电子测量技术》课程论文
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数字示波器的发展及其应用
【摘要】与模拟示波器相比数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能，数字示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。
关键字：发展波形采样率触发
正文：示波器是一种图形显示设备，它描绘电信号的波形曲线。这一简单的波形能够说明信号的许多特性：信号的时间和电压值、振荡信号的频率、信号所代表电路中“变化部分”信号的特定部分相对于其它部分的发生频率、是否存在故障部件使信号产生失真、信号的DC成份和AC成份、信号的噪声值和噪声随时间变化的情况、比较多个波形信号等。
一、示波器的发展
（一）发展初期
示波器的发展初期主要为模拟示波器，模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和预前触发能力。
(二) 中期示波器
中期数字示波器首先在取样率上提高，从最初取样率等于两倍带
宽，提高至五倍甚至十倍，相应对正弦波取样引入的失真也从100%降低至3%甚至1%。其次，提高数字示波器的更新率，达到模拟示波器相同水平，最高可达每秒40万个波形，使观察偶发信号和捕捉毛刺脉冲的能力大为增强。再次，采用多处理器加快信号处理能力，从多重菜单的烦琐测量参数调节，改进为简单的旋钮调节，甚至完全自动测量，使用上与模拟示波器同样方便。最后，数字示波器与模拟示波器一样具有屏幕的余辉方式显示，赋于波形的三维状态，即显示出信号的幅值、时间以及幅值在时间上的分布。
二、数字示波器原理
示波器是利用电子示波管的特性，将人眼无法直接观测的交变电信号转换成图像，显示在荧光屏上以便测量的电子测量仪器。示波器由示波管和电源系统、同步系统、X轴偏转系统、Y轴偏转系统、延迟扫描系统、标准信号源组成。
（一）数字示波器的原理
数字示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算，从而获得所需的各种信号参数(包括可能需要使用万用表测试的一些元器件电气参数)。根据得到的信号参数绘制信号波形， 并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析，以方便我们了解信号质量，快速准确地进行故障的诊断。
数字存储示波器的基本原理框图如图1所示：
Input
图1. 数字存储示波器的基本原理框图
数字示波器是按照采样原理，利用A/D变换，将连续的模拟信号转变成离散的数字序列，然后进行恢复重建波形，从而达到测量波形的目的。输入缓冲器放大器（AMP)将输入的信号作缓冲变换，起到将被测体与示波器隔离的作用，示波器工作状态的变换不会影响输入信号，同时将信号的幅值切换至适当的电平范围（示波器可以处理的范围），也就是说不同幅值的信号在通过输入缓冲放大器后都会转变成相同电压范围内的信号。
GDS-2000型数字存储示波器：
数字示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。数字示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示
波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关(数字实时带宽=最高数字化速率/K)。
采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。如果采样速率不够，容易出现混迭现象，数字示波器采用自动设置(Autoset)， 将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。
（二）数字示波器的优点及注意问题
1、优点 1.1 体积小、重量轻，便于携带，液晶显示器。
1.2 可以长期贮存波形，并可以对存储的波形进行放大等多种操作和分析。
1.3 特别适合测量单次和低频信号，测量低频信号时没有模拟示波器的闪烁现象。
1.4 更多的触发方式，除了模拟示波器不具备的预触发，还有逻辑触发、脉冲宽度触发等。
1.5 可以通过GPIB、RS232、USB接口同计算机、打印机、绘图仪连接，可以打印、存档、分析文件。
1.6 有强大的波形处理能力，能自动测量频率、上升时间、脉冲宽度等很多参数。
2、需注意的问题：
2.1 失真比较大，由于数字示波器是通过对波形采样来显示，采样点数越少失真越大，通常在水平方向有512个采样点，受到最大采样速率的限制，在最快扫描速度及其附近采样点更少，因此高速时失真更大。
2.2 测量复杂信号能力差，由于数字示波器的采样点数有限以及没有亮度的变化，使得很多波形细节信息无法显示出来，虽然有些可能具有两个或多个亮度层次，但这只是相对意义上的区别，再加上示波器有限的显示分辨率，使它仍然不能重现模拟显示的效果。
2.3 可能出现假象和混淆波形，当采样时钟频率低于信号频率时，显示出的波形可能不是实际的频率和幅值。数字示波器的带宽与取样率密切相关，取样率不高时需借助内插计算，容易出现混淆波形。
（三）与模拟示波器的比较
模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子,发射的电子经聚焦形成电子束,并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质,这样电子束打中的点就会发出光来。 而数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。
三、数字示波器的功能介绍
正确的触发形式直接影响到数字示波器的有效操作。为了在荧光屏上得到稳定的、清晰的信号波形，掌握基本的触
发功能及其操作方法是十分重要的。数字示波器被测信号从Y轴输入后，一部分送到示波管的Y轴偏转板上，驱动光点在荧光屏上按比例沿垂直方向移动；另一部分分流到x轴偏转系统产生触发脉冲，触发扫描发生器，产生重复的锯齿波电压加到示波管的X偏转板上，使光点沿水平方向移动，两者合一，光点在荧光屏上描绘出的图形就是被测信号图形。
1．触发耦合(Coupling)形式选择
触发信号到触发电路的耦合形式有多种，目的是为了触发信号的稳定、可靠。这里介绍常用的几种。
AC耦合又称电容耦合。它只允许用触发信号的交流分量触发，触发信号的直流分量被隔断。通常在不考虑 DC分量时采用这种耦合形式，以形成稳定触发。但是如果触发信号的频率小于10Hz，会造成触发困难。
直流耦合(DC)不隔断触发信号的直流分量。当触发信号的频率较低或者触发信号的占空比很大时，采用直流耦合较好。
2.触发电平(Level)和触发极性(Slope)数字示波器
触发电平调节又叫同步调节，它使得扫描与被测信号同步。电平调节旋钮调节触发信号的触发电平。一旦触发信号超过由旋钮设定的触发电平时，扫描即被触发。顺时针旋转旋钮，触发电平上升；逆时针旋转旋钮，触发电平下降。当电平旋钮调到电平锁定位置时，触发电平自动保持在触发信
号的幅度之内，不需要电平调节就能产生一个稳定的触发。当信号波形复杂，用电平旋钮不能稳定触发时，用释抑(Hold Off)旋钮调节。
3．触发源 (Source)选择
要使屏幕上显示稳定的波形，则需将被测信号本身或者与被测信号有一定时间关系的触发信号加到触发电路。触发源选择确定触发信号由何处供给。通常有三种触发源：内触发(INT)、电源触发(LINE)、外触发EXT)。
四、数字示波器的应用
随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界数字示波器市场进一步扩大，而作为在世界经济发展中扮演重要角色的中国，飞速发展的电子产业也催生了更庞大的数字示波器需求市场。面对如此庞大的市场，世界以及中国本土示波器制造商一方面增强中国市场的进军力度，另一方面也紧贴市场的需求，最大程度的满足用户的实际使用需求。RIGOL（北京普源精电科技发展有限公司）总经理李维森指出：目前新的技术应用越来越多，测试要求也越来越高，谁能不断满足用户不断变化的测试需求，谁就能赢得市场。
(一)不断满足行业应用新标准
一些业内主要厂商，例如微软，Intel，三星或者西门子等等，他们在实现各自的远景目标过程中都会借助很多的行业新标准。就拿PC来说，一个PC内所含的新标准不下二十种。作为测试平台的提供者，为PC行业的用户提供测试方案时，就必须考虑这二十多种新
的行业标准并根据这些标准为PC行业的用户分别提供测试软件和解决方案。在今后的通讯和娱乐消费电子行业，特别是电源设计领域，新的应用和标准不断涌现，电子设计工程师在技术开发的过程中天天都要面临着这些新技术所带来的挑战。示波器制造企业就需要针对这些新的标准推出自己的解决方案和工具，从而帮助用户基于这些新的技术开发出新的产品，而这些产品终极能够促进整个电子行业的发展。
在与国外测试丈量巨头的博弈中，示波器领域，中国企业已取得非常大的突破。RIGOL公司作为中国仪器界崛起的新气力，继
DS5000系列数字示波器创下销售佳绩，获得专业人士好评之后，于2006年初又投下一颗重磅炸弹，推出一款性能卓著的紧凑型数字存储示波器――DS1000系列。DS1000系列在性能上不仅全面超过国外同类产品，打破了在这个领域国外产品一统天下的局面，同时又在原DS5000系列产品上大胆创新，使DS1000系列成为为数未几体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥补了国内空缺。
（二）功能集成趋势明显
目前国内外示波器制造商都在向示波器的多功能集成这个方向发展。RIGOL新近推出的DS1000系列数字示波用具有相当卓越的性能指标和众多强大的功能。DS1000系列是目前市场上唯一包含了逻辑分析模块的低端数字示波器，不仅如此它还具备丰富的触发功能和唯一无二的可调触发灵敏度，用户可用一台示波器同时观测模拟和数字信号，并可以在各种复杂信号中稳定触发；显示器采用16位彩
色TFT液晶显示系统，使波形显示更加清楚；DS1000 存储深度最大可达1M，正常模式也可达到512K。
除了以上创新功能外，DS1000还具有诸如模拟显示、数字滤波器、波形录制、波形亮度调节、USB HOST功能，并支持U盘和USB接口打印机，满足客户多方面的操纵需求。使用户在测试过程中，真正达到一次多丈量的功能需求。
在工程师的日常工作中，经常要观察一些特殊信号的变化过程，但是之前所使用的示波器只具有上升或下降沿触发的功能，并且只针对单个信号。DS1000系列示波器的触发方式有一种就是上升&下降沿触发，解决了这个困难。斜率触发是根据信号的上升/下降时间的快慢来判定触发，相比边沿触发更加灵活和正确。而DS1000系列示波器的触发功能中，交替触发功能显示出了明显的上风。交替触发功能是模拟示波器的功能在数字示波器中的重现，这一功能保证了即使是两个非同步信号，也能够同时稳定的触发，大大进步了工作效率。
（三）趋于美观、更具移动性
具有强大功能的DS1000系列最直观的特点就是它的超薄设计和精巧外观。多年来，示波器制造商一直遵循CRT领域的设计规则，示波器在体积方面要能够适应深CRT和相关电子器件。这导致其包装很大、通常也很粗笨，很难移动或很难安放在工程师的工作台上。而DS1000系列紧凑的内部结构使得其厚度仅仅只有154mm，体积是同类产品的1/3左右。小巧的体积大大减少了桌面的占用面积，非
常适合拥挤的工作台使用，而且便于携带。不仅如此，外观完美的圆弧曲线设计、精致的按钮大大增加了机器的美感和触感。
五、结语
通过对数字示波器发展及应用的了解，我获得了许多以前所不知道的知识。在最初接触示波器时，仅仅对李萨如图形测频率感兴趣，认为示波器可以得到许多波形。如今我了解到和模拟示波器相比，数字示波器不仅体积小、重量轻，便于携带，属于液晶显示器，而且可以长期贮存波形，并可以对存储的波形进行放大等多种操作和分析；特别适合测量单次和低频信号，测量低频信号时没有模拟示波器的闪烁现象；更多的触发方式，除了模拟示波器不具备的预触发，还有逻辑触发、脉冲宽度触发等；可以通过GPIB、RS232、USB接口同计算机、打印机、绘图仪连接，可以打印、存档、分析文件；有强大的波形处理能力，能自动测量频率、上升时间、脉冲宽度等很多参数。
参考文献：
（1）蒋焕文.《电子测量技术》第三版.中国质检出版社
(2)雷志勇 江建尧. 数字存贮示波器的随机采样原理
(3)方昌林 徐刚.电子测量仪器[M].北京：化学工业出版社，2006
(4)《国外电子测量技术》2001.1
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