、采样速率和分辨力由于受到半导体器件工艺、A/D变换的孔径抖动、比较器的门限判决精度等因素的制约，发展比较缓慢，平均每8年提高1.5位。,ADC的几种典型电路结构,ADC根据其电路形式主要有：闪速型(FLASH) 适用于采样高速、中低精度信号（8bit左右）；连续逼近型(SAR) 电路结构简单，数据吞吐量大，适用于采样多路信号； 流水线型(PIPELINE) 适用于采样高速高精度信号，精度大于12bit；,FLASH型ADC,并行比较型ADC是目前可以见到的速度最快的ADC，它的结构和原理是比较简单的,主要用来实现高速中、低分辨率的A/D变换，目前可以实现的大部分并行比较型ADC都只有小于10比

28、特的精度。,逐次逼近型ADC由于电路结构简单、功耗低，以较低的成本得到很高的分辨率和采样速度因而成为应用最为普遍的一种ADC，它包括一个高分辨率比较器、高速DAC和控制逻辑以及逐次比较寄存器,SAR型ADC,逐次比较型ADC主要适用于中等转换速率（1MHz）和中等分辨率（1016位）的场合。,PIPELINED型ADC,Pipeline型ADC主要适用于中高速率（20MHz）的高分辨率（1214位）的场合。,ADC的特性,采样率与采样精度 信噪比（SNR） 无杂散动态范围（SFDR） 全功率模拟输入带宽,ADC的信噪比（SNR）量化误差,ADC的量化一般可分为有舍有入和只舍不入两种方法。有舍有

29、入法的量化误差在（-Q/2,Q/2）范围内均匀分布；只舍不入法的量化误差在（0,Q）范围内均匀分布，Q是ADC的最小电压分辨力，称为量化电平（1LSB） 通常认为量化噪声是在奈奎斯特频率范围（0fs/2）内均匀分布，面积为 。fs是奈奎斯特采样频率。假设ADC的满度输入为，则量化误差的方差为：,量化器的最大范围,信噪比（SNR）理论值,ADC的信噪比（SNR）与输入信号的频率和幅度有关。通常用满度输入SNR来表示，定义为输入频率一定的满度信号，其A/D变换输出的有用信号功率和量化噪声的功率的比值：,仅考虑量化噪声情况下的理论值，实际的噪声则还包括电路噪声、孔径抖动、比较器模糊度等引起的噪声,S

30、NR与位数有关,SNR与输入信号的大小有关,信噪比（SNR）理论值,对于正弦信号,信噪比（SNR）处理增益,当采样率提高时，采集到的信号带宽增大了，而量化噪声功率是固定的并且不依赖于带宽，这样的量化噪声分布在更大的带宽上，就减小了落入信号有效频带（0Hz）的量化噪声。因此，提高采样率，即利用过采样的方法可以提高ADC最大可能的信噪比。,Gp处理增益,有效位,在有些时候使用另一种参数代替SNR，即有效比特位数（ENOB）。它的定义是：在理想ADC中均方误差功率等于实际ADC中均方残余误差功率时，理想ADC中需要的比特位数。即由于实际ADC器件的所有误差源的影响，引起SNR的下降，相对于采样的有效

31、比特位数也随之下降。假设实际的信噪比为SNR，则有效比特位数为：,无杂散动态范围（SFDR）（一）,另一个衡量ADC的指标是无杂散动态范围（SFDR），SFDR的定义是：当在ADC的输入端输入一个正弦信号，该正弦信号的功率除以在ADC输出端信号频谱的最大杂散信号峰值功率。 SFDR允许人们评价一个ADC能够在非常大的信号存在的情况下，检测到非常小信号的能力。 SFDR通常是输入信号幅度的函数，可以用相对于输入幅度的分贝数（dBc）或相对于ADC满量程的分贝数来表示（dBFS）,无杂散动态范围（SFDR）（二）,无杂散动态范围（SFDR）（三）,对于一个理想的ADC，最大的SFDR发生在满幅度输

32、入的情况下。在实际的ADC中，最大的SFDR发生在输入幅度至少比全幅度输入小几个分贝时，这是因为当输入接近满幅度时，ADC的响应变得更加非线性，产生更多的失真。 另外，由于实际输入信号幅度的随机波动，当输入信号幅度接近满幅度时，信号幅度超出满幅度的概率就增大，这又另外产生了剪切失真。因此，在ADC的使用中避免输入信号幅度接近满幅度是非常重要的（即留有“净空”）。 对实际ADC估计其SFDR是困难的，所以通常用测量的方法给出ADC的SFDR指标。,全功率模拟输入带宽,当使用ADC做带通采样时，进入ADC的最大输入频率大于采样频率的一半，此时，全功率模拟输入带宽是一个重要的指标。通常对全功率模拟输

33、入带宽的定义是从0频率到某一个频率，在这个频率上，ADC的输出比最大输出降低3dB。通常，ADC应该工作于全功率模拟输入带宽之内。也就是说，尽管可以使用带通采样将高于采样频率一半的信号采集进来，但是被采样的信号带宽必须在ADC的全功率模拟输入带宽之内；否则的话，在模拟输入带宽之外的频率成分被衰减得很多，无法真实地反映原始信号。,非线性误差,非线性误差是指ADC理论转换值与其实际特性之间的差别。非线性误差又可分为：差分非线性（DNL）误差；积分非线性（INL）误差。,差分非线性（DNL）误差,差分非线性误差是指，对于一个固定的编码，理论上的量化电平与实际中最大电平之差。常用与理想量化电平相比，用

34、所差的百分比或零点几位来表示。差分非线性误差主要由于ADC本身电路结构和制造工艺等原因，引起在量程中某些点的量化电压和标准的量化电压不一致而造成的。,差分非线性（DNL）误差,积分非线性（INL）误差,积分非线性误差是指ADC实际转换特性与理想转换特性直线之间的最大偏差。常用满刻度值的百分数来表示。理想直线可以利用最小均方算法得到。积分非线性误差是由于ADC模拟前端、采样保持器及ADC转换器的传递函数的非线性所造成的。,积分非线性（INL）误差,数字示波器的基本使用,示波器主要控制及设置按钮,水平刻度调整 (s/div),水平位置,垂直位置,垂直刻度调整 (V/div),输入 BNC,触发电平

35、,Agilent InfiniiVision 2000 和 3000 X 系列示波器,自动定标,垂直区：信号的衰减和放大值。通过控制伏特/格，可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。水平区：时基。通过控制秒/ 格，可以显示屏中每一水平刻度代表的时间量。触发区：示波器触发。利用触发电平，可以稳定重复信号，或者触发单一的事件。,适当调整波形刻度,- 显示的周期数过多。- 幅度刻度调整过低。,初始设置情况（示例）,最佳设置情况,触发电平,设置示波器波形刻度调整是一个反复调整前面板，直到出屏幕上显示所需 “图形”的过程。,调整 V/div 旋钮，直到波形在垂直方向充满大部分屏幕为止。调整垂直位置旋钮，直

36、到波形垂直居中为止。调整 s/div 旋钮，直到水平方向只显示少数几个周期数为止。调整触发电平旋钮，直到电平设置在垂直方向接近波形中间为止。,垂直系统的基本控制,波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件。,通用垂直控制包括：垂直位置控制（位置、标度、缩放、偏移）耦合方式： DC 直流 AC 交流 GND 地线带宽限制： 20 MHz 250 MHz 全带宽端接设备： 1M 欧 50 欧,垂直位置控制 控制波形的准确地上下移动和调节每刻度的电压值。 调节每刻度电压值（通常记为volts/div，伏特/格），那么显示波形大小会随之改变。较好的通用示波器可以精

37、确显示信号电平范围大概是从4微伏到40 伏特。 需注意的是探头有1X或10X两档衰减值，如果示波器没有自动将伏特/每格除以衰减系数，则需自己设置；,输入耦合方式DC、AC或者GND 耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式，指测试电路与示波器的连接。DC耦合会显示所有输入信号AC 耦合去除信号中的直流成分，结果是显示的波形始终以零电压为中心。当整个信号（振荡的电流直接电流）大于伏特/ 格的设置时，AC 耦合非常适用。观察地线，就可以知道屏幕中零电压的位置测试信号电压相对地的电平值的便捷方法为，把耦合从DC 转换到地，再重新转换回DC。,带宽限制 一般示波器都存在限制示波器带宽的电路

38、。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。但要注意的是，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。端接设备 1M/50,位置和秒/格 水平位置控制使波形在屏幕上左右准确移动。秒/格设置（通常记为sec/div，秒/ 格）可以使您选择波形描绘到屏幕上的速率（也被称为时基设置和扫描速度）。该设置是一个标度因数。如果设置为1ms，则表示水平方向每刻度表示1ms，而整个屏幕宽度代表10ms，或者10 格。改变sec/div 设置，可以看到输入信号的时间间隔作增长和缩短的变化。,水平系统的基本控制,缩放 示波器可能有一种专门的水平放大设置，通过它，可以在屏幕

39、上放大波形的一部分。数字存储示波器（DSO）在存储数字数据部分有对缩放的操作。XY水平模式 XY水平模式用两个输入通道把示波器从电压对时间的显示转换成电压对电压的显示。通道1是X轴输入，通道2是Y轴输入，这样利用李萨如法就可以测量两个相同频率信号的相位差。,了解示波器触发,触发通常是示波器被了解得最少的功能，但该功能是您应了解的最重要功能之一。,拍摄赛马比赛撞线时的照片与示波器触发相似,将示波器“触发”看作“同步图形获取”。一个波形“图形”包含多个连续的数字化采样。“图形获取”必须同步到重复波形的唯一点。大多数常见示波器触发都基于在特定电压电平下同步信号上升或下降边沿的采集（图形获取）。,触发

40、示例,触发点,触发点,未触发（未同步的图形获取）,触发 = 上升边沿 0.0 V,触发 = 下降边沿 +2.0 V,触发电平设置在波形之上,正时间,负时间,默认触发位置（时间为零）= 屏幕中间（水平）早期模拟示波器的唯一触发位置 = 屏幕左侧,触发系统和控制,示波器的触发功能可以在信号的正确点处同步水平扫描，用来稳定重复波形，采集单脉冲波形(模拟)。 触发器使重复波形能够在示波器屏幕上稳定显示，实现方法是不断地显示输入信号的相同部分。否则如果每一次扫描的起始都从信号的不同位置开始，那么屏幕上的图象会很混乱,触发系统和控制触发方式,模拟和数字示波器都有边缘触发的方式，边缘触发是最基本和常见的类型

41、。模拟和数字示波器都提供触发门限，除此之外，许多高级数字示波器还提供许多特定的触发设置，而这些设置是模拟设备所不具备的，它们使对信号的检测得到简化。 高级触发控制使您可以单独关注感兴趣的地方，这样可以使示波器采样速率和记录长度得到优化。有一些示波器提供更高级的可选控制。您可以定义由脉冲幅度触发（比如矮脉冲），由时间限定（脉冲宽度、毛刺、信号压摆速率、建立/ 保持时间违规和超时），以及由逻辑状态或码型（逻辑触发方式）。,触发系统和控制常见触发方式,高级示波器触发,例如：I2C 串行总线触发,触发位置,数字示波器提供了水平触发位置控制，它代表的是波形记录中触发的水平位置，变更水平触发位置，可以采集

42、触发事件以前的信号，这样，可以确定触发点前面部分和后面部分所包含的可视信号的长度。模拟示波器在垂直系统中由延迟线提供了小量的预触发。,触发电平和斜率,斜率控制决定触发点是位于信号的上升沿还是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是负斜率； 电平控制决定触发点在边缘的何处发生。,触发源,任何一个输入通道；不同于输入通道的外部源；电源信号；来自一个或多个通道，并由示波器内部定义的信号； 注意：示波器可以使用交替的触发源，而不一定是被显示信号，如无意之中以通道1作触发，而实际又是显示的通道2的波形。,触发模式,通用触发模式有正常（Normal）和自动(Auto)两种 在正常模式下，只有当输入信号满足设置

43、的触发点时，才进行扫描；否则（对模拟示波器而言）屏幕呈黑色或者（对数字示波器而言）冻结在上一次捕获的波形图上；在自动模式下，即使没有触发，也能引起示波器的扫描。如果没有信号输入，示波器中的定时器触发扫描。这使得即使信号并不引起触发，显示也总不会消失。因此，实践中常常首先采用自动模式调整好示波器，然后利用正常模式观察所感兴趣的内容。,触发耦合,触发耦合通常有AC或DC两种，有的示波器还有高频抑制、低频抑制和噪声抑制的触发耦合方式。这些设置对消除触发噪声很有用处，噪声的消除可以避免错误的触发。,数字示波器的波形显示技术,点显示技术捕获模式 点显示就是在屏幕上以有间隔的点的形式将被获取的信号波形显示

44、出来。能够做到正确显示的前提是必须有足够的点来重构信号波形。数据点插值技术 通过插值补充相邻的样点之间的数据，解决点显示中的视觉错误问题。,捕获模式,捕获模式控制如何从采样点中产生出波形点 采样点是直接从模数转换器（ADC）中得到的数字值。采样间隔指的是相邻采样点的时间。波形点指的是存储在存储区内的数字值，它将重构显示波形。相邻波形点之间的时间差用波形间隔表示。 采样间隔和波形间隔可以一致，也可以不一样。由此产生出几种不同的实际捕获模式。常见的捕获模式类型有： 采样模式、峰值检测模式、高分辨率(Hi Res) 模式、包络模式和平均值模式,捕获模式采样模式,最简单的捕获模式，每一个波形间隔，示波

45、器存储一个采样点的值，并做为波形的一个点，在采样模式下不能捕获发生在波形点之间的快速变化的信号。,捕获模式峰值检测模式,示波器将波形间隔内采样出来的采样点，选取其中的最小值和最大值，并把这些样值当作两个相关的波形点。采用峰值检测模式的示波器以非常高的采样速率运行ADC，因此可以非常有效地能观察到偶尔发生的窄脉冲。,捕获模式包络模式,包络模式与峰值检测模式类似，但是包络模式是由多次捕获得到的多个波形的最小和最大波形点，重新组合为新波形，表示波形随时间变化的最小/最大量。,捕获模式平均值模式,对于平均值模式，在每一个波形间隔，示波器存储一个采样点，这一点与采样模式一致。随后处理方式则不同，该模式算

46、出连续捕获得到的波形点的平均值，然后产生最后的显示波形。平均值模式在减少噪声的同时并没有损失带宽，但它处理对象是重复的信号。,捕获模式高分辨率模式,该模式在一个波形点时间间隔内，采多个样值，然后算出平均值，得到一个波形点。此时噪声会对结果产生负面影响，而低速信号的分辨率会提高。,数据点插值技术,线性插值法：在相邻样点处直接连接上直线。这种方法局限于重建直边缘的信号，比如方波。 sin x/x 插值法：利用曲线来连接样点，通用性更强。这种插值法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通形状。当采样速率是系统带宽的3到5倍时，sin x/x 插值法是建议的插值法。,插值模式,示波器的使用选

47、用参考,带宽,示波器带宽指的是正弦输入信号衰减到其实际幅度的70.7% 时的频率值，即3dB 点，如果没有足够的带宽，示波器将无法分辨高频变化。幅度将出现失真，边缘将会消失，细节数据将被丢失。,示波器“高斯”频率响应,“带宽”是最重要的示波器规格,使用 100-MHz 带宽示波器的响应,输入 = 100-MHz 数字时钟,使用 500-MHz 带宽示波器的响应,模拟应用所需带宽： 最高正弦波频率的 3 倍。数字应用所需带宽： 最高数字时钟频率的 5 倍。 数字应用的 5 倍系数实际上只是“单凭经验”的建议。实际上还有一种更为准确的确定合适带宽的方法，这种方法基于高速边沿的实际频率分量，而与时钟

48、频率无关。,带宽,混迭现象: 数字示波器如果采样率不够，容易出现混迭现象,实际的高频波形,混迭后的低频波形,采样点,采样率,采样率 应至少为示波器带宽的 4 倍,采样率存储深度,采样率=存储深度/（时基单位扫描长度） 例：一台示波器存储深度为1k，扫描长度为10个单位刻度，时基设置为10s，则此时：示波器采样率=1024/10/10=10.24（MS/s）。 注意：在使用正弦插值法时，为了准确再现信号，示波器的采样速率至少需为信号最高频率成分的2.5倍。使用线性插值法时，示波器的采样速率应至少是信号最高频率成分的10倍。,波形捕获速率,示波器每秒钟以特定的次数捕获信号，在这些测量点之间将不再进

49、行测量，即波形捕获速率，表示为波形数每秒采样速率表示的是示波器在一个波形或周期内，采样输入信号的频率，波形捕获速率则是指示波器采集波形的速度。波形捕获速率取决于示波器的类型和性能级别，且有着很大的变化范围。高波形捕获速率的示波器将会提供更多的重要信号特性，并能极大地增加示波器快速捕获瞬时的异常情况，如抖动、矮脉冲、低频干扰和瞬时误差的概率。,分辨率,包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。 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(级div)或百分数来表示。 水平分辨率由存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。,触发能力触发种类、触发允

50、许的正负延时范围互联性示波器的互联性提供对结果的高级分析能力并简化结果的存档和共享。一些示波器通过标准的接口（GPIB、RS-232、USB、以太网）和网络通信模式提供一系列的功能和控制方式。,可扩展性,示波器应该能够不断地适应需求的变化。一些示波器可以：增加通道的内存以分析更长的记录长度增加面对具体应用的测量功能有一整套的兼容的探头和模块，加强示波器的能力同通用的第三方的Windows 兼容的分析软件协同工作增加附件，如电池组和机架固定件应用模块和软件将把示波器变成一个专用的分析工具，它可以执行以下功能：进行抖动和定时分析，微处理器存储体系验证，通信标准测试，磁盘驱动测量，视频测量，功率测量