第二章 數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage oscilloscopes-DSO)

2.1 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。

靈敏字存儲(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。

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。

圖18數(shù)字存儲(chǔ)示波器的方框圖

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。

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

圖19基本的采樣保持電路

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。

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)。

圖20模數(shù)變換器基本電路

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）。

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�。�。 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)

圖21垂直分辨對(duì)顯示波形的影響

多數(shù)示波器使用比特的模/數(shù)變換器所以能夠按2^8=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，超聲波測(cè)厚儀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*10^6=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)。

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

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)最在樣速率為200MS/s的示波器來(lái)產(chǎn)

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

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。這種方法稱(chēng)為正弦內(nèi)插。

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。

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

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。

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。

圖25假象信號(hào)正弦波

在有些情況下信號(hào)的頻率變化得非�？煲灾掠谠谀骋粫r(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。

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).

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。

圖27 順序采樣時(shí)顯示波形的構(gòu)成情況

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。

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。

圖28 隨機(jī)采樣時(shí)掃跡的構(gòu)成情況

電荷耦合器件

有些示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（armed for 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。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)。