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数字示波器参考材料第1页，共65页，编辑于2022年，星期六8.1.1 数字存储示波器的组成原理数字存储示波器的组成原理8.1 概述概述典型的数字存储示波器原理框图如图所示典型的数字存储示波器原理框图如图所示 第2页，共65页，编辑于2022年，星期六8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器的主要技术指标 定义：单位时间内完成的完整定义：单位时间内完成的完整 AD 转换的最高次数。转换的最高次数。最大取样速率主要由最大取样速率主要由 AD转换器的最高转换速率来决定。转换器的最高转换速率来决定。最大取样速率愈高，仪最大取样速率愈高，仪器捕捉信号的能力愈强。器捕捉信号的能力愈强。1 1 最大取样速率最大取样速率 fmax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）推算。其推算公式为 （8.1）式中式中 N每格的取样数；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，扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度，例如，例如，若某数字示波器的扫描时间因数设定为若某数字示波器的扫描时间因数设定为10s/div，每格取样数为每格取样数为100点，点，则此时的取样速率等于则此时的取样速率等于10MHz。很显然，数字示波器最大取样速率很显然，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示波器最快扫描速度为100ns/div，则其，则其fmax为为1GHz。第3页，共65页，编辑于2022年，星期六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，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，一般一个周期取一般一个周期取410点。点。2 2 存储带宽存储带宽 分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。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。垂直分辨率分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与与 A/D 转换器的分辨率转换器的分辨率相对应，相对应，常以屏幕每格的分级数常以屏幕每格的分级数(级级/div)表示。水平分辨率由表示。水平分辨率由存储器的容量存储器的容量来决定，常以屏幕来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点每格含多少个取样点（点/div）表示。）表示。示波管屏幕坐标的刻度一般为示波管屏幕坐标的刻度一般为 810 div。若示波器采用。若示波器采用8位位 A/D 转换器转换器(256级级)，则其垂直分辨率为，则其垂直分辨率为32级级/div，用百分数表示为，用百分数表示为 1/2560.39。若采用容量为。若采用容量为1KB的存储器，则水平分辨率为的存储器，则水平分辨率为 1 024/10100 点点/div，或用百分数表示为，或用百分数表示为 1/1 0240.1。3 3 分辨率分辨率 第4页，共65页，编辑于2022年，星期六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。）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，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。水平分辨率降低。4 4 存储容量存储容量 读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间时间)/div表示。表示。其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量读脉冲周期。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。不同的读出速度。5 5 读出速度读出速度 第5页，共65页，编辑于2022年，星期六8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器的主要技术指标(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。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。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、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。若采用彩色显示用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息还可以很好地分辨各种信息.数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。第6页，共65页，编辑于2022年，星期六(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。功能，方便、准确地对电信号进行分析。(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，。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于1%。(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。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“存储存储”波形采取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，因而操作方便，且其存储的主要方法。数字存储示波器把波形以数字方式存储起来，因而操作方便，且其存储时间在理论上可以是无限长的。时间在理论上可以是无限长的。第7页，共65页，编辑于2022年，星期六(6)具有数字信号的输入具有数字信号的输入/输出功能，输出功能，所以可以很方便地将存储的数据送到计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。同时还可以通过进行更复杂的数据运算或分析处理。同时还可以通过GPIB 接口与接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。计算机一起构成强有力的自动测试系统。(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，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、频率、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、频率、峰峰峰值等参数的测量与显示。能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、峰值等参数的测量与显示。能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、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。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。数字存储示波器也有它的局限性，例如，由于受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。高的信号。第8页，共65页，编辑于2022年，星期六 8.2 数字存储示波器的原理分析数字存储示波器的原理分析 波形的采集波形的采集 波形的显示波形的显示 波形的测量波形的测量 波形的处理波形的处理 8.2.1 实时取样方式的采集原理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等效时间取样方式的采集原理 8.2.3 波形的显示波形的显示 8.2.4 波形参数的测量与处理波形参数的测量与处理实时取样实时取样等效时间取样等效时间取样第9页，共65页，编辑于2022年，星期六 8.2.1 实时取样方式的采集原理实时取样方式的采集原理 实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A/DA/D转转换并存入存储器中。换并存入存储器中。典型实时取样方式的采集电路如图。典型实时取样方式的采集电路如图。本节重点分析：本节重点分析：一、一、取样与取样与A/D转换转换二、二、t/div 控制器控制器 三、三、写地址计数器写地址计数器 四、四、预置触发功能预置触发功能 第10页，共65页，编辑于2022年，星期六 8.2.1 实时取样方式的采集原理实时取样方式的采集原理一、一、取样与取样与A/D转换转换取样即连续波形的离散化，取样即连续波形的离散化，其方法可用右图说明。把模拟波其方法可用右图说明。把模拟波形送到加有反偏的取样门的形送到加有反偏的取样门的a点，点，在在c点加入等间隔取样脉冲，则点加入等间隔取样脉冲，则对应时间对应时间 tn(n1，2，3，)取样脉冲打开取样门的瞬间，在取样脉冲打开取样门的瞬间，在b点就得到相应的模拟量点就得到相应的模拟量an(n1，2，3，)，这个模拟量，这个模拟量an 就是取样后得到的离散化的就是取样后得到的离散化的模拟量。模拟量。、取样、取样第11页，共65页，编辑于2022年，星期六 8.2.1 实时取样方式的采集原理实时取样方式的采集原理、取样、取样2 2、A/DA/D转换转换若把若把an中的每一个离散模拟量进行中的每一个离散模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量。转换，就可以得到相应的数字量。例如例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H；a7 A/D01H。如果把这些数字量按序存放在存储器中，如果把这些数字量按序存放在存储器中，就相当于把一幅模拟波形以数字量的形式存储就相当于把一幅模拟波形以数字量的形式存储起来起来 一、一、取样与取样与A/D转换转换A/D转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储带宽以及垂直分辨转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储带宽以及垂直分辨率等多项指标。目前存储示波器采用的率等多项指标。目前存储示波器采用的A/D转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型以及以及CCD器件与器件与A/D转换器相配合的形式等。转换器相配合的形式等。并联比较式并联比较式A/D转换器的转换速度可以做得较高，但价格也较贵，是数字存储示波器采用转换器的转换速度可以做得较高，但价格也较贵，是数字存储示波器采用最多的一种形式最多的一种形式。第12页，共65页，编辑于2022年，星期六 8.2.1 实时取样方式的采集原理实时取样方式的采集原理二、扫描速度二、扫描速度t/div 控制器控制器 扫描速度扫描速度t/div控制器实际上是一个控制器实际上是一个时基分频器时基分频器，用于控制，用于控制A/D 转换速率以及存储器转换速率以及存储器的写入速度，它由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合的写入速度，它由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合电路组成。典型的电路组成。典型的t/div控制电路原理如图控制电路原理如图 第13页，共65页，编辑于2022年，星期六第14页，共65页，编辑于2022年，星期六三、三、写地址计数器写地址计数器 写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器的计数频率应该与控制写地址计数器的计数频率应该与控制A/D转换器的取样时钟的频率相同。写地址计数器原理图转换器的取样时钟的频率相同。写地址计数器原理图如图示。如图示。第15页，共65页，编辑于2022年，星期六四、四、预置触发功能预置触发功能 预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。并且正负延迟及延迟时预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。并且正负延迟及延迟时间都可以进行预置。间都可以进行预置。在数字存储示波器中在数字存储示波器中预置触发可以通过控制存储器的写操作过程来实现预置触发可以通过控制存储器的写操作过程来实现。当被测信号大于预置电平时，触发电路便产生触发信号，于是存储器就当被测信号大于预置电平时，触发电路便产生触发信号，于是存储器就从零地址开始写入采集的数据，设示波器的存储容量为从零地址开始写入采集的数据，设示波器的存储容量为1024，则当写满，则当写满1 024个个单元后便停止写操作。显示也从零地址开始读数据，则对应示波器屏幕上显示的单元后便停止写操作。显示也从零地址开始读数据，则对应示波器屏幕上显示的信号便是触发点开始后的波形。信号便是触发点开始后的波形。在常态触发状态下，在常态触发状态下，在正延迟时在正延迟时(即显示延迟触发点即显示延迟触发点N个取样点时间个取样点时间)，触发信号到来后，存储器不立，触发信号到来后，存储器不立即写入数据，而是延迟即写入数据，而是延迟N次取样之后才开始写入。这样当显示时，示波器屏幕上显示次取样之后才开始写入。这样当显示时，示波器屏幕上显示的信号便是触发点之后的信号便是触发点之后N个取样点的波形。这等效于示波器的时间窗口右移。个取样点的波形。这等效于示波器的时间窗口右移。在正延迟时在正延迟时第16页，共65页，编辑于2022年，星期六四、四、预置触发功能预置触发功能 在负延迟时在负延迟时(即显示超前触发点即显示超前触发点N个取样点时间个取样点时间)，触发信号到来前，触发信号到来前，存储器信存储器信号便就一直处于号便就一直处于01 023单元不断循环写入的过程中，当写满单元不断循环写入的过程中，当写满1 024个单元之后，个单元之后，新内容将覆盖旧内容继续写入。当触发信号到来后，使存储器再写入新内容将覆盖旧内容继续写入。当触发信号到来后，使存储器再写入1 024 N个取样点之后停止写操作。显示时，不是从零地址读数据，个取样点之后停止写操作。显示时，不是从零地址读数据，而是从停止写而是从停止写操作时地址的下一个地址作为显示首地址连续读操作时地址的下一个地址作为显示首地址连续读1 024个单元的内容。这个单元的内容。这样，示波器屏幕上显示的便是触发点之前样，示波器屏幕上显示的便是触发点之前N次取样点为起点的波形，这等次取样点为起点的波形，这等于示波器的时间窗口左移。于示波器的时间窗口左移。在负延迟时在负延迟时第17页，共65页，编辑于2022年，星期六四、四、预置触发功能预置触发功能第18页，共65页，编辑于2022年，星期六8.2.2 等效时间取样方式的采集原理等效时间取样方式的采集原理 实时取样方式对观测单次出现的信号非常有效，实时取样方式对观测单次出现的信号非常有效，是数字存储是数字存储示波器必须具备的取样方式，但实时取样方式受到示波器必须具备的取样方式，但实时取样方式受到A/D转换器最高转换器最高转换速率的限制，使观察和存储信号的频带宽度受到了限制。转换速率的限制，使观察和存储信号的频带宽度受到了限制。等效时间取样方式是先采用等效时间取样方式是先采用“取样技术取样技术”，将周期性的高频信将周期性的高频信号变换成波形与其相似的周期性低频信号，然后再做进一步的处理，号变换成波形与其相似的周期性低频信号，然后再做进一步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。但等效时间取样仅限于处因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。但等效时间取样仅限于处理重复性的周期信号。理重复性的周期信号。一个典型的采用等效时间取样方式的采集系统如图一个典型的采用等效时间取样方式的采集系统如图8-78-7所示。所示。第19页，共65页，编辑于2022年，星期六第20页，共65页，编辑于2022年，星期六步进系统在等效时间取样方式中起了关键性的作用，电路原理框图如图。步进系统在等效时间取样方式中起了关键性的作用，电路原理框图如图。静态时，静态时，D触发器的触发器的Q 端为高电平，端为高电平，VT11导通。导通。触发脉冲到来时，触发脉冲到来时，D触发器的触发器的Q 端变为低电平，端变为低电平，VT11关闭，电容关闭，电容C充电形成斜波信号，充电形成斜波信号，VT11、VT12 组成的自举电路用以保证斜波的线性。组成的自举电路用以保证斜波的线性。斜波信号加在比较器正端，阶梯波加在比较器负端。当斜波电压上升超过比较斜波信号加在比较器正端，阶梯波加在比较器负端。当斜波电压上升超过比较器负端电平时，比较器输出翻转，并经反相送给器负端电平时，比较器输出翻转，并经反相送给D，D复位复位Q 返回到高。返回到高。每次取样后，阶梯波都会抬高一阶，如此重复下去，就能在比较器输出端得到一系列的每次取样后，阶梯波都会抬高一阶，如此重复下去，就能在比较器输出端得到一系列的步进延迟脉冲信号。步进延迟脉冲信号。第21页，共65页，编辑于2022年，星期六综上所述，通过改变斜波斜率与阶梯波的阶梯电压值，可以得到特综上所述，通过改变斜波斜率与阶梯波的阶梯电压值，可以得到特定大小的步进延迟时间，从而使示波器的带宽在很大范围内降低了对定大小的步进延迟时间，从而使示波器的带宽在很大范围内降低了对A/D转换器转换速率的要求。转换器转换速率的要求。用等效时间取样方式设计的数字存储示波器，其带宽可以较容易用等效时间取样方式设计的数字存储示波器，其带宽可以较容易地达到地达到1 000MHz，而且能较容易地把，而且能较容易地把ps量级的脉冲波形存储起来。但量级的脉冲波形存储起来。但该方法要求被测信号必须是周期性信号。该方法要求被测信号必须是周期性信号。由图知，若阶梯波的单位阶梯电压为由图知，若阶梯波的单位阶梯电压为UA，斜波信号的斜率为斜波信号的斜率为uF，则步进脉冲滞后触发脉，则步进脉冲滞后触发脉冲的步进时间冲的步进时间t为为t=UA uF (8.4)上式说明，上式说明，t与阶梯波电压成正比，与斜波与阶梯波电压成正比，与斜波斜率成反比。斜率成反比。第22页，共65页，编辑于2022年，星期六8.2.3 波形的显示波形的显示 为适应不同波形的观测，数字存储示波器具有多种灵活的显示方式为适应不同波形的观测，数字存储示波器具有多种灵活的显示方式 一、一、存储显示存储显示 存储显示是数字存储示波器最基本的显示方式。它显示的波形是触发后存储显示是数字存储示波器最基本的显示方式。它显示的波形是触发后所存储的一帧波形信号，即在一次触发所完成的一帧信号数据采集之后，再所存储的一帧波形信号，即在一次触发所完成的一帧信号数据采集之后，再通过控制存储器的地址依次将数据读出，并经通过控制存储器的地址依次将数据读出，并经D/A转换稳定地显示在转换稳定地显示在CRT上。上。依照读出方法的不同，又可分为依照读出方法的不同，又可分为:CPU控制方式控制方式 直接控制方式。直接控制方式。第23页，共65页，编辑于2022年，星期六一、一、存储显示存储显示 CPU CPU 控制方式控制方式显示过程：将存储器中的数据按地址顺序取出，送到显示过程：将存储器中的数据按地址顺序取出，送到D/A转换器转换，还原为模拟转换器转换，还原为模拟量送至量送至Y轴；与此同时，将地址按同样顺序送出，经轴；与此同时，将地址按同样顺序送出，经D/A转换器转换为阶梯波送至转换器转换为阶梯波送至X轴。这样轴。这样就能把被测波形显示在就能把被测波形显示在CRT屏幕上。屏幕上。设存储波形时是以设存储波形时是以255个地址为一页面个地址为一页面，现通过下图说明其原理。，现通过下图说明其原理。第24页，共65页，编辑于2022年，星期六一、一、存储显示存储显示 直接控制方式直接控制方式一方面，地址计数器在显示时钟的驱动下，一方面，地址计数器在显示时钟的驱动下，产生的连续地址产生的连续地址信号依次将存储器中的波形数据连续地送至信号依次将存储器中的波形数据连续地送至D/A转换器，然后将恢转换器，然后将恢复的模拟量送至复的模拟量送至CRT的的X轴；轴；另一方面，另一方面，地址计数器提供的地址信号经另一地址计数器提供的地址信号经另一D/A转换器形成阶梯转换器形成阶梯波送至波送至CRT的的Y轴作同步的扫描信号。轴作同步的扫描信号。于是在于是在CRT屏幕上便形成了被显示的模拟波形。很显然，这种方屏幕上便形成了被显示的模拟波形。很显然，这种方式的数据传输速度取决于时钟的速率，速度较快。式的数据传输速度取决于时钟的速率，速度较快。特点：数据传输不再经过特点：数据传输不再经过CPU，而直接对内存进行读，而直接对内存进行读/写操写操作，因此速度快。显示原理见图。作，因此速度快。显示原理见图。第25页，共65页，编辑于2022年，星期六一、一、存储显示存储显示 存储显示方式还有连续触发显示和单次触发显示之分。存储显示方式还有连续触发显示和单次触发显示之分。在连续触发显示方式下，每满足一次触发条件，就完成一帧在连续触发显示方式下，每满足一次触发条件，就完成一帧数据的取样与存储，同时，屏幕上原来的显示波形就被新存储的数据的取样与存储，同时，屏幕上原来的显示波形就被新存储的数据更新一次。数据更新一次。单次触发显示只不断显示一次触发而取样与存储的数据波形。单次触发显示只不断显示一次触发而取样与存储的数据波形。CPU控制方式显示的特点：控制方式显示的特点：无论是无论是Y轴还是轴还是X轴的数据，都必须通轴的数据，都必须通过过CPU传输，数据传输速度受到一定的限制。传输，数据传输速度受到一定的限制。直接控制方式显示的特点：直接在时钟的驱动下对内存进行读直接控制方式显示的特点：直接在时钟的驱动下对内存进行读/写操作，不再经过写操作，不再经过CPU，数据传输速度仅取决于时钟速率，而不是由，数据传输速度仅取决于时钟速率，而不是由软件决定的，速度较快。软件决定的，速度较快。第26页，共65页，编辑于2022年，星期六二、二、双踪显示双踪显示 存储时，为了使两条波形保持原有的时间对应关系，常采用交替存储技术。即利用写存储时，为了使两条波形保持原有的时间对应关系，常采用交替存储技术。即利用写地址的最低位地址的最低位A A0 0来控制通道开关，使取样电路轮流对两通道输入信号进行取样和来控制通道开关，使取样电路轮流对两通道输入信号进行取样和A/DA/D转换，转换，存储方式如图所示。存储方式如图所示。读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，Y Y1 1和和Y Y2 2信号便在信号便在CRTCRT上交替显示。上交替显示。为了使两通道信号的波形分别显示于屏幕的上半部和下半部，可将存入存储器的为了使两通道信号的波形分别显示于屏幕的上半部和下半部，可将存入存储器的数字序列数字序列Y1n与与Y2n中的每一数据右移一位中的每一数据右移一位(即除以即除以2)；再将；再将Y2n中每一个数中每一个数据的最高位置据的最高位置1，将，将Y1n中每一个数据的最高位保持为零，便可达到两通道信号分区中每一个数据的最高位保持为零，便可达到两通道信号分区域显示的效果。域显示的效果。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。第27页，共65页，编辑于2022年，星期六二、二、双踪显示双踪显示 存储时，为了使两条波形保持原有的时间对应关系，常采用交替存储技术。即利用写存储时，为了使两条波形保持原有的时间对应关系，常采用交替存储技术。即利用写地址的最低位地址的最低位A A0 0来控制通道开关，使取样电路轮流对两通道输入信号进行取样和来控制通道开关，使取样电路轮流对两通道输入信号进行取样和A/DA/D转换，转换，存储方式如图所示。存储方式如图所示。读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，读出时，先读偶数地址，再读奇数地址，Y Y1 1和和Y Y2 2信号便在信号便在CRTCRT上交替显示。上交替显示。为了使两通道信号的波形分别显示于屏幕的上半部和下半部，可将存入存储器的数字为了使两通道信号的波形分别显示于屏幕的上半部和下半部，可将存入存储器的数字序列序列Y1n与与Y2n中的每一数据右移一位中的每一数据右移一位(即除以即除以2)；再将；再将Y2n中每一个数据的最高中每一个数据的最高位置位置1，将，将Y1n中每一个数据的最高位保持为零，便可达到两通道信号分区域显示的效中每一个数据的最高位保持为零，便可达到两通道信号分区域显示的效果。果。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。第28页，共65页，编辑于2022年，星期六三、三、锁存和半存显示锁存和半存显示 锁存显示就是把一幅波形数据存入存储器之后，只允许从存储锁存显示就是把一幅波形数据存入存储器之后，只允许从存储器中读出数据进行显示，不准新数据再写入。器中读出数据进行显示，不准新数据再写入。半存显示是指波形被存储之后，允许存储器奇数半存显示是指波形被存储之后，允许存储器奇数(或偶数或偶数)地址中地址中的内容更新，但偶数的内容更新，但偶数(或奇数或奇数)地址中的内容保持不变。于是屏幕上便出地址中的内容保持不变。于是屏幕上便出现两个波形，一个是已存储的波形信号，另一个是实时测量的波形信现两个波形，一个是已存储的波形信号，另一个是实时测量的波形信号。号。这种显示方法可以实现将现行波形与过去存储下来的波形进行比较的这种显示方法可以实现将现行波形与过去存储下来的波形进行比较的功能。功能。第29页，共65页，编辑于2022年，星期六四、四、滚动显示滚动显示 滚动显示的表现形式是：被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏滚动显示的表现形式是：被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。示波器犹如一台图形记录仪，记录笔在屏幕的右端，记录纸幕左端移出。示波器犹如一台图形记录仪，记录笔在屏幕的右端，记录纸由右向左移动，当发现欲研究的波形部分时，还可将波形存储或固定在屏由右向左移动，当发现欲研究的波形部分时，还可将波形存储或固定在屏幕上，以作细微的观察与分析。幕上，以作细微的观察与分析。滚动显示方式的机理是：每当采集到一个新的数据时，就把已滚动显示方式的机理是：每当采集到一个新的数据时，就把已存在存储器中的所有数据都向前移动一个单元，即将第一个单元的存在存储器中的所有数据都向前移动一个单元，即将第一个单元的数据冲掉，其他单元的内容依次向前递进，然后再在最后一个单元数据冲掉，其他单元的内容依次向前递进，然后再在最后一个单元中存入新采集的数据。每写入一个数据，就进行一次读过程，读出中存入新采集的数据。每写入一个数据，就进行一次读过程，读出和写入的内容不断更新，因而可以产生波形滚滚而来的滚动效果。和写入的内容不断更新，因而可以产生波形滚滚而来的滚动效果。滚动显示主要适于缓慢变化的信号。滚动显示主要适于缓慢变化的信号。第30页，共65页，编辑于2022年，星期六五、五、点显示与插值显示点显示与插值显示 数字示波器屏幕显示的波形一般是由一些密集的点构成，通常称点显示。数字示波器屏幕显示的波形一般是由一些密集的点构成，通常称点显示。在点显示情况下，当被观察的信号在一周期内采样点数较少时会引起视觉上在点显示情况下，当被观察的信号在一周期内采样点数较少时会引起视觉上的混淆现象，使观察者很难辨认。一般认为当采样频率低于被测信号频率的的混淆现象，使观察者很难辨认。一般认为当采样频率低于被测信号频率的2.5倍倍时，点显示就会造成视觉混淆。采用插值显示可以克服视觉的混淆现象，同时又时，点显示就会造成视觉混淆。采用插值显示可以克服视觉的混淆现象，同时又不降低带宽指标。不降低带宽指标。如图所示，当采用点显示方式显示采样点数较少的正弦波形时所造成的视觉混淆，以及采用如图所示，当采用点显示方式显示采样点数较少的正弦波形时所造成的视觉混淆，以及采用插值显示的效果。插值显示的效果。第31页，共65页，编辑于2022年，星期六 所谓插值显示，即在波形上两个测试数据点间插入一个估值。所谓插值显示，即在波形上两个测试数据点间插入一个估值。数字示波器广泛采用矢量插值法和正弦插值法两种方式。矢量插值法是用斜率不同的数字示波器广泛采用矢量插值法和正弦插值法两种方式。矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点。正弦插值法是以正弦规律，用曲线连接各数据点的显示方式，其直线段来连接相邻的点。正弦插值法是以正弦规律，用曲线连接各数据点的显示方式，其能力已接近奈奎斯特极限频率。能力已接近奈奎斯特极限频率。对每周期采样点数较少的正弦波，采用正弦插值处理会得到满意的显示效果，对每周期采样点数较少的正弦波，采用正弦插值处理会得到满意的显示效果，如图如图81示。同样，对脉冲信号采用矢量插值法会得到较满意的效果，若选用正弦插值处示。同样，对脉冲信号采用矢量插值法会得到较满意的效果，若选用正弦插值处理会在信号的前沿造成尖头状失真，如图理会在信号的前沿造成尖头状失真，如图815示。示。五、五、点显示与插值显示点显示与插值显示 第32页，共65页，编辑于2022年，星期六 几乎所有微机化的数字示波器都充分地利用内部微处理器系几乎所有微机化的数字示波器都充分地利用内部微处理器系统以及统以及A/D 转换器等硬件，构成多种测量及数据处理能力，使数字示波转换器等硬件，构成多种测量及数据处理能力，使数字示波器成为一台功能很强大的测量仪器。器成为一台功能很强大的测量仪器。数字示波器的测量及处理功能包括：波形上任意两点间的电位差数字示波器的测量及处理功能包括：波形上任意两点间的电位差（U）以及时间差（）以及时间差（t）的测量、波形的前后沿时间测量、峰）的测量、波形的前后沿时间测量、峰-峰峰值测量、有效值测量、频率测量、显示波形平均值处理、两波形的值测量、有效值测量、频率测量、显示波形平均值处理、两波形的加、减、乘运算、波形的频谱分析等。加、减、乘运算、波形的频谱分析等。8.2.4 波形参数的测量与处理波形参数的测量与处理 本节以本节以UU与与tt测量、两波形相加处理为代表，讨论波形参数的测量与处测量、两波形相加处理为代表，讨论波形参数的测量与处理的一般原理及方法。理的一般原理及方法。第33页，共65页，编辑于2022年，星期六一、一、U、t 的测量的测量 波形上任意两点间的电位差波形上任意两点间的电位差(U)和时间差和时间差(t)的测量的测量 一般采用加亮标志法或光一般采用加亮标志法或光标标志法。标标志法。加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光标标志法是通过设置两加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光标标志法是通过设置两条水平光标线或两条垂直光标线对波形被测部分进行标志。条水平光标线或两条垂直光标线对波形被测部分进行标志。波形加亮部分的起点和终点，或者光标线的位置，可通过面板相应按键波形加亮部分的起点和终点，或者光标线的位置，可通过面板相应按键的控制下作步进式的移动，波形加亮部分的起点和终点或光标线与波形的交的控制下作步进式的移动，波形加亮部分的起点和终点或光标线与波形的交点，对应于信号存储器中的相应数据，当设置不同的测量项目时，仪器即可点，对应于信号存储器中的相应数据，当设置不同的测量项目时，仪器即可在测量程序控制下实现不同的测量目的，并将测量结果直接显示在在测量程序控制下实现不同的测量目的，并将测量结果直接显示在CRT上。上。为了测量为了测量U、t的大小，的大小，通常应将扫描时间因数通常应将扫描时间因数(t/div)和和灵敏度灵敏度(m/div)分挡编成代码，并与波形代码一起存入存储器，分挡编成代码，并与波形代码一起存入存储器，如表如表83和表和表84所示。所示。第34页，共65页，编辑于2022年，星期六 表表8-3为扫描时间因数代码表，表中的每挡扫描时间因数都用相应的代码表示，当扫为扫描时间因数代码表，表中的每挡扫描时间因数都用相应的代码表示，当扫描时间因数总数为描时间因数总数为30挡时，用挡时，用5位二进制代码即可。位二进制代码即可。第35页，共65页，编辑于2022年，星期六 表表8-4为灵敏度代码表，表中的每挡灵敏度都用相应的代码表示，当灵敏度总数为为灵敏度代码表，表中的每挡灵敏度都用相应的代码表示，当灵敏度总数为6挡时，用挡时，用3位二进制代码来表示位二进制代码来表示6挡灵敏度。挡灵敏度。最后，再把代表扫描时间因数的最后，再把代表扫描时间因数的5位二进制代码放在一个字节的位二进制代码放在一个字节的高高5位，代表灵敏度的位，代表灵敏度的3位二进制代码放在同一字节的低位二进制代码放在同一字节的低3位，并在每位，并在每次存储一页波形数据时，把这一字节内容也存放在同一页面的某个单次存储一页波形数据时，把这一字节内容也存放在同一页面的某个单元（例如元（例如0号单元）。号单元）。第36页，共65页，编辑于2022年，星期六1 1 加亮标志法加亮标志法t t 测量原理测量原理 设波形由设波形由255个点组成，当扫描时间因数确定之后，每两点之间个点组成，当扫描时间因数确定之后，每两点之间的步进时间的步进时间Tstep便是确定的。若想测量波形某一部分的时间便是确定的。若想测量波形某一部分的时间t，只需把，只需把这一部分加亮，把加亮部分的点