數(shù)字存儲(chǔ)

 

　　你可能還記得，第一章中我們談到，普通模擬示波器CRT上的P31熒光物質(zhì)的余輝時(shí)間小于1ms。在有些情況下，使用P7熒光物質(zhì)的CRT能給出大約300ms的余輝時(shí)間。只要有信號(hào)照射熒光CRT就將不斷顯示信號(hào)波形。而當(dāng)信號(hào)去掉以后使用P31材料的CET上掃跡迅速變暗，而使用P7材料的CRT上掃跡停留時(shí)間稍長(zhǎng)一些。
　　那么，如果信號(hào)在一秒鐘內(nèi)只有幾次，或者信號(hào)的周期為數(shù)秒至珍長(zhǎng)，甚至于信號(hào)只發(fā)生一次，那又將會(huì)怎么樣呢？在這種情況下，使用我們上面介紹過(guò)的模擬示波器則幾乎乃至于完全不能觀察這些信號(hào)。
　　因此我們需要找到在熒光物質(zhì)上保持信事情軌跡的方法。為達(dá)到這一目的而采用的一種老式方法是使用一種稱(chēng)為存儲(chǔ)示波管的特殊CRT。這種示波管的熒光物質(zhì)后面裝有柵網(wǎng)，通過(guò)在柵網(wǎng)上充載電荷的方法存貯電子束的路徑。這種示波管價(jià)格很昂貴又比較脆弱，并且只能耐有限的時(shí)間內(nèi)保持軌跡。

 

　　數(shù)字存儲(chǔ)的方法克服了所有這些缺點(diǎn)，并且還帶來(lái)了很多附加的特色，下面列出部分特點(diǎn)：
　　·可以顯示大量的預(yù)觸發(fā)信息。
　　·可通通過(guò)使用光標(biāo)和不使用光標(biāo)的方法進(jìn)行全自動(dòng)的測(cè)量。
　　·可以長(zhǎng)期貯存波形。
　　·可以在打印機(jī)或繪圖儀上制作硬考貝以供編制文件之用。
　　·可以反新采集的波形和操作人員手工或示波器全自動(dòng)采集的參考波形進(jìn)行比較。
　　·可以按通過(guò)/不通過(guò)的原則進(jìn)行判斷。
　　·波形信息可用數(shù)學(xué)進(jìn)行處理。

 

何謂數(shù)字存儲(chǔ)

 

　　從字意上不難看出，所謂數(shù)字存儲(chǔ)就是在示波器中以數(shù)字編碼的形式來(lái)貯存信號(hào)。
　　當(dāng)信號(hào)進(jìn)入數(shù)字存儲(chǔ)示波器，或稱(chēng)DSO以后，在信號(hào)到達(dá)CRT的偏轉(zhuǎn)電路之前（圖18），示波器將按一定的時(shí)間間隔對(duì)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣。然后用一個(gè)模/數(shù)變換器（ADC）對(duì)這些瞬時(shí)值或采樣值進(jìn)行變換從而生成代表每一個(gè)采樣電壓的二進(jìn)制字。這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為數(shù)字化。

 

 

圖18 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的方框圖

 

獲得的二進(jìn)制數(shù)值貯存在存儲(chǔ)器中。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱(chēng)為彩樣速率。采樣速率由采樣時(shí)鐘控制。對(duì)于一般使用情況來(lái)說(shuō)，采樣速率的范圍從每秒20兆次（20MS/s）到200MS/s。
　　存儲(chǔ)器中貯存的數(shù)據(jù)用來(lái)在示波器的屏幕上重建信號(hào)波形。
　　所以，在DSO中的輸入信號(hào)接頭和示波器CRT之間的電路不只是僅有模擬電路。輸入信號(hào)的波形在CRT上獲得顯示之前先要存貯到存儲(chǔ)器中去我們?cè)谑静ㄆ髌聊簧峡吹降牟ㄐ慰偸怯伤�采集到�?shù)據(jù)重建的波形，而不是輸入連接端上所加信號(hào)的立即的、連接的波形顯示。

 

采樣和數(shù)字化

 

　　數(shù)字存儲(chǔ)分兩步來(lái)實(shí)現(xiàn)。第一步，獲取輸入電壓的采樣值。這是通過(guò)采樣及保持電路來(lái)完成的，見(jiàn)圖19。

 

 

圖19 基本的采樣保持電路

 

當(dāng)開(kāi)關(guān)S閉合時(shí)，輸入放大器A1，通過(guò)開(kāi)關(guān)S對(duì)保持電容進(jìn)行充放電，而當(dāng)開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)時(shí)保持電容上的電壓就不再變化，緩沖放大器A2將此采樣值送往模/數(shù)變換器（ADC），ADC則測(cè)量此采樣電壓值，并用數(shù)字的“字”的形式表示出來(lái)。
　　模/數(shù)字變換器圍繞一組比較器而構(gòu)成，見(jiàn)圖20，每一個(gè)比較器都檢查輸入睬樣電壓是高于或低于其參考電壓。如果高于其參考電壓則該比較器的輸出為有效；反之則輸出為無(wú)效。

 

 

圖20 模數(shù)變換器基本電路

 

各個(gè)比較器的參考電壓彼此略有不同，這此參考電壓都是用一個(gè)電阻鏈從一個(gè)基準(zhǔn)電壓源而得到的。對(duì)于某一采樣電壓值來(lái)說(shuō)，若干個(gè)比較器輸出為有效，而其余的比較器輸出為無(wú)效，接著ADC中的編碼變換器就把該采樣電壓值變?yōu)橐粋�(gè)“數(shù)字”，并將其送往數(shù)字存儲(chǔ)器。
　　這種類(lèi)型的ADC稱(chēng)為閃其速式（flash)模/數(shù)字變換器。因?yàn)樗�能在“一閃”間把一個(gè)模擬輸入電壓變換為一個(gè)“數(shù)字”。除此之外，還可以使用其它類(lèi)型的模/數(shù)變換器，。其模/數(shù)變換是由幾步動(dòng)作來(lái)完成的，但是其缺點(diǎn)是完成一個(gè)采樣壓的變換所需時(shí)間較長(zhǎng)。

 

模/數(shù)變換器和垂直分辨率

 

　　ADC通過(guò)把采樣電壓和許多參考電壓進(jìn)行比較來(lái)確定采樣電壓的幅度。構(gòu)成ADC所用的比較器越多，其電阻鏈越長(zhǎng)，ADC可以識(shí)別的電壓層次也趙多。這個(gè)特性稱(chēng)為垂直分辨率，垂直分辨率越高，則示波器上的波形中可以看到的信號(hào)細(xì)節(jié)越�。ㄒ�(jiàn)圖21）。

 

 

圖21 垂直分辨對(duì)顯示波形的影響

 

垂直分辨率用比特來(lái)表示，垂直分辨率就是構(gòu)成輸出的字的總比特?cái)?shù)（即數(shù)字輸出字的長(zhǎng)度大小）。
　　這樣ADC可以識(shí)別并進(jìn)行編碼的電壓層次數(shù)可以用下式來(lái)計(jì)算：

 

　　層次數(shù)=2比特?cái)?shù)

 

　　多數(shù)示波器使用比特的模/數(shù)變換器，所以能夠按28=256個(gè)不同的電壓層次來(lái)表示信號(hào)電平，這樣就能夠提供足夠的細(xì)節(jié)以便研究信號(hào)和進(jìn)行測(cè)量，在這種垂直分辨率下，可以顯示的最小分辯率號(hào)步進(jìn)值大約和CRT屏幕上光點(diǎn)的直徑大小相同，代表采樣電壓值的一個(gè)ADC輸出字包含8個(gè)比特，并稱(chēng)為一個(gè)字節(jié)。
　　在現(xiàn)實(shí)當(dāng)中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本問(wèn)題，在制造ADC時(shí)，輸出字每多增加一個(gè)比特，就需要將所用的比較器數(shù)增加一倍并使用更大的編碼變換器，這樣一來(lái)就使得ADC電路在電路板上占據(jù)大一倍的芯片空間，并消耗多一倍的功率（這又將進(jìn)一步影響周?chē)�電路）結(jié)果，增加垂直分辨率又帶了價(jià)格的提高。

 

時(shí)基和水平的分辨率

 

　　在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中，水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時(shí)基的設(shè)置（s/格）。
　　構(gòu)成一個(gè)波形的組全部的采樣叫作一個(gè)記錄，用一個(gè)記錄可以重建一個(gè)或多個(gè)屏莫的波形，一個(gè)示波器可以貯存的采樣點(diǎn)數(shù)稱(chēng)為記錄長(zhǎng)度或采集長(zhǎng)度，記錄長(zhǎng)度用字節(jié)或千字節(jié)來(lái)表示，1千字節(jié)（1KB）等于1024個(gè)采樣點(diǎn)。
　　通常，示波器沿著水平軸顯示512采樣點(diǎn)，為了便于使用，這些采樣點(diǎn)以每格50個(gè)采樣點(diǎn)的水平分辨率來(lái)進(jìn)行顯示，這就是說(shuō)水平軸的長(zhǎng)為512/50=10.24格。
　　據(jù)此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計(jì)算：
　　采樣間隔=時(shí)基設(shè)置（s/格）/采樣點(diǎn)數(shù)
　　若時(shí)基設(shè)置為1ms/格，且生格有50個(gè)采樣，則可以計(jì)算出采樣間隔為：采樣間隔=1ms/50=20us
　　采樣速率是采樣間隔的倒數(shù)：采樣速率=1/采樣間隔
　　通常示波器可以顯示的采樣點(diǎn)數(shù)是固定的，時(shí)基設(shè)置的改變是通過(guò)改變采樣速率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此一臺(tái)特定的示波器所給出的采樣速率只有在某一特定的時(shí)時(shí)設(shè)置之下才是有效的。在較低的時(shí)基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。
　　設(shè)有一臺(tái)示波器，其最大采樣速率為100MS/s那么示波器實(shí)際使用這一采樣的速率的時(shí)基設(shè)置值應(yīng)為
時(shí)基設(shè)置值=50樣點(diǎn)×采樣間隔
　　　　　=50/采樣速率
　　　　　=50/（100×106)
　　　　　=500ns/格
　　了解這一時(shí)基設(shè)置值是非常重要的，因?yàn)檫@個(gè)值是示波器采集非重復(fù)性信號(hào)時(shí)的最快的時(shí)基設(shè)置，使用這個(gè)時(shí)基設(shè)置時(shí)示波器能給出其可能的最好的時(shí)間分辨率。
　　此時(shí)基設(shè)置值稱(chēng)為“最大單次掃描時(shí)基設(shè)置值”，在這個(gè)設(shè)置值之下示波器使用“最大實(shí)進(jìn)采樣速率”進(jìn)行工作。這個(gè)采樣速率也就是在示波器的技術(shù)指標(biāo)中所給出的采樣速率。

 

實(shí)用上升時(shí)間

 

　　在很多示波器應(yīng)用場(chǎng)合，都要進(jìn)行信叼開(kāi)關(guān)我的測(cè)量，即測(cè)量上升時(shí)間和下降時(shí)間。
　　從第一章我們已經(jīng)知道，示波器的上升時(shí)間決定了該示波器能夠精密進(jìn)行測(cè)量的最快瞬變我對(duì)于模擬示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)間特性。對(duì)于模擬示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)間特性完全取決于示波器的模擬電路。
　　如果DSO，則示波器可以采集到的最快的瞬變特性不僅取決于其模擬電路，也取決于其時(shí)間分辨率。為了正確的進(jìn)行上升時(shí)間的測(cè)量，必須在我們關(guān)心的信號(hào)邊緣上采集到足夠的細(xì)節(jié)信息，這就是說(shuō)，在瞬變期間必須采集很多采樣點(diǎn)。這個(gè)上升時(shí)間稱(chēng)為DSO的有用上升時(shí)間。并且其時(shí)間值是時(shí)基設(shè)置值的函數(shù)。
　　我們將在本書(shū)的練習(xí)部分（第六章）更詳細(xì)的討論上升時(shí)間測(cè)量的問(wèn)題。

 

最大捕捉頻率及香農(nóng)(Shannon)采樣準(zhǔn)則

 

　　當(dāng)人們最初探索將信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化的時(shí)候研究工作就已揭示，為了很好的恢復(fù)原來(lái)的信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化的時(shí)候就要求采樣時(shí)鐘的頻率至少應(yīng)為信號(hào)本身所包含的最高頻率的兩倍，這個(gè)要求通常稱(chēng)為香農(nóng)采樣定理。
　　然而，這項(xiàng)研究工作是針對(duì)通信應(yīng)用領(lǐng)域而并非針對(duì)示波器為進(jìn)行的，現(xiàn)在來(lái)看圖22。從圖中看出。當(dāng)使用兩倍于信號(hào)頻率的采樣時(shí)鐘時(shí)。信號(hào)頻率確實(shí)可以恢復(fù)。使用恰當(dāng)?shù)牟ㄐ沃亟ㄑb置我們就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是問(wèn)題睦的是這樣簡(jiǎn)單嗎？
　　現(xiàn)在我們?cè)O(shè)想在進(jìn)行波形的數(shù)字化時(shí)仍然使用相同的采樣時(shí)鐘，但是將采樣點(diǎn)選在和原來(lái)略為不同的時(shí)刻，不定在信號(hào)的峰值點(diǎn)，這樣一來(lái)，信號(hào)的幅度信息就會(huì)嚴(yán)重失誤，甚至可能完全丟失，事實(shí)上。如果采樣點(diǎn)準(zhǔn)確地取在信號(hào)地過(guò)零零碎碎點(diǎn)（見(jiàn)圖22下圖）那么由于所有的采樣取到的采值均為零零碎碎，我們將完全觀測(cè)不到信號(hào)。

 

 

圖22 用兩倍于信號(hào)頻率的采樣速率對(duì)正弦波進(jìn)行采樣。
分別示出采樣點(diǎn)位于信號(hào)峰值點(diǎn)和采樣點(diǎn)接近信號(hào)過(guò)零零碎碎點(diǎn)兩種情況

 

示波器是用來(lái)研究信號(hào)的，為了很好的研究主事情不僅要求正確的表示信號(hào)頻率并且還要求準(zhǔn)確地表示信號(hào)波形的幅度。從圖23可以看出，如果每個(gè)周期用三個(gè)采樣點(diǎn)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。則再現(xiàn)的波形也會(huì)發(fā)生很大的失真。

 

 

圖23 以每周期約三個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號(hào)波形

 

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常認(rèn)為每周期最小要了十個(gè)采樣點(diǎn)才能給出足夠的信號(hào)細(xì)節(jié)。在有些情況下，對(duì)信號(hào)怕細(xì)節(jié)要求低一些，這時(shí)每周期取五個(gè)樣點(diǎn)可能就足以給出有關(guān)信號(hào)的特性（見(jiàn)圖24）。這樣，對(duì)于一個(gè)最大樣率為200Ms/s的示波器來(lái)說(shuō)，能夠準(zhǔn)確采集的最大信號(hào)頻率即為20于40MHz。在這種情況下，還可以使用特殊的顯示系統(tǒng)來(lái)提高顯示波開(kāi)有的保真度。其方法是通過(guò)各個(gè)采樣點(diǎn)畫(huà)出最佳擬合的正弦曲線(xiàn)。這種方法稱(chēng)為正弦內(nèi)插。

 

 

圖24 以每周期五個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號(hào)波形

 

假象（Aliasing)現(xiàn)象

 

　　我們已經(jīng)知道，為了重建一個(gè)波形，至少需要一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，而且在任何情況下采樣時(shí)鐘的頻率都必須比信號(hào)頻率高五至十倍。
　　如果采樣時(shí)鐘頻率比信號(hào)頻率代，那么我們將會(huì)得到不可預(yù)料的結(jié)果。
　　讓我來(lái)看一下圖25所示的情況。如圖所示，我們從信號(hào)波形的不同周期連續(xù)獲到采樣點(diǎn)，然而。每一個(gè)新的采樣點(diǎn)的采集都發(fā)生在相對(duì)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間間隔略為長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)刻。如果我們現(xiàn)在來(lái)顯示這些采樣點(diǎn)并用它來(lái)重建信號(hào)波形，則顯示出的仍然是一個(gè)正弦波。但是這個(gè)正弦波的頻率和原來(lái)輸入信號(hào)的頻率完全不同。這種現(xiàn)象稱(chēng)為假象信號(hào)或者不正確頻率的幻影信號(hào)。然而，它卻可能表示出正確的波形形狀，而且往往還具有正確的波度幅度。

 

 

圖25 假象信號(hào)正弦波

 

多數(shù)現(xiàn)代示波器都調(diào)用有所謂自動(dòng)設(shè)置功能，一旦輸入信號(hào)連好以后，示波器就能自動(dòng)地造反適當(dāng)?shù)钠�轉(zhuǎn)系數(shù)和時(shí)基設(shè)置值。這種自動(dòng)設(shè)置功能也能幫助避免假象現(xiàn)象。
　　在有些情況下，信號(hào)的頻率變化得非常快，以致于在某一時(shí)刻選定的時(shí)基設(shè)置是正確的，而在另一時(shí)刻（或者對(duì)于信號(hào)的另一部分而言）示波器又顯示出假象信事情，這時(shí)可以用峰值檢測(cè)功能（見(jiàn)2.2節(jié)）來(lái)發(fā)現(xiàn)任何時(shí)刻信號(hào)的真正幅值。
　　為了獲得這種復(fù)雜信號(hào)的起初波形，建議使用組合示波器的模擬方式來(lái)觀察信號(hào)，歸要結(jié)底，模擬方式是不可能發(fā)生假象現(xiàn)象的。

 

實(shí)理采樣和等效時(shí)間采樣

 

　　到現(xiàn)在為止我們所介紹的波形數(shù)字化方法稱(chēng)為實(shí)時(shí)采樣。這時(shí)所有的采樣點(diǎn)都是按照一個(gè)固定的次序來(lái)采集的。這個(gè)波形采樣的次序和采樣點(diǎn)在示波器屏幕上出現(xiàn)的次序是相同的。只要一個(gè)觸發(fā)事件就可以啟動(dòng)全部的采集動(dòng)作。
　　在很多多應(yīng)有和場(chǎng)合，實(shí)時(shí)采樣方式所提供的時(shí)間分辨率仍然不能滿(mǎn)足工作的要求，在這些應(yīng)用場(chǎng)合中，要觀察的信號(hào)常常是重復(fù)性的，即相同的信號(hào)圖形按有規(guī)則的時(shí)間間隔重復(fù)地出現(xiàn)

 

 

圖26 實(shí)時(shí)采樣

 

對(duì)于這些信號(hào)來(lái)說(shuō)，示波器可以從若干連續(xù)的信號(hào)周期中采集到的多組采樣點(diǎn)來(lái)構(gòu)成波形，第一組新的采樣點(diǎn)都是由一個(gè)新的觸發(fā)事件來(lái)啟動(dòng)采集的。這稱(chēng)為等效時(shí)間采樣，在這種模式下，一個(gè)觸發(fā)事伯到來(lái)以后，示波器就采集信號(hào)波形的一部分，例如采集五個(gè)采樣點(diǎn)并將它們存入存儲(chǔ)器。另一個(gè)觸發(fā)事件則用來(lái)采集另外的五個(gè)采樣點(diǎn)，并將其存貯在同一存儲(chǔ)器的不同位置，如此進(jìn)行下去經(jīng)過(guò)若干次觸發(fā)事伯以后，存儲(chǔ)器內(nèi)存貯的足夠的采樣點(diǎn)，就可以在屏幕上重建一個(gè)完整的波形，等效時(shí)間采樣使得示波器在高時(shí)基設(shè)置值之下給出很高的時(shí)間分離率，這樣一來(lái)，就好象示波器具有了比共實(shí)際要樣速率要高得多的一個(gè)虛擬采樣速率或稱(chēng)等效時(shí)間采樣速率。

 

等效時(shí)間采樣速率

 

　　等效時(shí)間采樣的方法采用從重復(fù)性信號(hào)的不同的周期取得采樣點(diǎn)來(lái)重建這個(gè)重復(fù)性信號(hào)的波形，這樣就提高了示波器的時(shí)間分辨率。
　　舉例來(lái)說(shuō)，有一臺(tái)DSO的時(shí)基設(shè)置值為5ns/格，每格顯示50個(gè)采樣點(diǎn)，則可以求出等效時(shí)間采樣速率為：等效時(shí)間采樣速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s
　　等效時(shí)間采樣速率是在高進(jìn)基設(shè)置之下表示示波器不平分辨率的一種間接的方法.它也表明假如使用實(shí)時(shí)采樣的方法要獲得相同的時(shí)間分辯集約所需要的采樣速率,等效時(shí)間采樣速率比現(xiàn)今能夠達(dá)到的實(shí)時(shí)采樣速率要高得多。
　　可以采用兩種不同的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)等效時(shí)間采樣,即順序采樣和隨機(jī)采樣.

 

順序采樣

 

　　采用順序采樣時(shí),采樣點(diǎn)的采集是按一個(gè)固定的次序進(jìn)行的,即在屏幕以上左向右的進(jìn)行采集.每到來(lái)一個(gè)新的觸發(fā)事件就采集一個(gè)采樣點(diǎn)。為了填滿(mǎn)一個(gè)完整的波形記錄,記錄中有多少個(gè)存儲(chǔ)位置就需要朋多少個(gè)觸發(fā)事件,(見(jiàn)圖27)。

 

 

圖27 順序采樣時(shí)顯示波形的構(gòu)成情況

 

當(dāng)?shù)谝粋�(gè)觸發(fā)事件到來(lái)以后就立即采集第一個(gè)采樣點(diǎn),并將其存入存儲(chǔ)器.第二個(gè)觸發(fā)事件則用來(lái)超動(dòng)一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)。此定時(shí)系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)很小的時(shí)間延遲Δt,經(jīng)過(guò)這個(gè)Δt的延遲時(shí)間以后，再采集第二個(gè)采樣點(diǎn)，在掃跡存儲(chǔ)器中的時(shí)間分辨率就等于這個(gè)小的延遲時(shí)間Δt，其值可能小于50微微秒。第三個(gè)觸發(fā)事件到來(lái)后，該定時(shí)系統(tǒng)則產(chǎn)生2Δt的延遲時(shí)間。此延遲時(shí)間過(guò)后再采集第三個(gè)采樣，并這樣進(jìn)行下去。
　　這就是說(shuō)第n個(gè)新的采樣點(diǎn)的采集是在相對(duì)于類(lèi)似的觸發(fā)事件延遲了（n-1）Δt的時(shí)間以后進(jìn)行的。
　　其結(jié)果是示波器上顯示的波形是由按固定次序出現(xiàn)的采樣點(diǎn)而構(gòu)成的。即第一個(gè)采樣點(diǎn)在屏幕的最左邊，接著各采樣點(diǎn)集資向右構(gòu)成顯示波形。
　　在順序采樣模式下，采集波形的周期數(shù)，即觸發(fā)事件數(shù)等于存儲(chǔ)器器的記錄長(zhǎng)度。順序采樣可以實(shí)現(xiàn)后觸發(fā)延遲功能，但是不能提供預(yù)觸發(fā)信息。在快速時(shí)基設(shè)置之下，填滿(mǎn)一個(gè)存儲(chǔ)器記錄所需的時(shí)間是很有限的。其速度比隨機(jī)采產(chǎn)要快得多。

 

隨機(jī)采樣

 

　　在使用隨機(jī)采樣的示波器中，第一組采樣點(diǎn)是在隨機(jī)的時(shí)刻采集的，而與觸發(fā)事件無(wú)關(guān)，這些采樣點(diǎn)之間的時(shí)間隔為一已知的時(shí)間，由采樣時(shí)鐘來(lái)確定，當(dāng)示波器在在等待觸發(fā)事件到來(lái)時(shí)，其內(nèi)部就在連續(xù)的進(jìn)行采樣并將結(jié)果貯存起來(lái)。當(dāng)一個(gè)觸發(fā)事件到來(lái)時(shí)示波器內(nèi)的一個(gè)定時(shí)系統(tǒng)就從這一時(shí)刻開(kāi)始直到下一個(gè)采點(diǎn)時(shí)刻進(jìn)行時(shí)間測(cè)量。由于采樣間隔是固定的，因此示波器就能夠從此測(cè)量的時(shí)間計(jì)算出所有采集的采樣點(diǎn)在存儲(chǔ)器中的位置（見(jiàn)圖28）。當(dāng)?shù)谝淮尾杉�的所有采樣點(diǎn)存貯完畢以后，就開(kāi)始采集一組新的采樣點(diǎn)并等待新的觸發(fā)事件，新觸發(fā)事件到來(lái)以后，計(jì)時(shí)系統(tǒng)雙進(jìn)行新的時(shí)間測(cè)量并計(jì)算出這些新的采產(chǎn)點(diǎn)位置。這些新的采樣點(diǎn)落在一次采集的采產(chǎn)點(diǎn)填充位置之間的未填充位置，用這種方法，波形掃跡就由在X軸上的隨機(jī)位置上出現(xiàn)的一組組采樣點(diǎn)所構(gòu)成。

 

 

圖28 隨機(jī)采樣時(shí)掃跡的構(gòu)成情況

 

在最快的時(shí)基設(shè)置之下，使用隨機(jī)采樣的方法填滿(mǎn)一個(gè)完整的波形記錄所花的時(shí)間要比順序采樣的方法多很多，因?yàn)檫@時(shí)是用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)填充所有的存儲(chǔ)器位置。隨機(jī)采樣技術(shù)的在優(yōu)點(diǎn)在于可以提供預(yù)觸發(fā)信息以及觸發(fā)后信息。

 

電荷耦合器件

 

　　有些波器采用電荷耦合器件，或稱(chēng)CCD即一種模擬移位寄存器，來(lái)作模擬存儲(chǔ)介質(zhì)。電荷耦合器件可以看成是一個(gè)由很多小單元組成的陣列，每個(gè)單元都可以貯存一宣的電荷，此電荷就代表隊(duì)號(hào)的采樣值，在時(shí)鐘信號(hào)的命令控制下，這些單元可以按一個(gè)固定方向一個(gè)接一個(gè)的傳遞電荷，就象救火隊(duì)員傳遞水桶一樣。
　　在高速時(shí)鐘控制下，CCD可以用來(lái)移位存入模擬信息，當(dāng)所有的單元都填滿(mǎn)時(shí)，快速時(shí)鐘停止，然后用一個(gè)較慢的時(shí)鐘將CCD中的電荷信息移位取出送入一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模/數(shù)變換器。這樣模/數(shù)變抽象器就可以以低得多的速度工作。而波形采集的速度僅僅取決于CCD輸入時(shí)鐘的速度。
　　如果讓采樣時(shí)鐘連續(xù)運(yùn)行，而當(dāng)觸發(fā)事件到來(lái)時(shí)讓時(shí)鐘停止，那么所有CCD的單元中存貯都是觸發(fā)時(shí)刻這前采集的信息，也就是說(shuō)，整個(gè)CCD中填充的都是預(yù)觸發(fā)信息。這對(duì)于研究系統(tǒng)過(guò)程的起因是非常寶貴的。

 

單次捕捉應(yīng)用

 

　　模擬示波器和DSO的主要區(qū)別在于DSO能夠存貯波形信息。這使得DSO在研究低重復(fù)速率的現(xiàn)象或者研究完全不重復(fù)的現(xiàn)象即所謂單沖信號(hào)的工作中具有特別寶貴的價(jià)值。這種應(yīng)用情況的例子包括諸如測(cè)量一個(gè)電系統(tǒng)的沖擊電流、破壞性試驗(yàn)中只能進(jìn)行一次測(cè)量，事實(shí)上，非重復(fù)性信號(hào)或單位信號(hào)在很多系統(tǒng)中都可以見(jiàn)到。雖然很多模擬示波器也常常有單次測(cè)量能力，即可以產(chǎn)生單次的進(jìn)基掃描。但是DSO在采集波形細(xì)節(jié)方面則是首屈一指的。在進(jìn)行單次采集時(shí)，示波器首先誚進(jìn)行觸發(fā)準(zhǔn)備（armedfor trigering)。通常用一個(gè)標(biāo)有“單次”或者“單次復(fù)位”的傳門(mén)控制機(jī)構(gòu)來(lái)提供此項(xiàng)功能。

 

顯示類(lèi)型，光柵掃描與向量掃描

 

　　在本書(shū)第一章的開(kāi)頭，我們談到CRT是示波器的心臟。還談到在CRT中電子束的偏聽(tīng)偏信轉(zhuǎn)是通過(guò)在兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板之間施加電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種偏轉(zhuǎn)方法稱(chēng)為靜電偏轉(zhuǎn)。這時(shí)偏聽(tīng)偏信轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以從DC開(kāi)始直到很寬的頻率范圍內(nèi)使用。在模擬示波器中就采用了這種方法，在模擬示波器中輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)衰減或放大以后，連續(xù)地、直接地加到偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。因此，模擬示波器常常被認(rèn)為是最可信賴(lài)的的信號(hào)儀器；我們?cè)贑RT屏幕上所看到的波形就是被套測(cè)系統(tǒng)中實(shí)際發(fā)生的情況。
　　這時(shí)，電子束的偏轉(zhuǎn)是由輸入信號(hào)和時(shí)基來(lái)決定的。這兩者一起把電子束偏轉(zhuǎn)到屏幕上需要加亮的位置。這種類(lèi)型的顯示稱(chēng)為向量掃描顯示。
　　在DSO中，在顯示信號(hào)波形之前首先要采集波形并存入存儲(chǔ)器。在基本些DSO中使用了另一種類(lèi)型的CRT，即和PC監(jiān)視器及電視機(jī)所使用的相類(lèi)侯CRT。在這些CRT中電子束得由安裝在CRT外面的線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)偏轉(zhuǎn)的。這種偏轉(zhuǎn)方法稱(chēng)為磁偏轉(zhuǎn)，它只能在一個(gè)很有限的偏轉(zhuǎn)頻率范圍內(nèi)使用，所以為種顯示管采用和TV屏幕完全相同的方法來(lái)驅(qū)動(dòng)：即在屏幕上以固定的頻率從左到右一行緊挨一行的車(chē)出掃描線(xiàn)。掃守完整的一屏（一個(gè)全場(chǎng)）可能需要500行或者更多的行。DSO計(jì)算出屏幕上的哪些點(diǎn)需要加亮，當(dāng)掃描系統(tǒng)掃到屏幕上的這種點(diǎn)時(shí)，就使電子束加亮。這種顯示方式只能用于DSO，而不能用在模擬示波器中。這時(shí)我們?cè)谄聊簧峡吹降牟⒉皇禽斎胄盘?hào)本身的波形，而是使用早些時(shí)刻采集的表示輸入信號(hào)的數(shù)據(jù)在屏幕上重建的波形。
　　近年來(lái)使用液晶顯示（LCD）的DSO已經(jīng)問(wèn)世，這種顯示器需要的功率比CRT要小，困此用在便攜式示波器上極為理想。下面在Fluke公司的示波表(ScopeMeter)中我們會(huì)看到很好的應(yīng)用實(shí)例。由于LCD顯示器功耗很低，所以一組小型的電池就可以供儀器工作幾個(gè)小時(shí)。

 

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UT3202B

便攜式數(shù)字儲(chǔ)存示波器OX7202

DSA90254A高性能示波器

數(shù)字示波器GDS-830

數(shù)字儲(chǔ)存示波器GDS-806C

數(shù)字儲(chǔ)存示波器GRS-6052A

DS5152CAE數(shù)字示波器DS5152MAE

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UT3152B

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UT3102C

數(shù)字示波器DS1102E

工業(yè)萬(wàn)用示波表F196B

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UT3202C

隔離通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器TPS2014

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UTD4102C

APS-1102示波器

數(shù)字存儲(chǔ)示波器UT2152C

可編程式數(shù)字示波器S2405

數(shù)字示波器DL716

數(shù)字示波器DL7200

類(lèi)比示波器GOS-652G