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l1980年，HP公司发明了第一台数字存储示波器l20世纪90年代为以来，其带宽由诞生之初的50MHz发展700MHz1GHz，甚至出现了带宽超过10GHz的超宽带实时示波器l20世纪90年代初，业界还推出了混合信号示波器(Mixed Signal Oscilloscope, MSO)，出现了PC示波器、手持式示波表等形式的示波器数字示波器数字示波器第1页/共67页 Agilent公司的一种四通道数字存储示波器 PC示波器 手持式示波表第2页/共67页图6-2-1 模拟示波器的原理框图 模拟示波器的主要由阴极射线管CRT、垂直通道、水平通道、电源和标准信号发生器等部分组成.2.1 模拟示波器的基本结构第3页/共67页图6-2-2 模拟示波器显示信号时域波形的基本过程图6-2-2描述了模拟示波器显示电信号时域波形的基本过程。荧光屏上光点的Y和X坐标分别与这一瞬间的信号电压和扫描电压成正比。图6-2-3 扫描正程和扫描回程2.2 波形显示的基本原理第4页/共67页图6-2-4 边沿触发电路与扫描电路的工作波形 边沿触发电路可以在波形的正向过零点的位置产生触发脉冲，启动扫描锯齿波电压进行扫描。图中点均符合触发条件，但在这些点扫描过程未结束，因此这些点不能启动下一次扫描，是无效的。仅有这些点是有效的触发点。2.3 触发电路第5页/共67页图6-2-5 边沿触发电路组成框图 主要由触发源选择开关、耦合方式选择开关、触发电平及极性选择器和放大整形电路等组成。第6页/共67页作用：产生触发脉冲的信号源分类：内触发、外触发、电源触发（又称为线触发）（1） 触发源（2） 耦合方式作用：选择触发源中哪个成分来产生触发脉冲分类：DC、AC、AC（H）和HF（3）触发放大和触发整形电路作用: 对前级输出信号进行处理，产生符合一定脉冲宽度要求的、稳定可靠的触发脉冲。实现：常采用双端输入的单稳电路来实现。第7页/共67页（4）触发电平及极性选择器a）正极性、正电平 b）负极性、正电平c）正极性、负电平d）负极性、负电平第8页/共67页3.1 数字存储示波器的基本原理数字存储示波器的基本结构如下：第9页/共67页1、工作过程一般分为存储和显示两个大的阶段2、具有“负延迟”触发功能3、提供多种采集控制功能，实现峰值采集、过采样等采集模式4、数字存储示波器有一些重要的技术指标: 模拟带宽、采样率、垂直分辨率、存储深度、死区时间、波形更新速率等3.2 数字存储示波器的基本特点第10页/共67页主要由耦合方式选择、衰减器和前置放大器构成（1）模拟前端）模拟前端4.1 模拟前端与模拟带宽第11页/共67页1、耦合方式选择开关一般有三个档位：DC、AC和GND（即接地耦合）。2、输入阻抗选择开关指示波器接入被测电路时模拟前端的等效阻抗通常该阻值是 1兆欧姆或者50欧姆它会和被测电阻构成并联关系。 3、前置放大器 对输入信号幅度进行进一步调节; 为触发电路提供大小合适的内触发信号源。第12页/共67页4、衰减器衰减器用于对输入信号进行幅度调节。i222111222oj1j1j1uCRRCRRCRRu满足R1Cl=R2C2时，衰减器具有平坦的幅频特性，且衰减比为R2/（R1R2）。第13页/共67页通常所说的示波器通常所说的示波器-3dB带宽，也称为模拟带宽带宽，也称为模拟带宽BWa。BWa的单位为的单位为“Hz”Hz”、“MHz”MHz”或或“GHz”GHz”。BWa的大小直接影响：的大小直接影响：进入进入ADC的信号高次谐波分量的多少的信号高次谐波分量的多少影响到信号上升沿的变缓程度以及幅度的衰减程度。影响到信号上升沿的变缓程度以及幅度的衰减程度。（2）模拟带宽）模拟带宽第14页/共67页（a）输入信号频率）输入信号频率f=100MHz 第15页/共67页 （b）输入信号频率）输入信号频率f=300MHz 第16页/共67页（c）输入信号频率f=500MHz第17页/共67页 计算被测信号的最高频率值计算被测信号的最高频率值 fmaxrmax5.0tf（3）如何选择合适的模拟带宽根据测量精度需求确定模拟带宽遗憾的是：在测量时可能并不知道信号的最高频率分量。判断准则：将所测量的信号上升沿取倒数，判断是否与示波器的 模拟带宽很接近。第18页/共67页 奈奎斯特定理（采样定理） 为了很好的恢复一个基带信号，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。 4.2 采样率与采样技术fs2fmax fs是采样率，fmax是信号本身所包含的最高频率（1）采样与内插原理采样率的单位：“GSa/S”、“MSa/S”；带 宽的单位： “Hz”、“MHz”或“GHz”。 第19页/共67页 最小允许的采样率被称为奈奎斯特速率。最小允许的采样率被称为奈奎斯特速率。 如果对一个正弦波，每个周期采样应多于两个点。如果对一个正弦波，每个周期采样应多于两个点。 如果采样时钟频率不满足这一要求，将出现混叠信号或者不正确如果采样时钟频率不满足这一要求，将出现混叠信号或者不正确频率的假象信号。假象信号频率和原信号频率完全不同，但却可能频率的假象信号。假象信号频率和原信号频率完全不同，但却可能有相同的波形形状，且往往还具有相同幅度。有相同的波形形状，且往往还具有相同幅度。图6-4-4 混叠现象第20页/共67页图6-4-5 以两倍于信号频率的采样率对正弦波进行采样图6-4-6 以2.7倍于信号频率的采样率对正弦波进行采样奈奎斯特速率仅是一个理论上的采样率值，要真实复现原始奈奎斯特速率仅是一个理论上的采样率值，要真实复现原始信号，需要更高的采样率。信号，需要更高的采样率。fs 25fmax 第21页/共67页 内插技术：（1） 线性内插 在两个采样点之间插入数据点，且采样点和各插值点处于同一条直线上。可以使采样率从25fmax降低至10fmax。（2） 正弦内插 对数据进行内插函数sinc(x)=sin(x)/x运算后,用曲线将各数据点连接起来。采样率可以降低为2.5fmax。 )(sin)()(ccnTtcTnTxtxn第22页/共67页内插算法通常以数字滤波器的形式来实现。第23页/共67页 1、实时采样、实时采样（Single Shot Sampling） 最容易理解、最直观的一种采样方式，最容易理解、最直观的一种采样方式，以足够高的采样率以足够高的采样率采集整个带宽内的信号，采样点均匀分布。采集整个带宽内的信号，采样点均匀分布。 （2）采样方式第24页/共67页2、等效时间采样等效时间采样（也称为非实时采样或重复采样）必须满足两个前提条件：信号必须是周期重复的；必须能产生稳定的触发条件。 (a) 顺序采样示意图第25页/共67页(b) 顺序采样的实现过程采用，能够以较低速的ADC来实现高频信号测量。但由于顺序采样的采样点都是在触发之后采集的，不能提供预触发信息。第26页/共67页 可以克服顺序采样无法实现预触发的缺点，具可以克服顺序采样无法实现预触发的缺点，具有能够提供预触发信息、易于发现波形细节等优点。有能够提供预触发信息、易于发现波形细节等优点。第27页/共67页1、数字实时带宽在实时采样方式下，数字实时带宽定义为在单次（瞬态）信号测量中能够捕捉的最大信号带宽。单次信号带宽与采样率之间的关系是： BWsfs/kR fs为采样率。kR 为与信号内插技术有关的内插系数2、有效采样率有效采样率feff是Teff的倒数。Teff不取决于ADC的转换速率，而是取决于采样点相对于触发事件时间排列的精度。 （3）数字实时带宽和有效采样率第28页/共67页并行比较式并行比较式ADC也称为也称为FLASH型型ADC，转换速率可，转换速率可达数百兆赫兹。采用直接比较的原理，达数百兆赫兹。采用直接比较的原理，n位位ADC需要需要2n-1个比较器。个比较器。图6-4-11 3位FLASH型ADC（4）数字存储示波器使用的ADC第29页/共67页并串行并串行ADC通过将高位编码与低位编码串行比较，减少了通过将高位编码与低位编码串行比较，减少了比较器的数量。比较器的数量。图6-4-12 两阶N位并串行ADC第30页/共67页时间交织式时间交织式ADC使用多个低速使用多个低速ADC交替工作来实现高速信交替工作来实现高速信号采集。号采集。 图6-4-13 1GSa/s的ADC实现框图(54111D )采用四片采样率为采用四片采样率为250MSa/s的的ADC，这四个，这四个ADC的工作周期都是的工作周期都是4ns，通，通过精确定时电路，控制各过精确定时电路，控制各ADC启动工作的时间依次间隔启动工作的时间依次间隔1ns第31页/共67页ADC性能1987年1997年2007年变化率采样率1GSa/s8GSa/s40GSa/s40 x实时带宽250MHz1.5GHz13GHz52x分辨率6bit8bit8bit4x存储深度8kB64kB2MB250 x功耗20W27W20W1x单位功耗 W/GSa/s203.40.540 x芯片数量10425x表6-4-2 ADC性能发展对比ADC的采样速的采样速率在率在20年里增年里增加了加了40倍倍采样带宽增采样带宽增加了加了52倍倍存储深度增存储深度增加了加了250倍倍维持在维持在20WAgilent公司的数字存储示波器多采用复合式的ADC技术。 第32页/共67页波形存储器能够储存的采样点数称为存储深度。4.3 存储深度与存储技术（1）储存深度记录时间存储深度/采样率=存储深度采样周期 第33页/共67页（2）深存储带来的问题 导致死区时间增加、波形更新速率变慢、响应面板操作的时间增加等。 死区时间（dead-time）指从示波器完成前一次采集到开始下一次采集的时间间隔。第34页/共67页（3）存储技术图6-4-17 早期数字存储示波器的存储过程图6-4-18 MegaZoom 快响应深存储技术第35页/共67页触发方式触发方式4.4 触发方式边沿触发毛刺触发脉宽触发矮脉冲触发视频触发模式触发状态触发延迟触发（预置触发） 两个重要的原因：一是确定波形显示的时间参考点，稳定显示波形；二是捕获感兴趣的信号波形。第36页/共67页（1）边沿触发 基本触发方式（2）毛刺触发第37页/共67页脉宽触发出现在示波器检测到了一个正（负）极性脉冲，其脉冲宽度在设定脉宽门限之间或之外的情形。 图6-4-20 设定门限之间的脉宽触发图6-4-21 设定门限之外的脉宽触发（3）脉宽触发（Pulse-width Trigger）第38页/共67页 在示波器检测到了一个正（负）极性脉冲，其上升（下降）沿穿越了低（高）门限电平，但在其下降（上升）沿重新穿越低（高）门限电平之前没有能穿越高（低）门限电平的情形。（4）矮脉冲触发（Runt Trigger）第39页/共67页状态触发就是将触发通道中的某一路配置为触发系统的时钟，其他通道的状态是在时钟上升沿或者下降沿读取。 （5）视频触发（video trigger）从视频输入信号中提取水平和垂直同步信号来作为触发信号。 （6）模式触发（pattern trigger）模式触发提供了对多条信号线状态的监视功能，并能在信号线状态符合特定条件下产生触发。（7）状态触发（State Trigger）第40页/共67页（8）延迟触发（预置触发）延迟触发有“+”延迟触发和“-”延迟触发。第41页/共67页在一次触发产生之后迫使触发电路停止工作一段时间 +电压 时间 触发电平 抑制 1 2 3 4 抑制 如果触发是被抑制一段固定的时间，这种方式称为“时间抑制”。有些示波器还提供“事件抑制”的功能 。 触发抑制（Trigger Hold-off）第42页/共67页 4.5 采集模式（1）按采集启动的方式来分类，有三种采集模式： 1、单次采集 2、常规采集（normal acquisition） 任何时候出现有效的触发信号，示波器都采集一次新的波形。但在没有输入信号或者触发电平不适当时，示波器不采集，将出现黑屏。 3、自动采集（automatic acquisition） 在无触发信号持续超过一定时间（30ms）时，示波器将自动启动波形采集。第43页/共67页对应于存储器中的每个样点都需要进行一次采集，且样点对应于存储器中的每个样点都需要进行一次采集，且样点没有经过任何处理没有经过任何处理。图6-4-25 常规采集模式的示波器显示如果信号中叠加的噪声比较大，显示出来的波形就比较差，影响对于信号幅度、频率的精确测量。 1、常规采集模式（2）按采样率选择及样点存入存储器的方式来分：第44页/共67页使用高于常规采集模式的采样率来捕获信号，然后将使用高于常规采集模式的采样率来捕获信号，然后将相邻若干采样点的平均值作为一个采样点存入存储器。相邻若干采样点的平均值作为一个采样点存入存储器。此模式仅适用于实时采样方式。此模式仅适用于实时采样方式。图6-4-26 过采样采集模式的示波器显示 2、过采样采集模式第45页/共67页峰值检测采集模式使用高于常规模式的采样率来捕获峰值检测采集模式使用高于常规模式的采样率来捕获信号，然后将相邻若干采样点的最大值、最小值作为信号，然后将相邻若干采样点的最大值、最小值作为一个采样点存入存储器，仅适用于实时采样方式。一个采样点存入存储器，仅适用于实时采样方式。图6-4-27 峰值检测采集模式的示波器显示 3、峰值检测采集模式第46页/共67页在连续采集多个波形的基础上，仅将这些各时间点的平均值记录在存储器中，适用于实时和等效时间采样两种方式。图6-4-28 平均采集模式的示波器显示使用均值采集模式能够达到降低信号上叠加噪声的效果，但不会牺牲示波器测量带宽和上升时间. 4、均值采集模式第47页/共67页 示波器连续采集多个波形，但仅将各时间点的最大值和最小值记录在存储器中。用户可以设置用于包络计算的波形个数。适用于实时采样和等效时间采样两种方式。 5、包络采集模式第48页/共67页通过显示保持算法，产生与传统模拟存储示波器相似的显示。对于每一个显示点都在内存中对应有一个亮度值，给用户提供关于特定像素点被波形撞击的次数信息。 无限时间的显示保持 4.6 显示模式与显示技术（1）显示保持模式（persistence mode）第49页/共67页 利用示波器的深存储资源存储很长的一段波形数据，再用上、下两个窗口来观测信号。这种显示模式既可以这种显示模式既可以深度存储观察到波形深度存储观察到波形的全貌，又可以对信的全貌，又可以对信号的某段局部进行细号的某段局部进行细致观察，便于对信号致观察，便于对信号进行深入地分析。进行深入地分析。（2）延迟/缩放显示模式（Delayed/Zoom）第50页/共67页X-Y显示模式是一种改变示波器时基的显示方式。在X-Y显示模式下，水平轴也用来测量输入信号的电压幅度。（3）滚动模式滚动模式在显示时从右绘制波形，在新的波形采样点不断出现时持续地向左“滚动”波形。 （4）X-Y显示第51页/共67页 4.7 测量与分析功能（1）波形参数的测量第52页/共67页 例如： 实现串行数据测量中时钟恢复、眼图测量、抖动分析； 通过协议触发功能实现对于串行通信信号的捕捉和解码； 通信接口的兼容性测试等。（2）函数计算加、减、乘、积分、微分、FFT、滤波、统计分析等（3）光标光标是指示波器上的水平标记和垂直标记线。（4）高级测量与分析功能第53页/共67页说明说明值值模拟带宽（3dB）1GHz上升时间0.35ns采样频率每通道10GSa/s，两个通道20GSa/s通道数2内存大小10MSa（标准）；1GSa（可选）垂直分辨率8比特（0.39%）输入阻抗1 M 1% (13pF 典型值)直流增益精度+2%（垂直）偏转系数分档，1mV/div到5V/div时基范围分档，0.2ns/div到20s/div时基精度 (0.4 + 0.5 * 从校准到现在的年数) ppm触发方式边沿、毛刺、矮脉冲、状态、脉宽、建立和保持、视频表6-5-1 1GHz示波器主要技术参数 5.1 数字存储示波器第54页/共67页图6-5-1混合信号示波器混合信号示波器（MSO）可看做是在一台通用示波器的基础上，增加了附加的数字信号测量通道而构成的。 5.2 混合信号示波器混合信号示波器第55页/共67页屏幕最上方的两条波形是模拟信号，由两路模拟通道捕获。第一路信号是DAC的阶梯波输出，第二路是经模拟低通滤波器后的输出。屏幕下方的显示是从8数字通道捕获的数字信号波形，来自于DAC的数据线输出。图6-5-2 混合信号示波器捕获MCU控制DAC的并行数字输入和模拟输出第56页/共67页 6.1 基本使用方法 1、在开始测量时，让示波器处于一个已知的状态，至少有些显示。 2、如果示波器设置完成后，被测波形可以显示出来，但不稳定，就需要使用触发控制旋钮来调节波形的显示。改变触发源、触发耦合方式，或者调整触发电平和触发极性都有助于使波形的稳定。第57页/共67页 6.2 示波器的探头探头类型探头类型带宽带宽电阻负载电阻负载电容负载电容负载1X 无源型20MHz1M70pF10X 无源型100MHz10M15 pF10X 无源型500MHz10M9 pF有源探头2.5GHz100 K0.8 pF高电压探头1MHz500M3 pF表6-6-1 典型示波器探头的技术参数注意探头带宽、负载特性对于测量结果的影响! 第58页/共67页第59页/共67页第60页/共67页(a) 10：1衰减探头(b)1：1衰减探头1：1探头无衰减电路，一般用于测低频、小幅度信号。10：1衰减探头具有10倍的衰减，使示波器的灵敏度也下降10倍；但输入阻抗较高，能够通过调整补偿电容Ci的值，实现与频率无关的10倍衰减，达到较高的带宽指标。无源探头第61页/共67页定义：探头末端和测试仪器输入端之间的频率补偿。定义：探头末端和测试仪器输入端之间的频率补偿。方法：将标准的低频方波（通常为方法：将标准的低频方波（通常为1kHz到到10kHz）作为）作为激励信号，通过探头加到示波器。激励信号，通过探头加到示波器。探头补偿第62页/共67页图6-6-3 时域反射计工作原理 6.3 数字存储示波器的高级应用数字存储示波器的高级应用例：时域反射测量仪（TDR：Time Domain Reflectometer） 第63页/共67页（a）终端开路的TDR（b）终端短路的）终端短路的TDR波形波形 （c）终端连接）终端连接1nF电容时的电容时的TDR波形波形 （d）终端匹配时的）终端匹配时的TDR波形（理想）波形（理想）第64页/共67页反射回来的脉冲幅度与终端是否匹配有关，由反射系数决定。LoLoZZ=Z+ Zd = VpT/2 其中ZL为负载阻抗，Zo为电缆的特征阻抗。其中Vp为信号在电缆中的传播速度， T为延迟时间 反射信号经过电缆传输需要一定的时间，因此反射脉冲相对于入射脉冲有一定的时间延迟T；与反射发生位置距离电缆起始点的距离d 有关。第65页/共67页习题 6-3, 6-4, 6-6, 6-7, 6-9, 6-10，6-13选作 6-11, 6-14 有兴趣的，阅读标记为*的章节第66页/共67页感谢您的观看！第67页/共67页