數(shù)字存儲示波器特性及其應(yīng)用要點(diǎn)

摘要：數(shù)字存儲示波器是采用數(shù)字電路進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過存儲器實(shí)現(xiàn)對觸發(fā)前信號的記憶功能的一種具備存儲功能新型示波器；此文嘗試在分析數(shù)字存儲示波器的原理和特性的基礎(chǔ)上，對其在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)字存儲示波器；性能指標(biāo)；取樣速率；帶寬選擇

作為當(dāng)前在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)等相關(guān)領(lǐng)域最為靈活多用的電子儀器，示波器對于電子測量技術(shù)發(fā)展史上產(chǎn)生了極大的影響。自1897年Braun發(fā)明示波器以來，圍繞示波器捕獲、顯示和分析時域波形這三大功能，后人進(jìn)行了大量的改進(jìn)工作；上世紀(jì)70年代以來，微計算機(jī)的引入對示波器的性能和使用帶了革命性的影響，數(shù)字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscopes， DSO)就是隨著數(shù)字電路的發(fā)展而產(chǎn)生的一種具備存儲功能新型示波器，其基本原理是采用數(shù)字電路進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過存儲器實(shí)現(xiàn)對觸發(fā)前信號的記憶功能，對于分析復(fù)雜的單次瞬變信號具有較高的有效性，同時引起良好的性價比，以成為當(dāng)前示波器的主流產(chǎn)品。

與傳統(tǒng)的模擬示波器相比，數(shù)字存儲示波器具備不受取樣速率限制就可獲得穩(wěn)定的波形、能夠長時間保存信號、先進(jìn)的觸發(fā)功能和較高的測量精度等優(yōu)點(diǎn)，同時由于其內(nèi)含微處理器，因而具備較強(qiáng)的處理能力，能夠自動實(shí)現(xiàn)多種波形和參數(shù)的測量與顯示，而較好的DSO都帶有IEEE-488接口，因此其還可以通過連接計算機(jī)或其他外部設(shè)備，進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和分析。不過，數(shù)字存儲示波器也有其局限性，例如DSO對實(shí)時采樣速率和屏幕更新速率等限制，觸發(fā)間隔問題等等。基于此，本文嘗試在分析數(shù)字存儲示波器的原理和特性的基礎(chǔ)上，對其在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行分析。

1 數(shù)字存儲示波器的主要特性

電信號及類似自然現(xiàn)象可大致歸為兩類，一類是呈周期性分布的重復(fù)信號，另一類是單次或隨機(jī)出現(xiàn)的信號；前者可以利用模擬示波器很好的進(jìn)行觀測，后者由于變化很快，在示波器屏幕上一閃而過，難以記錄，這時就需要使用數(shù)字存儲示波器。如圖-1所示，數(shù)字存儲示波器利用模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器把模擬信號變?yōu)閿?shù)字信號，然后存入隨機(jī)存儲器(RAM)中，待需要是再將存儲的內(nèi)容從RAM中調(diào)出，再通過數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換器將其恢復(fù)為模擬信號，進(jìn)而顯示在示波器屏幕上。整體上看，數(shù)字存儲示波器能夠?qū)崿F(xiàn)將波形“凍結(jié)”以供后續(xù)使用的能力，其主要性能指標(biāo)包括如下方面：

（1）最大取樣速率fmax。最大取樣速率即單位時間內(nèi)DSO完成的完整A/D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)，fmax愈高，儀器捕捉信號的能力愈強(qiáng)；DSO在某個測量時刻的實(shí)際取樣速率可根據(jù)其設(shè)定的掃描時間因數(shù)(t/div)計算，公式為： ，其中N為每格的取樣數(shù)；t/div為掃描時間因數(shù)，即掃描一格所占用的時間，亦稱掃描速度。

（2）分辨率。分辨率即存儲信號波形細(xì)節(jié)的特性，包括垂直分辨率和水平分辨率；垂直分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)，通常是以屏幕每格的分級數(shù)(級/div)表示；水平分辨率由RAM的容量來決定，通常以屏幕每格有多少個取樣點(diǎn)(點(diǎn)/div)表示。

（3）存儲帶寬。存儲帶寬與取樣速率密切相關(guān)，根據(jù)Nyquist取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號最高頻率分量的2倍，就能重現(xiàn)原信號波形。

（4）讀出速度。讀出速度指將存儲的數(shù)據(jù)從RAM中讀出的速度，常用(時間)/div表示。其中：時間即屏幕中每格內(nèi)對應(yīng)的存儲容量乘以讀脈沖周期；使用時，應(yīng)根據(jù)顯示器或相關(guān)外部設(shè)備對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。

（5）存儲容量。存儲容量即記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲容量來表示，常以字(word)為單位；存儲容量與水平分辨率在數(shù)值上為倒數(shù)關(guān)系，存儲容量愈大，水平分辨率就愈高；但是存儲容量并非越大越好，受到DSO最高取樣速率的限制，若存儲容量選取不恰當(dāng)，往往會因時間窗口縮短而失去信號的重要成分，或者因時間窗口增大而使水平分辨率降低。

以下，本文將嘗試從DSO帶寬和取樣速率等角度，對其在工程應(yīng)用中應(yīng)注意的問題進(jìn)行討論。

2 采樣速率對DSO帶寬的影響

針對特定測量要求選擇DSO時，首先考慮的因素往往是帶寬需求問題，即需要多大的帶寬才能較為精確地對信號進(jìn)行測量。事實(shí)上，某臺DSO上標(biāo)稱的額定帶寬（如100MHz）只是給出了DSO輸入電路所允許通過的最大帶寬，而DSO的所能捕捉、存儲和顯示的信號則取決于帶寬、取樣速率和存取容量三者的關(guān)系。

在特定掃描時間因數(shù)(t/div)下，DSO的顯示窗口大小都是固定的，不可能實(shí)現(xiàn)t和存儲容量同時達(dá)到最大化；因此重要的是能夠保持取樣速率f，以使存儲容量得到最大限度的利用。通過簡單的計算可知，每波形點(diǎn)數(shù)=取樣速率f×t/div×分區(qū)數(shù)目，所以如果存儲容量足夠大，就可以支持取樣速率保持恒定；換言之，在特定的存儲容量之下，必須降低取樣速率才能獲取測量的時間區(qū)間。

結(jié)合Nyquist定理不難得出，DSO帶寬受限于其f，在較低的掃描時間因數(shù)(t/div)下f會降低，而增大存儲容量可以推遲f開始下降時間。因此在選擇和調(diào)試DSO時，對其帶寬的選擇就主要取決于我們需要觀測的信號：對于單次瞬變信號，我們需要較快的取樣速率，而對于調(diào)制信號或趨勢信號，則需要較大存儲容量的DSO。如果無法改變設(shè)備選型，則應(yīng)考慮調(diào)整設(shè)備的t/div設(shè)置，利用較低的t/div分析趨勢信號，利用較高的t/div設(shè)置分析瞬變信號。

3 DSO帶寬對被測信號的影響

實(shí)踐中，DSO的波形測量是由DSO/探頭系統(tǒng)共同組成的，由于帶寬的無線平坦只能在理論上實(shí)現(xiàn)，因此事實(shí)上帶寬的增加并不會帶來相應(yīng)的輸入脈沖增加，其陡峭程度的增加會逐漸趨緩；換言之，DSO自身的帶寬會對被測信號產(chǎn)生影響：

其中DSO的時間常數(shù)在0.35-0.45之間，而顯示信號的上升時間則比其實(shí)際上升時間要慢，因此在選用DSO及其探頭時，必須考慮帶寬和DSO的上升時間。一般而言，對正弦波選擇示波器帶寬應(yīng)是被測正弦信號頻率的3倍以上，采樣率是帶寬的4到5倍，也即實(shí)際上是信號的12到15倍。

4 DSO和PC-based Digitizer的選擇

基于PC的數(shù)字化儀(PC-based Digitizer)也可以提供與DSO相似的波形測量功能。從原理上講，DSO和PC-based Digitizer都是以A/D轉(zhuǎn)化器為核心部件的波形測量設(shè)備，不同的是DSO的數(shù)據(jù)傳輸是基于外設(shè)線路，傳輸速度相對較慢，即便其自身加裝了操作系統(tǒng)，也仍然是一個封閉的系統(tǒng)，無法向內(nèi)集成其他硬件；而PC-based Digitizer則是內(nèi)嵌在PC之內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)PC環(huán)境操作。

具體而言，PC-based Digitizer的優(yōu)勢在于其可以在開放的PC環(huán)境中工作，即用戶可以對波形測量系統(tǒng)進(jìn)行個性化的設(shè)置，結(jié)合不同的測量需求，用戶可以使用200Mbps的PCI總線將PC-based Digitizer與其所需的工具卡和磁陣相連，形成所謂的虛擬儀器，從而以高達(dá)每秒10k個波形的速度進(jìn)行測量；而DSO的優(yōu)勢則在于波形的快速顯示和刷新，同時提供較PC-based Digitizer更為寬泛的信號處理能力，利用不同類型的探頭，DSO的測量范圍往往可以延伸至幾百伏特電壓和超過10GHz的信號，目前較高的取樣速率和輸入帶寬仍然只有DSO能夠?qū)崿F(xiàn)。總體上看，在對于被測信號的特性已經(jīng)熟知，希望通過計算機(jī)搭建自動監(jiān)測系統(tǒng)時，可以選用PC-based Digitizer；而對于未知信號和瞬時信號的探索，則還應(yīng)傾向于選擇DSO，特別是對于希發(fā)事件的測量，選用數(shù)字熒光顯示的數(shù)字存儲示波器仍然具有比較大的優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] Phil Stearns.采樣率對示波器帶寬的影響[J].今日電子，2007(08).

[2] 郭海麗，王紫婷.數(shù)字存儲示波器的研究與設(shè)計[J].電子元器件應(yīng)用，2007(07).

[3] Andrew Dawson.如何選擇合適的波形儀器[J].今日電子，2006(01).