數字存儲示波器特性及其應用

摘 要：數字存儲示波器是采用數字電路進行模/數轉換，并通過存儲器實現對觸發前信號的記憶功能的一種具備存儲功能新型示波器；此文嘗試在分析數字存儲示波器的原理和特性的基礎上，對其在工程應用中應注意的問題進行分析。

關鍵詞：數字存儲示波器；性能指標；取樣速率；帶寬選擇

中圖分類號：TM935.37 文獻標識碼：A

The Feature and Application Point of Digital Storage Oscilloscopes

Fu Xiaoming

(Jiangsu institute of metrology， Nanjing 210007， China)

Abstract:With the analog-to-digital converters (ADCs) inside， Digital Storage Oscilloscopes (DSO) is a new type of oscilloscope with function of the memory to trigger former signal. Based on some analyze of the principle and Feature of DSO， this article ties to discuss some important issues of the DSO's application.

Key words:DSO; performance criteria;sampling rate; width selection

1 引 言

作為當前在科學研究、工業生產等相關領域最為靈活多用的電子儀器，示波器對于電子測量技術發展史上產生了極大的影響。自1897年Braun發明示波器以來，圍繞示波器捕獲、顯示和分析時域波形這三大功能，后人進行了大量的改進工作；上世紀70年代以來，微計算機的引入對示波器的性能和使用帶了革命性的影響，數字存儲示波器(Digital Storage Oscilloscopes， DSO)就是隨著數字電路的發展而產生的一種具備存儲功能新型示波器，其基本原理是采用數字電路進行模/數轉換，并通過存儲器實現對觸發前信號的記憶功能，對于分析復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，以成為當前示波器的主流產品。

與傳統的模擬示波器相比，數字存儲示波器具備不受取樣速率限制就可獲得穩定的波形、能夠長時間保存信號、先進的觸發功能和較高的測量精度等優點，同時由于其內含微處理器，因而具備較強的處理能力，能夠自動實現多種波形和參數的測量與顯示，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或其他外部設備，進行更復雜的數據運算和分析。不過，數字存儲示波器也有其局限性，例如DSO對實時采樣速率和屏幕更新速率等限制，觸發間隔問題等等。基于此，本文嘗試在分析數字存儲示波器的原理和特性的基礎上，對其在工程應用中應注意的問題進行分析。

2 數字存儲示波器的主要特性

電信號及類似自然現象可大致歸為兩類，一類是呈周期性分布的重復信號，另一類是單次或隨機出現的信號；前者可以利用模擬示波器很好的進行觀測，后者由于變化很快，在示波器屏幕上一閃而過，難以記錄，這時就需要使用數字存儲示波器。如圖1所示，數字存儲示波器利用模/數(A/D)轉換器把模擬信號變為數字信號，然后存入隨機存儲器(RAM)中，待需要是再將存儲的內容從RAM中調出，再通過數/模(D/A)轉換器將其恢復為模擬信號，進而顯示在示波器屏幕上。整體上看，數字存儲示波器能夠實現將波形“凍結”以供后續使用的能力，其主要性能指標包括如下方面：

1）最大取樣速率fmax。最大取樣速率即單位時間內DSO完成的完整A/D轉換的最高次數，fmax愈高，儀器捕捉信號的能力愈強；DSO在某個測量時刻的實際取樣速率可根據其設定的掃描時間因數(t/div)計算，公式為：f=Nt/div，其中N為每格的取樣數；t/div為掃描時間因數，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節的特性，包括垂直分辨率和水平分辨率；垂直分辨率與A/D轉換器的分辨率相對應，通常是以屏幕每格的分級數(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(點/div)表示。

3）存儲帶寬。存儲帶寬與取樣速率密切相關，根據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，就能重現原信號波形。

4）讀出速度。讀出速度指將存儲的數據從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對應的存儲容量乘以讀脈沖周期；使用時，應根據顯示器或相關外部設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，用記錄一幀波形數據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值上為倒數關系，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，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。

前文已經提到，數字存儲示波器也有它的局限性，例如受A/D轉換器最大轉換速率等因素的影響，數字存儲示波器目前還不能用于觀測頻率較高的信號等。以下，本文將嘗試從DSO帶寬和取樣速率等角度，對其在工程應用中應注意的問題進行討論。

3 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行測量。事實上，某臺DSO上標稱的額定帶寬（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系。

前面已經提到，存儲容量和取樣速率之間存在相互影響，在特定掃描時間因數(t/div)下，DSO的顯示窗口大小都是固定的，不可能實現t和存儲容量同時達到最大化；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，每波形點數=取樣速率f×t/div×分區數目，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間。

結合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(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。如果無法改變設備選型，則應考慮調整設備的t/div設置，利用較低的t/div分析趨勢信號，利用較高的t/div設置分析瞬變信號。

4 DSO帶寬對被測信號的影響

實踐中，DSO的波形測量是由DSO/探頭系統共同組成的，由于帶寬的無線平坦只能在理論上實現，因此事實上帶寬的增加并不會帶來相應的輸入脈沖增加，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生影響：

DSO帶寬=時間常數上升時間

=時間常數DSO上升時間2-探頭上升時間2

其中DSO的時間常數在0.35-0.45之間，而顯示信號的上升時間則比其實際上升時間要慢，因此在選用DSO及其探頭時，必須考慮帶寬和DSO的上升時間。具體而言，在帶寬滿足的前提下，希望最大取樣速率能夠捕捉信號細節。一般而言，對正弦波選擇示波器帶寬應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，也即實際上是信號的12到15倍。

5 DSO和PC-based Digitizer的選擇

前文已經提到，數字存儲示波器以其方便的存儲功能和對非周期、復雜信號的較強展現能力，在高頻信號測量、毛刺捕捉、瞬變信號測量、信號的自動分析等領域有廣泛的適用性。基于PC的數字化儀(PCbased Digitizer)也可以提供與DSO相似的波形測量功能，實際工程應用中，常常面臨這兩種設備的選擇問題。從原理上講，DSO和PCbased Digitizer都是以A/D轉化器為核心部件的波形測量設備，不同的是DSO的數據傳輸是基于外設線路，傳輸速度相對較慢，即便其自身加裝了操作系統，也仍然是一個封閉的系統，無法向內集成其他硬件；而PC-based Digitizer則是內嵌在PC之內，可以實現PC環境操作。

具體而言，PCbased Digitizer的優勢在于其可以在開放的PC環境中工作，即用戶可以對波形測量系統進行個性化的設置，結合不同的測量需求，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，從而以高達每秒10k個波形的速度進行測量；而DSO的優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能夠實現。總體上看，在對于被測信號的特性已經熟知，希望通過計算機搭建自動監測系統時，可以選用PCbased Digitizer；而對于未知信號和瞬時信號的探索，則還應傾向于選擇DSO，特別是對于希發事件的測量，選用數字熒光顯示的數字存儲示波器仍然具有比較大的優勢。

參考文獻

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［3］ Andrew Dawson.如何選擇合適的波形儀器［J］.今日電子，2006，(01):32-33.

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