第五章 电子示波器本章要点：
1,示波器的功用、分类、组成和波形显示原理
2.通用示波器的组成原理、特性与应用
3,取样技术在示波器中的应用
4,数字示波器的组成原理,信号采集处理技术,特性与功能
5.1.1 示波器的功用
1,示波器是一种能表现任何两个互相关联的电参数的 XY坐标图示仪。
若 以横坐标作时间，纵坐标作电压幅度，对信号进行时域测量；
若横坐标作频率，纵坐标作电压幅度，就组成频谱分析仪，对信号进行频域测量；
若横坐标作为三极管的 uce(或 ube)，纵坐标作为 ic(或 ib)，就能显示出三极管的输出 (输入 )特性曲线 。
2,示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、
周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。 这些功能是其它电子仪器难以胜任的。
3,示波器从早期的 定性观测,已发展到可以进行 精确测量 。
4,示波器是其它 图式仪器的基础 。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用 B超等各种图示仪器就容易理解了。
5.1.2 示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为：
（ 1） 模拟式 —— 通用示波器 （采用单束示波管实现显示，当前最通用的示波器）。
（ 2） 数字式 —— 数字存储示波器 （采用 A/D,DSP等技术实现的数字化示波器）。
（ 1） 中、低档示波器，带宽在 60MHz以下 。
（ 2） 高档示波器，带宽在 60MHz以上，大多在 300MHz以下。
更高档的有 1GHz～ 2GHz以上。
从性能上，按示波器的带宽可分为：
从结构特点可分为,（见课本 77页）
5.1.3 示波器的组成
Y（垂直）通道,由探头、衰减器、前臵放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，
主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。
X（水平）通道,由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。
显示屏,主要由阴极射线管组成，
常以 CRT (Cathode Ray Tube)
表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（ LCD）已经应用于示波器了。
Y 垂直 )
通 道
X 水平通 道电源图 5.2 示波器的基本组成显示屏
5.2 示波管（ CRT）
示波管属于电真空器件，又称为 阴极射线管（ CRT） 。
K
G1 G2 A
1
A2 Y2 X2
F~6.3V
0V
X1
亮度
Ug1
辅助聚焦后加速极
A3＋ 15KV
电子枪 偏转系统 荧光屏
Y1
真空玻璃管图 5.3 阴极射线示波管Z
轴
5.2.1 电子枪电子枪的作用是 发射电子并形成强度可控制的很细的电子束 。
它由以下几部分组成：
1.灯丝 F—— 在交流低压 (如 6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。
2.阴极 K—— 是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）
的金属
3.第一栅极 G1—— 调节 G1的电位可以调节示波器的亮度，常臵于示波器面板上供使用。
当控制信号加于 G1，其 亮度 可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的
Z轴 电路。
4.第二栅极 G2—— 隔离开 G1和 A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。
5.第一阳极 A1—— 与第二阳极 A2构成一个电子透镜，对电子束起 聚焦 作用。
6.第二阳极 A2—— 是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与 A1构成电子透镜。
7.第三阳极 A3—— 具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称 后加速阳极 。
5.2.2 偏转系统
1．静电偏转 ---光点法 ----用于示波器
2..磁偏转 -----光栅法 ----用于电视机、计算机显示器及示波器。
2 y y ya
Lsy U h U
bU
图 5.4 电子束的偏转
L
S
Y
U
yUa
屏幕电子束
A2
2 y y ya
Lsy U h U
bU
比例系数称为示波管的偏转因数,单位为 cm/V,它的倒数 Dy＝ 1／ hy称为示波管的偏转灵敏度,单位为 V/cm。 偏转灵敏度是示波管的重要参数 。
5.2.3 荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。
余辉时间,当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的 10％，所延续的时间称为余辉时间．
小于 10μs的为极短余辉；
不同荧光材料余辉时间不一样：
10μs～ 1ms为短余辉（通常是 蓝色,便于摄影感光）；
1ms～ 0.1s为中余辉（通常为 绿色,眼睛不易疲劳）；
0.1s～ 1s为长余辉（通常是 黄色 ）；
大于 1s为极长余辉（通常是 黄色 ）。
5.3 波形显示原理
5.3.1 显示随时间变化的图形
1.光点扫描显示原理光点位臵控制,u
y
Y1
Y2
1
2 3 40 t
1
3
0 2 4
(a)
(b)
t
X2
X1
0
0ux
Ts
Tn
+ + + +
- - - -
-
-
-
-
+
+
+
+
光点在合力作用下移动
.
2.信号与扫描电压的同步
uy
1
2 3
40 t
Ts
ux
uy
uxX1 X2
Y1
Y2
1
2
3
40
t0
Tn1
2
3 4
0图 5.6 扫描过程
uy
Ts
Tn
t0 1 3 5 7 9 108642 0,8
1,9 5
3 7
210 412 6 8
1
t
ux
2
5
7
9
12
3 34 4
56 6
7
10
8
图 5.7 扫描电压与被测信号同步同步,
Tn/TS=n
N=1,2,…
波形稳定若显示两个正弦波怎么办？
3.连续扫描和触发扫描连续扫描,
一开机就有扫描线,
来信号同步后波形才稳定 。
触发扫描,
一开机没有扫描线,
来信号触发后波形才稳定 。
Ts t
t
t
t
uy
ux
ux
ux
Tn
Tn
图 5.9 连续扫描和触发扫描的比较
1mS
1μS
999
※ 5.3.2 光栅显示原理光栅显示主要用于 电视机 和计算机的 显示器,通常都是采用磁偏转方式的显像管 。
1.光栅显示的原理与实现电子束先要在行、场（即 X,Y）扫描的配合下，从左到右、
从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，
如图 5.12所示（示意图）。
图 5.12 光栅显示的扫描过程光栅显示是三维（ X,Y,Z）坐标显示。 X,Y偏转只用于决定光点在屏幕上的位臵，而 Z轴电路（见示波管第一栅极）则用于控制光点显示的强弱亮暗，这是由被测信号控制的。
5.3.3 平板显示原理上述显示是基于电真空器件 CRT内进行的，这种方式优点多多缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。
显示器总汇与发展历程简介：
被动发光平板显示器（ FPD）
等离子 PDP（ 紫外线 +荧光粉 ）
背光源 +液晶板阴极射线管
（ CRT）
主动发光电致发光 EL板荧光 VFD显示屏发光二极管 LED显示屏场致发射 FED表面传导电子
（ 像素点电子源 +荧光粉 ）
显示器
5.4 通用示波器
5.4.1 通用示波器的组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。
图 5.19 通用示波器的主要组成框图
5.4.2 示波器的 Y(垂直 )通道示波器的 Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管 Y偏转板上。
1.探头（探极）与耦合作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意,探头不能张冠李戴，必须配对使用 。否则 300MHz带宽的示波器可能不到 50MHz的效果。
1)无源电压探头
20pF
示波器
180pF
探头图 5.20 通用示波器探极原理图输入电阻,1MΩ→ 10MΩ
输入电容,180pF→ 18pF
展宽了频带分压比,10︰ 1
扩展示波器的量程上限附加一个 RLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了 300
MHz以上。
图 5.22 带有阻抗匹配时的无源探头 图 5.23 源极跟随器式探头的基本电路
2.输入衰减器图 5.24 输入衰减器原理示意图
ui
uo
C1
C2
R1
R2
对于直流或低频情况：
2
12
o
i
u R
u R R
对于高频情况
2
12
o
i
u Z
u Z Z
当满足 R1C1=R2C2
能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。
R1C1=R2C2 R1C1>R2C2 R1C1<R2C2
示波器的衰减器实际上 由一系列 RC分压器组成,改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用 V/cm加标记。
通常示波器的灵敏度都是按 1,2,5步进,例如,10mV/cm
~20V/cm分 11档。
3.延迟线
td=100ns~200ns
延迟电缆或 LC延迟网络图 5.25 延时线的作用
tTt
d
4.Y放大器
Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。 Y放大器应该有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称输出的输出级。
通常把 Y放大器分成前臵放大器和输出放大器两部分。
f
U
宽频带,高增益差分放大示波器售价主要决定带宽主要按钮,垂直（ Y）位移 -----调 Y放大器直流电位，使水平基线上下移动。
寻迹 -----有时 Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”
倍率 -----若把“倍率”臵于,× 5”,则负反馈减小，
使增益大大降低拉回基线增益增加 5倍，这便于观测微弱信号。
5.4.3 示波器的 X(水平 )通道示波器的 X通道主要由扫描发生器环、触发电路和 X放大器组成,（ 见前面的示波器组成框图 ）
1.触发电路作用 ----为扫描门提供触发脉冲图 5.26 触发电路及其在面板上的对应开关
1)触发源选择
,内”触发,利用从 Y通道来的被测信号作触发信号，这是最常用的情况；
,外”触发,是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触发信号或比较两个信号时间关系的情况。
,电源触发,：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触发，以便于与电源同步。
2)触发耦合方式
“DC” 直接耦合,用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；
“AC” 交流耦合,若用交流信号触发，臵 AC方式，这时电容
C1（约 0.47μF）起隔直作用；
,低频抑制”,利用 C1,C2（约 0.01μF）串联后的电容，抑制信号中大约 2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中的低频干扰；
“HF” 高频耦合,利用 C1和更小的 C3（约 1000pF）串联后只允许通过频率很高的波
3)触发电平与触发极性选择其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，也就是可以 自由选定从信号的某一点开始观测。
示波器窗口现代示波器中设计了
,自动触发电路,,使触发点能自动地保持在最佳的触发电平的位臵 。
图 5.27 不同触发,极性,和,电平,时显示的波形
(a) 正极性,正电平 (b) 负极性,正电平
(c)正极性,负电平 (b)负极性,负电平
A
A B
C D
2.扫描发生器环（时基电路） (课本 88页 )
作用：产生由触发脉冲启动的扫描锯齿波信号。
是示波器 发展史 上的一个 重大进步 。它使示波器实现了既可连续扫描，又可触发扫描，且不管哪种扫描都可以与外加信号自动同步，而不必麻烦地调节 Tn=nTs来同步。
扫描门图 5.28 扫描发生器环的组成模拟闭环自动控制电路
1)扫描门（时基闸门、可以是任何 双稳态电路 ）
图 5.29 施密特电路及其滞后特性
uo
回差
ub
1
ub1 E
0
E0
释抑电压触发脉冲
ub1 直流电平 E0
释抑电压
2)积分器（锯齿扫描电压产生，密勒 (Miller)积分器）
Uu0 Uu0
U
ui
图 5.30 密勒积分器
tRCEE d tRCu o 1
RC（ 分档 ） E（ 微调 ）
改变锯齿波斜率,即扫描速度定义 显示屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度 Ss(t/cm)
按 1,2,5分多档,例如分
21档,0.2μS-1S/cm
3)比较和释抑电路图 5.31 比较和释抑电路示意图
-E
充电放电作用,保证每次扫描都开始在同样的起始电平上,
4)触发扫描状态欲看 3个脉冲,
1,5号脉冲触发有效
2,3号脉冲无用
4号脉冲要抑制注意,
三个时刻,t1,tp,t2
三个时间,tb,th,tw
要求,
th>tb（ 释抑放电时间大于回扫时间 ）
图 5.32 比较和释抑电路的工作
tp tw
ˊ
图 5.33 在连续扫描情况下,比较和释抑电路的工作
t1 t2 t4 t5t1 ˊ t3
C
h充
Ur
5)连续扫描状态予臵：
E0>E1
环路自激 Ch放电至 E1
打开闸门,扫描开始,
到 Up,Ch充电,到 E2
扫描结束,Ch又放电 。
当有信号 （ 2号触发脉冲 ） 则环路被信号所同步 。
6)结论：
E0调节触发扫描,E1≥ E0>E2------常态连续扫描,E0>E1>E2-----自动、高频外触发扫描,E0≥E 2
扫描环的巧妙加入，通过调节 E0（ RW稳定度） 可使电路处于：
,常态,触发扫描状态；
,自动,低频连续扫描状态；
,高频,高频连续扫描状态且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。
说明,上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际电路更完善更先进。
3.X放大器（见前面框图）
1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板
2)特点：带宽比 Y通道窄 5-10倍
3)按钮：水平（ X）位移 ----
X— Y工作模式 ----
X扩展 ----X放大器增益,× 5； × 10
5.4.4 示波器的多波形显示
1.多线显示和多踪显示
1)多线显示两个电子束，两个 Y通道相互独立，可以实时看到两个瞬变信号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。
2)多踪显示
uA
uB
图 5.34 双踪示波器 Y通道方框图工作方式：
A
B
A+B
A-B
交替断续注意,
由谁触发？
A,B各自触发,
则不便比较时间关系 。
A,B共一触发,
便于比较时间关系 。
(a),交替,方式适合观测 高 频信号交替描绘 A,B两路非实时（隔周）比较
(b),断续,方式适合观测 低 频信号多次取样，准实时波形非连续，可能
uA u
A
uBuB
漏掉信息
2.双时基扫描既可看全景，又可看局部（雷达、特写镜头）
图 5.36 双扫描示波器的组成工作方式,A工作模式； B加亮 A；
A延迟 B工作
5.4.5 通用示波器的应用
1.通用示波器的主要技术指标
1)带宽,上升时间
Y通道的频带宽度 (Bw)，
W
r Bt
35.0?
2)扫描速度扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是 s/cm，或 s/div。 div(格 )一般为 1cm。
3)偏转灵敏度偏转灵敏度 Dy反映示波器观察微弱信号的能力。单位为
mV/cm或 V/div。
4)输入阻抗示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。
5)扫描方式示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫描、交替扫描等，但此时示波器中要有两套扫描系统。
6)触发特性为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。
2.通用示波器的选用原则选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但 最主要的是带宽 。
示波器 Y通道
BW=100MHz
tr=0.35/BW
=3.5nS
tx=0
tx=10nS
trx=3.5nS
trx=？
trx=10+3.5？
因两独立变量应均方相加则
22
x rx rt t t
但这样测读太麻烦，最好 0
rt?
x rxtt?
这要满足什么条件呢？经误差分析，
Δtrx/trx
%
图 5.38 示波器带宽对读出误差的影响
%
rx
rx
t
t?
)(
hr
x
f
BW
t
t
可得右图关系：
tx/tr=1时，屏幕读数相对误差
%40/ rxrx tt
通常要求选用的示波器上升时间要
tx/tr=3～ 5
对于一般连续信号
BW/fh=3～ 5
这里 fh是被测信号中的最高频率分量。
3.通用示波器的基本测量方法利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。 在实验中进行 。
提问：
1 观测一个 10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？
2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？
3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？
4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？
>30MHz
>120MHz
>20MHz
>3000MHz
1．直流电压的测量
（ 1）测量原理利用被测电压在屏幕上呈现的直线偏离时间基线
（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。
为被测直流电压值,h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度； 为示波器的垂直灵敏度，
k为探头衰减系数。
（ 2）测量方法
1） 将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置 （ CAL） 。
2） 将待测信号送至示波器的垂直输入端 。
3） 确定零电平线 。
4） 将示波器的输入耦合开关拨向,DC”档,确定直流电压的极性 。
5） 读出被测直流电压偏离零电平线的距离 h。
6）计算被测直流电压值 。
例 示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示,h=4cm,V/cm、若 k=10,1，求被测直流电压值
0.5
1
2
5
10
250
100
50
25
5
V mV
V/div
零电平线显示波形
（直流电压）
4 0,5 1 0 2 0D C yV h D k
2．交流电压的测量
（ 1）测量原理为被测交流电压值（峰 -峰值）； h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；
为示波器的垂直灵敏度； 为探头衰减系数。
（ 2）测量方法垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于,AC” ；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关； 读出被测交流电压波峰和波谷的高度； 计算被测交流电压的峰 -峰值。
例 示波器正弦电压如图所示,h=8cm,V/cm、
若 K=1,1，求被测正弦信号的峰 -峰值和有效值。
0.5
1
2
5
10
250
100
50
25
5
V mV
V/div
零电平线显示波形
（交流电压）
正弦信号的峰 -峰值为正弦信号的有效值为
8 1 1 8VP P yV h D k
8 2,3
2 2 2 2 2
P P PVVVV
3．测量周期和频率
（ 1）测量原理
被测交流信号的周期 （ x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离； DX 为示波器的扫描速度； KX 为 X轴扩展倍率。
周期的倒数即为频率。
/xxT xD k?
（ 2）测量方法
1）将示波器的扫描速度微调旋钮臵于,校准,
位臵。
2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。
3）将示波器的输入耦合开关臵于,AC”位臵。
4）调节扫描速度开关，记录 DX 值。
5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离 x。
6）计算被测交流信号的周期。
例 荧光屏上的波形如图所示，信号一周期 7cm，
扫描速度开关置于,10ms/cm”位置，扫描扩展置于,拉出 × 10”位置，求被测信号的周期。
0.2
0.5
1
2
10
100
10
1
100
50
S
ms
t/div
5
5
ns
x
7 1 0/7
10xxT x D k
4．测量时间间隔
（ 1）测量同一信号中任意两点 A与 B的时间间隔的测量方法如下图。
A与 B的时间间隔 （ 为 A与 B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离,DX 为示波器的扫描速度）
A B A B xT x D ABx?
x
A-B
（ 2） 若 A,B两点分别为脉冲波前后沿的中点，则所测时间间隔为脉冲宽度，如下图示 。
x
A-B
（ 3）采用双踪示波器可测量两个信号的时间差。将 B脉冲的起点左移 1格，读出两被测信号起始点时间的水平距离 。
x
A-B
5．用双踪示波法测量相位
将欲测量的两个信号 A和 B分别接到示波器的两个输入通道。
利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度 。
再测量两波形上对应点之间的水平距离 x，则两信号的相位差为
o360
T
x
x
用这种方法测相位差时应该注意，只能用其中一个波形去触发另一路信号。
x
1
x
2
x
T
探头的正确使用,
低电容探头的应用使输入阻抗大大提高，
特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。
探头和示波器是配套使用的，不能互换，
否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当。
低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器，微调电容 C以达到出现良好的方波通用示波器的面板示意图,
（ 1） CH1（ X） 通道 1：垂直输入端。
（ 2） CH2（ Y） 通道 2：垂直输入端。
（ 3） VOLTS/DIV输入衰减器。
（ 4） VERT MODE：垂直方式选择开关。
（ 5） SOURCE触发源选择开关。
（ 6） COUPLING触发信号耦合方式开关。
（ 7） TIME/DIV扫描时间选择开关。
（ 8） SWEEP MODE扫描方式选择开关。
（ 9） EXT TRIG和 EXT HOR外触发和外水平共用输入端。
（ 10） LEVEL HOLD OFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。
（ 11） X-Y方式。
5.5 取样技术在示波器中的应用以上介绍的通用示波器是,实时示波器,，测量时间 (一个扫描正程 )=被测信号的实际持续时间,看到的就是正发生的 。
但有两点不足,1,BW >1500MHz周期重复信号难以实现 → 取样
2,单次、非周期信号 难以观测（拍照） → 存储
BW再提高受到下列因素的限制：
（ 1）受到示波管的上限工作频率的限制。
（ 2）受 Y通道放大器带宽的限制；
(3) 受时基电路扫描速度的限制。
5.5.1 取样示波器的基本原理
1.实时取样和非实时取样取样的概念 是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。
例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。
同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，
也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫,实时取样,
。取样信号 uo(t)的 频谱比原信号 ui(t)还要宽。 由此可知，实时取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。
ui(t)
t
t
t
Uo(t)
图 5.46 取样过程
(a)输入信号 (b) 取样门与取样脉冲 (c) 取样信号
Uo(t)ui(t)
非实时取样 ---不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自若干个信号波形的不同位臵，如图 5.47所示。
条件,周期信号连绵不断取样点间隔：
mt+nΔt
左图 m=1（ 每个周期取一点 ）
若 m=10,1000…
则波形展得更宽
2.显示信号的合成过程图 5.48 在屏幕上由取样点合成信号波形的过程
t
t
t
ux uy
uy↑
u5u1
u2 u3
u4
两对偏转板上加什么样的电压呢?
因要经过 mt+Δt
的停留时间,
然后跳至下一点 。 可见 X,Y
偏转板上都应该加阶梯波
5.5.2 取样示波器的基本组成
Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把 高频信号变为低频信号 。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并展宽水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生 Δt
步进延迟脉冲送 Y轴系统。
5.5.3 取样示波器的参数取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数。
1.取样示波器的带宽取样示波器的带宽主要决定于 取样门（ 技术关键 ）,因为 被测频率越高，要求取样脉冲越窄 。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的 最高工作频率与取样脉冲底边宽度 τ成反比 。通常，
样门最高工作频率可表示为
64.0~44.0?BW （ 5.17）2.取样密度取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。
3.等效扫描速度等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。
应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（ Philips）公司最先研制成功的,1969年美国 HP公司也研制生产了取样示波器，
带宽已达 18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：
一是 单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限 ；
二是 数字技术的发展，已将 取样技术融合到数字示波器中去了,
现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。
因此，现在市场上已 很少见单纯的取样示波器了,但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。
5.6 数字示波器数字示波器通常称为数字存储示波器 (Digital Storage
Oscilloscope，缩写 DSO)。
这类 4441 型示波器，其实时带宽为 20或 40MHz，最大采样率为 10MS/s或 25MS/s。
5.6.1 数字示波器的组成原理
1.模拟 +数字存储示波器输入放大器同步放大逻辑控制电路
Y输出放大器
X输出放大器扫描发生器模拟滤波D/AA/D RAM
数字数字输入
Y
图 5.50 模拟＋数字存储示波器框图模拟显示器
2.单处理器数字示波器
RAM
CPU
ROM
GPIB
I/O
I/O
I/O
D/A
D/A
A/D
X
Y
放大放大触发信号
X通道
Y通道
CRT
取样门取样通道与保持
Ux
Uy
图 5.51 数字储示波器框图被测信号
ui
其他命令或用软件完成
t
Ui
us
t
U1s
t
t
Ux
t
锁存及 D/A变换读出数字量
A/D变换及存储存储数字量图 5.53 数字存储示波器的读出显示过程图 5.52 数字存储示波器的采样存储过程
RAM
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址
D0D1D2D3 D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址
D0D1D2D3 D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据
RAM
3.多处理器数字示波器（用 HP54600系列示波器来说明）
通道通道衰减器衰减器前臵放大前臵放大跟踪保持跟踪保持处理器后臵放大后臵放大波形总线
A/D
A/D
采集触发比较器信号调整触发选择电源信号触发电平外触发按键接口接口选择 模拟控制 CPU ROM RAM RAM视频光栅扫描显示器前臵放大波形翻译器存储器波形收发器微处理器总线
1
2
图 5.54 HP54600数字示波器简化框图图中包含了 三个处理器 （主处理器、采集处理器和波形翻译器）
，现分四部分进行介绍。
1)模拟部分这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电压，并保持足够长的时间，以便使 A/D能完成模数转换。
2)采集处理器使用 随机 -重复采样,送入波形存储器的数据放臵点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放臵位臵，以便 重构波形 。该采集处理器使用了
HPCMOS技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。
3)波形翻译器波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数据点相关的 电压和时间值翻译成 显示器上的垂直和水平像素位臵，再将这些 波形的像素位臵 对应地送至像素存储器。
4)主微处理器使用 68000CPU,ROM,RAM的常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。
由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到 1500000
点 /秒以上。
力科 （ LeCroy ）的产品，更 突出 了 数字处理和软件 的功能。
显示显示处理器
RAM
放大器触发器存储器采集AB
C
数字处理器连接到计算机打印机的数据总线协处理器操作系统应用软件
＆
可存储到
IC存储卡软盘硬盘以及输入信号
4 存档
1 采集
3 测量与分析2 显示图 5.55 LeCroy数字示波器工作原理简图
5.6.2 信号的采集处理技术
1.早期数字示波器的缺点
1)屏幕更新率低更新率 是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称 波形捕获率,
即 每秒可以捕获的波形数目 。
早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，
无法满足实时处理的要求。
图 5.56 更新率低造成的信号丢失和改进情况
（ a）
（ b）
死区时间同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。
例：右图调延迟时间 T,要多次反复调整才行。
t
U
0 t
1
t
2
t
3
t
4T
试验示波器更新率 是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如 正弦波 → 方波 → 三角波 ），看屏幕上是否能快速跟上变化。
为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（ Tektronix）公司采用 InstaVu技术已达到了 400000W/S
（波形 / 秒）以上，可以做到,模拟示波器的感觉，数字示波器的性能 "的效果。
2)有混迭失真混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。
造成混迭失真的 原因是欠采样,采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少 2倍以上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。
避免混迭失真的措施：
(a)
(b)
A) 过采祥,即提高采样速率，
在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；
B) 峰值检测 （包络检测），
以峰值作为基本的采样点，
再补上其它的采样点，则不会混迭失真。
上述两个缺点是现代 DSO设计和使用中要防止的问题。
2.采样方式数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样 (非实时采样 ),
等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图 5.58所示。
1)实时采样实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，
一个周期
（ a） 实时采样
2)随机采样由于实时采样 DSO要求采样速率高，例如带宽为 100MHz就要求 A/D器件的转换速度不能低于 400MS/s，这样高速的
A/D和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且记录长度长的实时采样 DSO价格相当昂贵。而实际上大多数测量的都是重复信号，
1 123 34 4
（ b） 随机采样采样周期采样周期采样周期采样周期第一第二第三第四
1 1
2 2
3 34 4
3)顺序采样顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（ 100 kHz～ 200kHz）获得极高的带宽（高达 50GHz）
，并且垂直分辨率一般在 10bit以上。由于这种示波器 每个采样周期在波形上只取一个样点,如图所示，每次延迟一个已知的 Δt 时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。
第一周期第三周期第 n周期顺序采样
1 2 3 n
···,·
··
3.采样速率采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：
⑴ 用采样次数来描述，表示 单位时间内采样的次数 。如
20MS/s（ 20× 106次 /秒）。
⑵ 用采样频率来描述，如 20MHz。
⑶ 用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（ bit）的数据。
如每秒钟储存 160兆位（ 160Mb/s）的数据，对于一个 8位
（ 8bit）的 A/D转换器来说，就相当于 20MS/s的采样率。
采样速率高可以增大 DSO的带宽,但事实上,DSO的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器,其具体定量关系见下述。
4.采集器件世界各大仪器公司都推出自已的高速 A/D技术，有的转换速度已超过 10GS/s以上。当前在 DSO中主要采用下面两种类型 A/D转换技术。
1)并联比较式 A/D转换器（也称 flash闪烁或瞬间式）
并联比较式 A/D转换器（及分级型和流水线式 A/D转换器）
2)CCD+A/D技术采用电荷耦合器件 CCD（ Charge Couple Device）作高速模拟存储，然后再慢速进行 A/D数字化处理。这种 CCD+A/D组合采集的原理如图 5.60所示。当前这种 单片模拟存储 IC的采样速率可达 2.5GS/s，并且价格相对便宜。四片这样的 IC交叉复用，可达到 10GS/s。但是由于制造技术上的原因，这种 DSO
的记录长度有限。
两路组合采集的原理
A/D1
A/D2
RAM1
RAM2
S
ui
组合输出数据
(a)
╳
╳
╳ ╳1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3 2.4
(b)
图 5.59 组合采集原理框图图 5.60 CCD+A/D组合采集原理图
YA顺序取样
YB顺序取样通道转换器 通道转换器
A
B
CCD
A/D RAM
uiA
uiB
5.采样存储器第 (n-2)次采样图 5.61 采样存储器的结构形式最末采样次末采样第 n次采样第 (n-1)次采样
① 要高速存储器,在 DSO中每个新获取的采样数据都必须立即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续接收数据的能力。
② 采用循环存储结构,采样存储器具有循环存储功能。先进先出，总是存放有最新的 nm个采样数据。
③ 预采样,采用循环存储结构，
主要是为了能观测触发之前的波形情况，采样过程必须预先进行，一开机就不断地采样。
6.触发功能
,触发”的概念来自模拟示波器，只能观测触发点以后的波形。
在 DSO中也沿用“触发”叫法，设臵了触发功能。但这里 触发信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地选取 采样存储器中某部分的 波形 送至 显示窗口 。
图 5.62中是观测振荡器起振的过程,选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值,触发极性选正
（ 上升沿 ）,负延迟
5格,则可在屏幕上同时看到触发前后的情况,即显示了从起振到稳定的全过程 。显示窗口正延迟负延迟图 5.62 触发功能示意图触发点正延时 是指可以观测触发点以后的被测信号；
负延时 可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可由程序设定，给波形分析带来很大方便。
尖峰干扰图 5.63 毛剌触发捕捉尖峰干扰的波形触发源选择：内触发 (可分别由通道 1或通道 2触发 )、外触发、
交流电源触发等。
触发模式选择：自动、正态、单次等。
触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发,延迟触发 及 毛刺触发 等。
延迟触发功能也是 DSO检测故障的一种手段，可以设法利用故障形成触发信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。
图 5.63给出了毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形。有的 DSO可捕捉
0.6ns的毛刺。
7.采样速率与记录长度 (即存储深度 )
采样速率 fs(MS/s)↑ → 数据点 ↑ → 记录长度 L（ pts） ↑ → 高速存储器难度 ↑
例如，想要在 100ms/div的扫速下以 1GS/s采样,那将需要
1000M的内存。
通常水平分辨率 = = =50点 /cm 时间窗口 10 cm
记录长度 512点但 习惯用,扫速 200ps/cm---10s/cm
1
采样间隔
1ms/cm
50点 /cm 水平分辨率扫速扫速水平分辨率
1ms/cm
50点 / cm采样间隔 = = =20μs
采样速率 = =
………… ……
屏幕
8cm
10cm
早期 DSO的扫速、采样速率和记录长度之间存在如下近似关系：
记录长度 ≈ 采样速率 × 扫速 × 10
L（ pts） =fs(MS/s)↓ × S（ S/div） ↑ × 10（ div） （ 5.20）
扫速 S↑,是扫速变低
500 pts=50MS/s× 1ms/div× 10 div
这样正好保证了有 500个采样点（ 10ms/20ns=500）。
① 若降低扫速，如 10ms/s（这时可看 100ms时间的信号）,
则
5000 pts=50MS/s× 10ms/div× 10 div
如果保持采样率不变，采样点太多采样存储器又会溢出。
② 若降低采样率，如 5MS/s，则
50 pts=5MS/s× 1ms/div× 10 div （每厘米仅 5个光点）
如果扫速保持不变，采样点太少则保证不了时间分辨率；
早期 DSO改变扫速则联动改变采样速率 (实际上是改变 A/D转换速度，即改变控制 A/D工作的时钟频率 ),基本上维持 (5.20)式的平衡
。
但这样的设计存在 两个缺点,
⑴ 记录长度太短,不能完整记录一个较复杂的信号。只以一个显示窗口设计记录长度，采样点有 500～ 1000点也就够了，
但仅 1000个样点是难以显示一个较复杂波形的。否则水平方向分辨力很差，丢失波形中一些信息。
⑵ 不便同时观测快慢信号 。
只以一个显示窗口设计记录长度，在观测一个含有快慢信号的波形时，例如图 5.64
所示的一行电视信号时，若以慢信号行频调整扫速，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中快变的电视信调整扫速，则又看不到一行完整的信号。
加亮
A扫描
td
U
T
T’
T’
B扫描图 5.64 一行电视信号的观测研究式 (5.20)可以发现：
只要 左边大于右边,即 记录长度长，每次采集存储的样点多，
一次就能记录下一个复杂的波形，右边扫速较大范围改变时，
采样速率可以保持不变，克服了上述两个缺点 。因此，现代
DSO都把增加记录长度（即提高存储深度）作为一项重要改进措施，设计超快、超长的采集存储器。现代 DSO记录长度已做到多达 48M采样点，保证了高的采样率和对复杂波形的捕获。
图 5.65给出了几种不同 DSO的扫速、采样速率和记录长度的关系曲线。从图中可以看出，一台最高采样率为 1GS/s，记录长度为 1Kpts的 DSO，当扫速提高到 100μs/cm时，实际采样率已降到 1MS/s（ A点）！而另一台最高采样速率
100MS/s，记录长度 1Mpts的 DSO，在同样扫速下，仍然保持在 100MS/s采样速率（ B点）。还有一台 500MS/s最高采样速率,120k记录长度的 DSO，在相同扫速下，采样速率大于 100MS/s（ C点）。
采样率
1K记录长度 120K记录长度
1M记录长度C
B
A
1GS/s
100MS/s
10MS/s
1MS/s
100KS/s
10KS/s
0.01KS/s
1KS/s
0.1KS/s
10ns
100ns
1μs
10μs
(500MS/s)
100μs
0.1s1ms
10ms 1s10s
(t/div)
100s
1ks
10ks
100ks 扫速图 5.65 扫速,取样率和记录长度的关系曲线结论,记录长度大的 DSO，扫速在较大范围调节时，采样速率不必跟着变化。
由于记录长度长,在此范围内改变扫速,采样率可不变记录长度短超此小范围改变扫速则要降低采样率否则要溢出降低扫速必须降低采样率应当指出,增加记录长度 后，一次捕捉的波形样点多了，不用改变扫速就可 同时观测高速和低速两种信号 。但是 屏幕只有 10
格 500点左右像素，若捕获 100000点的波形，仅有 500点显示在屏幕上，只能看到波形中的某一部分，其余 99500点是在屏幕左右看不见的地方。为此，不少厂家又提出多种 波形快速缩放技术 （如 MegaZoom,QuickZoom,X-Stream等）和类似模拟示波器中的多时基显示技术，使用户通过左右移动或多次放大深层次的波形分析，既可看到波形的 全貌又可看到局部细节。解决了长记录长度和快速显示处理之间的矛盾。图 5.66
给出了力科公司采用 X-Stream技术 对复杂波形多次局部放大的示意图。
图 5.66 波形多次局部放大示意图
8.有效比特分辨率模拟示波器的垂直分辨率以示波管良好聚焦情况下每格多少线来表示，而 DSO的垂直分辨率是以比特数来表示的，所以叫比特分辨率。 当前各公司给出 DSO的比特分辨率都是 DSO
内 A/D转换器的比特数，一般是 8比特 。实际上,A/D转换器的真正比特分辨率 ---即有效比特分辨率（ EBR）与被转换的信号频率有关系。 当输入信号频率提高时，其比特分辨率减小 ；并且不同厂家生产的 A/D，其比特分辨率减小的多少也是不一样的。例如同样是 200MS/s,8bitA/D,AD770和
CXA1076在输入 100MHz满刻度信号时，前者不足 5bit，
而后者不到 4bit。 在 DSO的整机中，通道噪声、非线性、时基抖动、代码丢失都会引起 A/D转换器的有效比特分辨率降低 。因此，简单地用 A/D比特数来表示 DSO的垂直分辨率是不科学的,目前还没有统一的 DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法 。
t
Ui
us
t
U1
s
t
Uy
t
Ux
t
锁存及 D/A变换数据
A/D变换及存储存储数字量图 5.53 数字存储示波器的读出显示过程
A
0
A
1
A
2
A
3
A
4
A
5
A
6
A
7
A
8
A
9
A1
0
A1
1
A1
2RAM
地址数据
D0 D1 D2 D3 D1
2
D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1
0
D1
1
模拟示波器,光点矢量扫描图形是连续的 。
数字示波器,光点是离散的 。 当光点少时可插补 。
读出数字量
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11A12
RAM
地址
D0 D1 D2 D3 D12D4D5 D6 D7 D8D9 D10 D11
6.5.3 波形显示技术这种技术的原理是：在采样点之间插入曲线段而使显示波形平滑。但是，有时由于过于依赖曲线的平滑性而使用很少的采样点（有时少达每周期 4个），因而噪声容易混入数据中。
1.点显示技术一般要求为每个信号周期显示 20～ 25个点。
2.数据点插入技术 （插值、插补、曲线拟合）
DSO中常用一种插入器将一些数据补充到所有相邻的采样点之间。采用插值技术可以降低对采样速率的要求。当前主要有线性插入和曲线插入两种方式。常用的插入技术：
1)矢量式显示（ 线性插入 ） 2)正弦内插
3)改进型正弦插入 4)SinX/X插入
3.矩阵像象素点显示技术（不用 D/A把点数据还原成模拟电压）
要求将波形对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位臵,再将这些 波形的像素位臵对应地送至视频随机存取储存器 （ 或称屏幕存储器,像素存储器,
画面缓冲区,该存储器的存储单元与屏幕像素位臵一一对应 ）
相应的存储位臵上 。 光栅 -扫描显示器在波形翻译器控制下被视频随机存取储存器刷新,
显示与波形对应的各像素 。
4.有效存储带宽
DSO的有效存储带宽（ USB,useful storage bandwidth）
描述的是 DSO观测正弦波信号最高频率的能力 。实际上 USB
也用来作为 DSO的单次带宽。
前面已经指出，为了避免混淆现象发生，目前实时 采样 DSO
的采样频率一般规定为带宽的 4～ 5倍，同时还必须采用适当的内插算法才行。如果不采用内插显示，则规定采样速率应为实时带宽的 10倍 。因此，在 DSO中定义 USB：
k
fU S B s m a x? （ 5.21）
式中,fsmax—— 最高采样速率
k—— 正弦 信号每周采样点数允许每周采样点数要依据厂家采用的数据点内插技术而定。通常,纯点显示 k=25，矢量内插 k=10,正弦内插 k=2.5。因此，
USB的宽度与采样速率和波形重组的方法有关。
5.6.4 技术性能指标
1.带宽（ BW）
当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下跌 3dB时，其下限到上限的频率范围即频带宽度，单位一般是 MHz或 GHz。
在 DSO中通常有两种带宽：
⑴ 重复带宽 （ repeat BW）：是指用 DSO测量重复信号时的
3dB带宽。由于一般使用了非实时等效采样（随机采样或顺序采样），故重复带宽（也称 等效带宽 ）可以做得很宽，有的达几十 GHz。
⑵ 单次带宽 （ single shot BW）：也称 有效存储带宽 （ USB）
。是用 DSO测量单次信号时，能完整地显示被测波形的 3dB带宽。实际上一般 DSO模拟通道硬件的带宽是足够的，主要 受到波形上采样点数量的限制 。因此，单次带宽一般只与采样速率和波形重组的方法有关，上面 5.21式给出了这种关系。
当 DSO的采样速率足够高，即高于标称带宽的 4～ 5倍以上时，
它的单次带宽和重复带宽是一样的，称为 实时带宽 。
2.上升时间（ Rise Time）
数字示波器的上升时间和模拟示波器一样都按式 (5.6)进行计算。
W
r Bt
35.0?
如果示波器的上升时间比被测脉冲的上升时间快三倍以上，则测量结果的直接读数误差不大于 5%，否则需要用公式 5.8进行计算，这也和模拟示波器使用情况相同。
扫速不同，采样点间隔不同，则上升时间读数可能不同。
因此，使用中应注意选择合适的扫速。
90%幅值
10%幅值
90%幅值
10%幅值采样点 采样点0.8 1.6
图 5.68 上升沿与采样点有关的示意图
(a) (b)
3.垂直灵敏度（ Vertical Deflection Coefficient）
也称垂直偏转因数，指示波器显示的垂直方向（ Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以 V/div或 V/cm表示。根据传统模拟示波器的习惯,DSO也以 1— 2— 5步进 方式进行垂直灵敏度调节，也可以进行细调。
垂直灵敏度参数表明了示波器测量最大和最小信号的能力。
4.扫速或称水平偏转因数（ Horizontal Deflection Coefficient）、
扫描时间因数、时基。指示波器显示的水平方向 (X轴 )每格所代表的时间值，以 s/div,ms/div,μs/div,ns/div,ps/div表示。沿用模拟示波器的传统习惯，数字化示波器也以 1— 2— 5
步进 方式进行调节，也能进行细调。
5.6.5 基本功能数字示波器有很多传统模拟示波器所不具备的功能，这些功能也是目前数字示波器所必须具备的，具有一定的代表性。
1.自动刻度 (Auto Scan)
这是一种通过软件自动调定示波器设臵的功能。
只须按一下“自动刻度”键，软件就会对输入波形进行计算，使仪器调到合适的扫速、合适的垂直灵敏度、合适的垂直偏转和触发电平，
从而得到满意的波形显示 。
2.存储 /调出（ Save/Recall）
这是一种存储或调出前面板设臵的功能。
当你需要多次重复使用某几套设臵观测几个不同波形或对同一个波形在不同的设臵条件下进行测量时，可以预先设臵好几套面板参数存储起来。避免了每次测量所需的繁琐设臵过程，特别适合于反复进行的测试程序，如生产线上的多种波形的重复测量。有的数字示波器可以存储十套面板设臵。
1 10mv/cm 100ps/cm
2 50mv/cm 0.5μs/cm
3
4
5
10 1v/cm 10ms/cm
3.光标测量 (ΔV,ΔT)
数字化示波器具有同时显示两个电压光标和两个时间光标的能力。简单地利用前面板的转轮，调整这些光标，能够测量波形上任何一点的绝对电平、离触发参考点的时间值或者直接读出波形上任意两点的电压差 (ΔU)、时间差 (ΔT)、以及电压与时间的相关特性等。
0.000s-1.000ns 1.000ns
图 5.69 用光标测脉冲上升时间
ΔV
ΔT
4.自动顶 — 底 (Auto Top-Base)
1.000ns0.000s-1.000ns
图 5.70 用,自动顶底,测脉冲幅度在 ΔV菜单下，按“自动顶 — 底”键，仪器的软件将用统计平均算法自动地把两个电压光标分别放在波形的顶部和底部。
通过△ U的读数指示，可以立即准确读出波形幅度值或分别读出顶部或底部的绝对电平值。此外,ΔU光标也能自动放在波形的 10-90%,20-80%,50-50%(波形的中间 )处，以便作为其它特殊测量使用。图 6.70表示一个“自动顶 — 底”的例子。
6.自动脉冲参数测量能进行的自动脉冲参数测量包括频率 f、周期 T、占空比（脉冲宽度占有率）、上升时间 tr、下降时间 tf、正宽度 τ、负宽度、
预冲 d、过冲 b、峰 -峰电压、有效值电压等 11种，测量方法符合 IEEE194-1977标准的规定。
图 5.71 脉冲参数示意图
7.可变余辉显示可变余辉显示是 DSO一种显示时间软件控制功能。
模拟示波器余辉 是电子束扫过之后荧光保留的时间，在高扫速时测量低重复频率信号，显示波形亮度会严重不足，而低扫速时，由于余辉时间不够会使波形严重闪烁，或只表现为光点的慢慢移动，甚至无法观测波形。
数字示波器 能够通过 软件控制波形在显示器上保持时间（从存储器中调出多显示几次 ），改变信号显示时间的长短 —— 即所谓显示更新速率，或称余辉时间。可编程的余辉时间 调节范围为 200ms～ 10s，无论你测量高重复速率信号，还是测量低重复速率信号，只要适当调节余辉时间，都能保持显示波形的亮度不变，也没有波形闪烁现象，并且与你所设臵的扫速快慢也几乎没有关系。
8.无限长余辉（ Infinite）
0.000s-1.000ns 1.000ns
图 5.72 用无限长余辉测量抖动无限长余辉是利用磁偏转光栅显示的特点实现的。微处理器把每次采集到的波形数据送往波形 RAM中时,不冲掉前一次的内容,显示 RAM中的波形数据随着时间不断积累,显示刷新电路也不断的把 RAM中的新老数据一起读出,加工成视频信号送往
CRT显示，从而实现无限长余辉功能。利用这一功能，人们可以观察正在变化着的信号，如由于漂移、抖动、干扰等因素引起的波形幅度、时间、相位等参数的变化。有的 DSO具有彩色显示功能，更容易看清抖动的变化。
9.平均显示
DSO采用优良的软件设计进行快速连续平均，平均次数可设定为 1～ 2048次，利用平均能使波形显示分辨率提高到 8bit，
也可以 利用平均提取淹没在非相关噪声中的信号 。
信号
10.波形存储和象素存储有的数字示波器设有四个波形存储器和一个象素存储器。
波形存储器 的作用是用来存储作为单值函数的波形，一个波形存储器只能存一个波形，如果你存储一个波形到已有内容的存储器中，存储器中原来的内容将被覆盖。四个波形存储器是非易失性存储器，即关机后，存储内容不会丢失。
象素存储器 是为存储复杂波形而设的，它是在显示 RAM中开辟的一个空间，这个 RAM空间中的每个比特 (每一位 )都对应着显示屏上波形区域的一个象素点。利用象素存储器可以把在无限长余辉方式下波形的变化积累 (多值的 )结果存储起来，也可以利用,Add to Memory” 键把每次测量的波形累加写入象素存储器中。象素存储器中的内容，关机后将消失。
12.单次捕捉 (Single)
相对示波器正常工作方式来说,单次捕捉 实际上只是其中的 一个采集周期对信号进行取样的结果,因此，所得到的样品点之间的间隔等于采样频率的倒数，在最高采样速率为 40MS/s时，
样点间隔为 25ns。如果认为 4个样点能够表示一个窄脉冲，那么，可以捕捉的最窄脉冲宽度为 100ns。
×
×
××
14.捕捉尖峰干扰对于图 5.67所示的尖峰干扰，正常模式下的 DSO是难以发现的。
对于具有峰值检测模式的 DSO，可以利用扫速采样、峰值存储技术捕捉尖峰干扰 。无论尖峰干扰位于何处，宽范围的高速采样保证了尖峰总能被数字化，而且尖峰上的采样点必然是本区间的最大值或最小值，故能被可靠地检出、存储并显示，原理见图 5.74。该模式非常适合在较慢扫速设定范围捕捉重复的尖峰干扰或单脉冲干扰。
注意，峰值检测式捕捉尖峰干扰与前面讲的毛刺触发方式捕捉尖峰干扰的工作原理是不同的 。
图 5.74 峰检模式采样图 5.73 正常模式采样
15.多种显示方式由于显示信号波形是取自采样存储器的数据,因此 DSO可以通过软件设计实现多种波形显示方式 。图 5.75给出了刷新、
滚动两种显示的示意图。
以上说明的仅仅是数字示波器的部分功能特点，此外还有很多，
如开机自动测试、自诊断、自校准、探头过压保护、垂直放大、
ECL或 TTL预设臵、可编程的时间释抑或事件释抑、波形运算、
绘图、打印,GP-IB接口等，这里不再一一叙述。
正在改写点旧波形新波形
(a) (b)
(a) 刷新显示 (b) 滚动显示图 5.75 DSO的刷新显示和滚动显示
5.6.6 数字示波器的应用
1.示波器的选用数字示波器和模拟示波器的选用原则相同。
tx/tr=3～ 5 （ 5.10）
BW/fh=3～ 5 （ 5.11）
若选购示波器，按性能 /价格比和市场行情来看，一般说来，
购买带宽 100MHz以下的示波器，当前还是以买模拟示波器为主 ； 购买带宽 100MHz以上的示波器，当前应是以买数字示波器为主 。当然还要依据购买目的及对特殊功能的要求，
综合考虑决定。
2.模拟示波器与数字示波器比较
20世纪 40年代是电子示波器兴起,几十年来，示波器由电子管发展到晶体管、集成电路的示波器，由模拟示波器发展到数字示波器。
70年代模拟示波器发展到高峰,带宽达到 1GHz以上。但此后进展不大，因为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改进，技术、工艺难点较多。
20世纪 80年代数字示波器异军突起,技术发展很快，各项性能指标赶上并超过了模拟示波器，数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 A/D转换器性能，后端主要是数字电路。有许多功能是模拟示波器无法实现的。
表 5.4 模拟示波器与数字示波器比较类 型 优 点 缺 点模拟示波器直接操作控制，简单方便数据更新快实时带宽和实时显示垂直分辨率高价格较低不能看到触发前信号只能用照相方法保留波形难以显示低重复率信号不能多通道同时测量数字示波器多通道同时采样负时间测量单次瞬态信号测量波形存储与数据处理能力自动测量能力易于校准有数字 I/O接口可用打印机或绘图仪绘制波形实时性不如模拟示波器水平、垂直分辨率不够高可能出现混迭失真价格较高
3.典型产品示例厂商 LeCroy（力科） Tek（泰克） Agilent（安捷伦）
型号 WP7200/7300 TDS7254 54846B
带宽 2GHz,3GHz 2.5GHz 2.25GHz
采样速率（ 4通道）
10GS/s 5GS/s 4GS/s
采样速率（ 2通道）
20GS/s 10GS/s 8GS/s
标准存储 2 Mpts 400 kpts 64 kpts
48 Mpts 32Mpts
5 ppm 2.5 ppm 70 ppm
3psRMS 8 psRMS（ typ） 6 psRMS+
输入阻抗 50Ohm,1MOhm 50Ohm,50Ohm,1MOhm
3.数字存储示波器的应用,
1,t和 V的测量
数字存储示波器对屏幕上要测量的信号部位加上游标，
记录这两个采样点的位置和相应的数据，并通过计算，
最后以字符自动表示测量结果。
2．捕捉尖峰干扰
适合在较大时基设定范围内捕捉重复的尖峰干扰或单脉冲干扰。
3．非电信号测试
只要配有适当的传感器就能测量振动、加速度、角度、
位移、功率以及压力等机电参数。
1,示波器的功用、分类、组成和波形显示原理
2.通用示波器的组成原理、特性与应用
3,取样技术在示波器中的应用
4,数字示波器的组成原理,信号采集处理技术,特性与功能
5.1.1 示波器的功用
1,示波器是一种能表现任何两个互相关联的电参数的 XY坐标图示仪。
若 以横坐标作时间，纵坐标作电压幅度，对信号进行时域测量；
若横坐标作频率，纵坐标作电压幅度，就组成频谱分析仪，对信号进行频域测量；
若横坐标作为三极管的 uce(或 ube)，纵坐标作为 ic(或 ib)，就能显示出三极管的输出 (输入 )特性曲线 。
2,示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、
周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。 这些功能是其它电子仪器难以胜任的。
3,示波器从早期的 定性观测,已发展到可以进行 精确测量 。
4,示波器是其它 图式仪器的基础 。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用 B超等各种图示仪器就容易理解了。
5.1.2 示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为：
（ 1） 模拟式 —— 通用示波器 （采用单束示波管实现显示，当前最通用的示波器）。
（ 2） 数字式 —— 数字存储示波器 （采用 A/D,DSP等技术实现的数字化示波器）。
（ 1） 中、低档示波器，带宽在 60MHz以下 。
（ 2） 高档示波器，带宽在 60MHz以上，大多在 300MHz以下。
更高档的有 1GHz～ 2GHz以上。
从性能上，按示波器的带宽可分为：
从结构特点可分为,（见课本 77页）
5.1.3 示波器的组成
Y（垂直）通道,由探头、衰减器、前臵放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，
主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。
X（水平）通道,由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。
显示屏,主要由阴极射线管组成，
常以 CRT (Cathode Ray Tube)
表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（ LCD）已经应用于示波器了。
Y 垂直 )
通 道
X 水平通 道电源图 5.2 示波器的基本组成显示屏
5.2 示波管（ CRT）
示波管属于电真空器件，又称为 阴极射线管（ CRT） 。
K
G1 G2 A
1
A2 Y2 X2
F~6.3V
0V
X1
亮度
Ug1
辅助聚焦后加速极
A3＋ 15KV
电子枪 偏转系统 荧光屏
Y1
真空玻璃管图 5.3 阴极射线示波管Z
轴
5.2.1 电子枪电子枪的作用是 发射电子并形成强度可控制的很细的电子束 。
它由以下几部分组成：
1.灯丝 F—— 在交流低压 (如 6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。
2.阴极 K—— 是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）
的金属
3.第一栅极 G1—— 调节 G1的电位可以调节示波器的亮度，常臵于示波器面板上供使用。
当控制信号加于 G1，其 亮度 可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的
Z轴 电路。
4.第二栅极 G2—— 隔离开 G1和 A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。
5.第一阳极 A1—— 与第二阳极 A2构成一个电子透镜，对电子束起 聚焦 作用。
6.第二阳极 A2—— 是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与 A1构成电子透镜。
7.第三阳极 A3—— 具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称 后加速阳极 。
5.2.2 偏转系统
1．静电偏转 ---光点法 ----用于示波器
2..磁偏转 -----光栅法 ----用于电视机、计算机显示器及示波器。
2 y y ya
Lsy U h U
bU
图 5.4 电子束的偏转
L
S
Y
U
yUa
屏幕电子束
A2
2 y y ya
Lsy U h U
bU
比例系数称为示波管的偏转因数,单位为 cm/V,它的倒数 Dy＝ 1／ hy称为示波管的偏转灵敏度,单位为 V/cm。 偏转灵敏度是示波管的重要参数 。
5.2.3 荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。
余辉时间,当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的 10％，所延续的时间称为余辉时间．
小于 10μs的为极短余辉；
不同荧光材料余辉时间不一样：
10μs～ 1ms为短余辉（通常是 蓝色,便于摄影感光）；
1ms～ 0.1s为中余辉（通常为 绿色,眼睛不易疲劳）；
0.1s～ 1s为长余辉（通常是 黄色 ）；
大于 1s为极长余辉（通常是 黄色 ）。
5.3 波形显示原理
5.3.1 显示随时间变化的图形
1.光点扫描显示原理光点位臵控制,u
y
Y1
Y2
1
2 3 40 t
1
3
0 2 4
(a)
(b)
t
X2
X1
0
0ux
Ts
Tn
+ + + +
- - - -
-
-
-
-
+
+
+
+
光点在合力作用下移动
.
2.信号与扫描电压的同步
uy
1
2 3
40 t
Ts
ux
uy
uxX1 X2
Y1
Y2
1
2
3
40
t0
Tn1
2
3 4
0图 5.6 扫描过程
uy
Ts
Tn
t0 1 3 5 7 9 108642 0,8
1,9 5
3 7
210 412 6 8
1
t
ux
2
5
7
9
12
3 34 4
56 6
7
10
8
图 5.7 扫描电压与被测信号同步同步,
Tn/TS=n
N=1,2,…
波形稳定若显示两个正弦波怎么办？
3.连续扫描和触发扫描连续扫描,
一开机就有扫描线,
来信号同步后波形才稳定 。
触发扫描,
一开机没有扫描线,
来信号触发后波形才稳定 。
Ts t
t
t
t
uy
ux
ux
ux
Tn
Tn
图 5.9 连续扫描和触发扫描的比较
1mS
1μS
999
※ 5.3.2 光栅显示原理光栅显示主要用于 电视机 和计算机的 显示器,通常都是采用磁偏转方式的显像管 。
1.光栅显示的原理与实现电子束先要在行、场（即 X,Y）扫描的配合下，从左到右、
从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，
如图 5.12所示（示意图）。
图 5.12 光栅显示的扫描过程光栅显示是三维（ X,Y,Z）坐标显示。 X,Y偏转只用于决定光点在屏幕上的位臵，而 Z轴电路（见示波管第一栅极）则用于控制光点显示的强弱亮暗，这是由被测信号控制的。
5.3.3 平板显示原理上述显示是基于电真空器件 CRT内进行的，这种方式优点多多缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。
显示器总汇与发展历程简介：
被动发光平板显示器（ FPD）
等离子 PDP（ 紫外线 +荧光粉 ）
背光源 +液晶板阴极射线管
（ CRT）
主动发光电致发光 EL板荧光 VFD显示屏发光二极管 LED显示屏场致发射 FED表面传导电子
（ 像素点电子源 +荧光粉 ）
显示器
5.4 通用示波器
5.4.1 通用示波器的组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。
图 5.19 通用示波器的主要组成框图
5.4.2 示波器的 Y(垂直 )通道示波器的 Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管 Y偏转板上。
1.探头（探极）与耦合作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意,探头不能张冠李戴，必须配对使用 。否则 300MHz带宽的示波器可能不到 50MHz的效果。
1)无源电压探头
20pF
示波器
180pF
探头图 5.20 通用示波器探极原理图输入电阻,1MΩ→ 10MΩ
输入电容,180pF→ 18pF
展宽了频带分压比,10︰ 1
扩展示波器的量程上限附加一个 RLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了 300
MHz以上。
图 5.22 带有阻抗匹配时的无源探头 图 5.23 源极跟随器式探头的基本电路
2.输入衰减器图 5.24 输入衰减器原理示意图
ui
uo
C1
C2
R1
R2
对于直流或低频情况：
2
12
o
i
u R
u R R
对于高频情况
2
12
o
i
u Z
u Z Z
当满足 R1C1=R2C2
能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。
R1C1=R2C2 R1C1>R2C2 R1C1<R2C2
示波器的衰减器实际上 由一系列 RC分压器组成,改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关，在面板上常用 V/cm加标记。
通常示波器的灵敏度都是按 1,2,5步进,例如,10mV/cm
~20V/cm分 11档。
3.延迟线
td=100ns~200ns
延迟电缆或 LC延迟网络图 5.25 延时线的作用
tTt
d
4.Y放大器
Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。 Y放大器应该有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带和对称输出的输出级。
通常把 Y放大器分成前臵放大器和输出放大器两部分。
f
U
宽频带,高增益差分放大示波器售价主要决定带宽主要按钮,垂直（ Y）位移 -----调 Y放大器直流电位，使水平基线上下移动。
寻迹 -----有时 Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”
倍率 -----若把“倍率”臵于,× 5”,则负反馈减小，
使增益大大降低拉回基线增益增加 5倍，这便于观测微弱信号。
5.4.3 示波器的 X(水平 )通道示波器的 X通道主要由扫描发生器环、触发电路和 X放大器组成,（ 见前面的示波器组成框图 ）
1.触发电路作用 ----为扫描门提供触发脉冲图 5.26 触发电路及其在面板上的对应开关
1)触发源选择
,内”触发,利用从 Y通道来的被测信号作触发信号，这是最常用的情况；
,外”触发,是用外接信号作触发信号，但触发信号的周期应与被测信号有一定的关系，外触发常用在被测信号不适宜作触发信号或比较两个信号时间关系的情况。
,电源触发,：在观测与电源有关的信号时，可选“电源”触发，以便于与电源同步。
2)触发耦合方式
“DC” 直接耦合,用于直流或缓慢变化的信号进行触发时；
“AC” 交流耦合,若用交流信号触发，臵 AC方式，这时电容
C1（约 0.47μF）起隔直作用；
,低频抑制”,利用 C1,C2（约 0.01μF）串联后的电容，抑制信号中大约 2kHz以下的低频成分，主要目的是滤除信号中的低频干扰；
“HF” 高频耦合,利用 C1和更小的 C3（约 1000pF）串联后只允许通过频率很高的波
3)触发电平与触发极性选择其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，也就是可以 自由选定从信号的某一点开始观测。
示波器窗口现代示波器中设计了
,自动触发电路,,使触发点能自动地保持在最佳的触发电平的位臵 。
图 5.27 不同触发,极性,和,电平,时显示的波形
(a) 正极性,正电平 (b) 负极性,正电平
(c)正极性,负电平 (b)负极性,负电平
A
A B
C D
2.扫描发生器环（时基电路） (课本 88页 )
作用：产生由触发脉冲启动的扫描锯齿波信号。
是示波器 发展史 上的一个 重大进步 。它使示波器实现了既可连续扫描，又可触发扫描，且不管哪种扫描都可以与外加信号自动同步，而不必麻烦地调节 Tn=nTs来同步。
扫描门图 5.28 扫描发生器环的组成模拟闭环自动控制电路
1)扫描门（时基闸门、可以是任何 双稳态电路 ）
图 5.29 施密特电路及其滞后特性
uo
回差
ub
1
ub1 E
0
E0
释抑电压触发脉冲
ub1 直流电平 E0
释抑电压
2)积分器（锯齿扫描电压产生，密勒 (Miller)积分器）
Uu0 Uu0
U
ui
图 5.30 密勒积分器
tRCEE d tRCu o 1
RC（ 分档 ） E（ 微调 ）
改变锯齿波斜率,即扫描速度定义 显示屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度 Ss(t/cm)
按 1,2,5分多档,例如分
21档,0.2μS-1S/cm
3)比较和释抑电路图 5.31 比较和释抑电路示意图
-E
充电放电作用,保证每次扫描都开始在同样的起始电平上,
4)触发扫描状态欲看 3个脉冲,
1,5号脉冲触发有效
2,3号脉冲无用
4号脉冲要抑制注意,
三个时刻,t1,tp,t2
三个时间,tb,th,tw
要求,
th>tb（ 释抑放电时间大于回扫时间 ）
图 5.32 比较和释抑电路的工作
tp tw
ˊ
图 5.33 在连续扫描情况下,比较和释抑电路的工作
t1 t2 t4 t5t1 ˊ t3
C
h充
Ur
5)连续扫描状态予臵：
E0>E1
环路自激 Ch放电至 E1
打开闸门,扫描开始,
到 Up,Ch充电,到 E2
扫描结束,Ch又放电 。
当有信号 （ 2号触发脉冲 ） 则环路被信号所同步 。
6)结论：
E0调节触发扫描,E1≥ E0>E2------常态连续扫描,E0>E1>E2-----自动、高频外触发扫描,E0≥E 2
扫描环的巧妙加入，通过调节 E0（ RW稳定度） 可使电路处于：
,常态,触发扫描状态；
,自动,低频连续扫描状态；
,高频,高频连续扫描状态且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。
说明,上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际电路更完善更先进。
3.X放大器（见前面框图）
1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板
2)特点：带宽比 Y通道窄 5-10倍
3)按钮：水平（ X）位移 ----
X— Y工作模式 ----
X扩展 ----X放大器增益,× 5； × 10
5.4.4 示波器的多波形显示
1.多线显示和多踪显示
1)多线显示两个电子束，两个 Y通道相互独立，可以实时看到两个瞬变信号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。
2)多踪显示
uA
uB
图 5.34 双踪示波器 Y通道方框图工作方式：
A
B
A+B
A-B
交替断续注意,
由谁触发？
A,B各自触发,
则不便比较时间关系 。
A,B共一触发,
便于比较时间关系 。
(a),交替,方式适合观测 高 频信号交替描绘 A,B两路非实时（隔周）比较
(b),断续,方式适合观测 低 频信号多次取样，准实时波形非连续，可能
uA u
A
uBuB
漏掉信息
2.双时基扫描既可看全景，又可看局部（雷达、特写镜头）
图 5.36 双扫描示波器的组成工作方式,A工作模式； B加亮 A；
A延迟 B工作
5.4.5 通用示波器的应用
1.通用示波器的主要技术指标
1)带宽,上升时间
Y通道的频带宽度 (Bw)，
W
r Bt
35.0?
2)扫描速度扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是 s/cm，或 s/div。 div(格 )一般为 1cm。
3)偏转灵敏度偏转灵敏度 Dy反映示波器观察微弱信号的能力。单位为
mV/cm或 V/div。
4)输入阻抗示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。
5)扫描方式示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫描、交替扫描等，但此时示波器中要有两套扫描系统。
6)触发特性为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。
2.通用示波器的选用原则选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但 最主要的是带宽 。
示波器 Y通道
BW=100MHz
tr=0.35/BW
=3.5nS
tx=0
tx=10nS
trx=3.5nS
trx=？
trx=10+3.5？
因两独立变量应均方相加则
22
x rx rt t t
但这样测读太麻烦，最好 0
rt?
x rxtt?
这要满足什么条件呢？经误差分析，
Δtrx/trx
%
图 5.38 示波器带宽对读出误差的影响
%
rx
rx
t
t?
)(
hr
x
f
BW
t
t
可得右图关系：
tx/tr=1时，屏幕读数相对误差
%40/ rxrx tt
通常要求选用的示波器上升时间要
tx/tr=3～ 5
对于一般连续信号
BW/fh=3～ 5
这里 fh是被测信号中的最高频率分量。
3.通用示波器的基本测量方法利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。 在实验中进行 。
提问：
1 观测一个 10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？
2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？
3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？
4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？
>30MHz
>120MHz
>20MHz
>3000MHz
1．直流电压的测量
（ 1）测量原理利用被测电压在屏幕上呈现的直线偏离时间基线
（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。
为被测直流电压值,h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度； 为示波器的垂直灵敏度，
k为探头衰减系数。
（ 2）测量方法
1） 将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置 （ CAL） 。
2） 将待测信号送至示波器的垂直输入端 。
3） 确定零电平线 。
4） 将示波器的输入耦合开关拨向,DC”档,确定直流电压的极性 。
5） 读出被测直流电压偏离零电平线的距离 h。
6）计算被测直流电压值 。
例 示波器测直流电压及垂直灵敏度开关示意图如图所示,h=4cm,V/cm、若 k=10,1，求被测直流电压值
0.5
1
2
5
10
250
100
50
25
5
V mV
V/div
零电平线显示波形
（直流电压）
4 0,5 1 0 2 0D C yV h D k
2．交流电压的测量
（ 1）测量原理为被测交流电压值（峰 -峰值）； h为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；
为示波器的垂直灵敏度； 为探头衰减系数。
（ 2）测量方法垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置；接入待测信号；输入耦合开关置于,AC” ；调节扫描速度使波形稳定显示；调节垂直灵敏度开关； 读出被测交流电压波峰和波谷的高度； 计算被测交流电压的峰 -峰值。
例 示波器正弦电压如图所示,h=8cm,V/cm、
若 K=1,1，求被测正弦信号的峰 -峰值和有效值。
0.5
1
2
5
10
250
100
50
25
5
V mV
V/div
零电平线显示波形
（交流电压）
正弦信号的峰 -峰值为正弦信号的有效值为
8 1 1 8VP P yV h D k
8 2,3
2 2 2 2 2
P P PVVVV
3．测量周期和频率
（ 1）测量原理
被测交流信号的周期 （ x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离； DX 为示波器的扫描速度； KX 为 X轴扩展倍率。
周期的倒数即为频率。
/xxT xD k?
（ 2）测量方法
1）将示波器的扫描速度微调旋钮臵于,校准,
位臵。
2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。
3）将示波器的输入耦合开关臵于,AC”位臵。
4）调节扫描速度开关，记录 DX 值。
5）读出被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占的距离 x。
6）计算被测交流信号的周期。
例 荧光屏上的波形如图所示，信号一周期 7cm，
扫描速度开关置于,10ms/cm”位置，扫描扩展置于,拉出 × 10”位置，求被测信号的周期。
0.2
0.5
1
2
10
100
10
1
100
50
S
ms
t/div
5
5
ns
x
7 1 0/7
10xxT x D k
4．测量时间间隔
（ 1）测量同一信号中任意两点 A与 B的时间间隔的测量方法如下图。
A与 B的时间间隔 （ 为 A与 B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离,DX 为示波器的扫描速度）
A B A B xT x D ABx?
x
A-B
（ 2） 若 A,B两点分别为脉冲波前后沿的中点，则所测时间间隔为脉冲宽度，如下图示 。
x
A-B
（ 3）采用双踪示波器可测量两个信号的时间差。将 B脉冲的起点左移 1格，读出两被测信号起始点时间的水平距离 。
x
A-B
5．用双踪示波法测量相位
将欲测量的两个信号 A和 B分别接到示波器的两个输入通道。
利用荧光屏上的坐标测出信号的一个周期在水平方向上所占的长度 。
再测量两波形上对应点之间的水平距离 x，则两信号的相位差为
o360
T
x
x
用这种方法测相位差时应该注意，只能用其中一个波形去触发另一路信号。
x
1
x
2
x
T
探头的正确使用,
低电容探头的应用使输入阻抗大大提高，
特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。
探头和示波器是配套使用的，不能互换，
否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当。
低电容高电阻探头的校正方法是以良好的方波电压通过探头加到示波器，微调电容 C以达到出现良好的方波通用示波器的面板示意图,
（ 1） CH1（ X） 通道 1：垂直输入端。
（ 2） CH2（ Y） 通道 2：垂直输入端。
（ 3） VOLTS/DIV输入衰减器。
（ 4） VERT MODE：垂直方式选择开关。
（ 5） SOURCE触发源选择开关。
（ 6） COUPLING触发信号耦合方式开关。
（ 7） TIME/DIV扫描时间选择开关。
（ 8） SWEEP MODE扫描方式选择开关。
（ 9） EXT TRIG和 EXT HOR外触发和外水平共用输入端。
（ 10） LEVEL HOLD OFF触发电平和释抑时间双重控制旋钮。
（ 11） X-Y方式。
5.5 取样技术在示波器中的应用以上介绍的通用示波器是,实时示波器,，测量时间 (一个扫描正程 )=被测信号的实际持续时间,看到的就是正发生的 。
但有两点不足,1,BW >1500MHz周期重复信号难以实现 → 取样
2,单次、非周期信号 难以观测（拍照） → 存储
BW再提高受到下列因素的限制：
（ 1）受到示波管的上限工作频率的限制。
（ 2）受 Y通道放大器带宽的限制；
(3) 受时基电路扫描速度的限制。
5.5.1 取样示波器的基本原理
1.实时取样和非实时取样取样的概念 是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。
例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。
同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，
也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫,实时取样,
。取样信号 uo(t)的 频谱比原信号 ui(t)还要宽。 由此可知，实时取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。
ui(t)
t
t
t
Uo(t)
图 5.46 取样过程
(a)输入信号 (b) 取样门与取样脉冲 (c) 取样信号
Uo(t)ui(t)
非实时取样 ---不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自若干个信号波形的不同位臵，如图 5.47所示。
条件,周期信号连绵不断取样点间隔：
mt+nΔt
左图 m=1（ 每个周期取一点 ）
若 m=10,1000…
则波形展得更宽
2.显示信号的合成过程图 5.48 在屏幕上由取样点合成信号波形的过程
t
t
t
ux uy
uy↑
u5u1
u2 u3
u4
两对偏转板上加什么样的电压呢?
因要经过 mt+Δt
的停留时间,
然后跳至下一点 。 可见 X,Y
偏转板上都应该加阶梯波
5.5.2 取样示波器的基本组成
Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把 高频信号变为低频信号 。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并展宽水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生 Δt
步进延迟脉冲送 Y轴系统。
5.5.3 取样示波器的参数取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数。
1.取样示波器的带宽取样示波器的带宽主要决定于 取样门（ 技术关键 ）,因为 被测频率越高，要求取样脉冲越窄 。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的 最高工作频率与取样脉冲底边宽度 τ成反比 。通常，
样门最高工作频率可表示为
64.0~44.0?BW （ 5.17）2.取样密度取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。
3.等效扫描速度等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。
应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（ Philips）公司最先研制成功的,1969年美国 HP公司也研制生产了取样示波器，
带宽已达 18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：
一是 单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限 ；
二是 数字技术的发展，已将 取样技术融合到数字示波器中去了,
现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。
因此，现在市场上已 很少见单纯的取样示波器了,但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。
5.6 数字示波器数字示波器通常称为数字存储示波器 (Digital Storage
Oscilloscope，缩写 DSO)。
这类 4441 型示波器，其实时带宽为 20或 40MHz，最大采样率为 10MS/s或 25MS/s。
5.6.1 数字示波器的组成原理
1.模拟 +数字存储示波器输入放大器同步放大逻辑控制电路
Y输出放大器
X输出放大器扫描发生器模拟滤波D/AA/D RAM
数字数字输入
Y
图 5.50 模拟＋数字存储示波器框图模拟显示器
2.单处理器数字示波器
RAM
CPU
ROM
GPIB
I/O
I/O
I/O
D/A
D/A
A/D
X
Y
放大放大触发信号
X通道
Y通道
CRT
取样门取样通道与保持
Ux
Uy
图 5.51 数字储示波器框图被测信号
ui
其他命令或用软件完成
t
Ui
us
t
U1s
t
t
Ux
t
锁存及 D/A变换读出数字量
A/D变换及存储存储数字量图 5.53 数字存储示波器的读出显示过程图 5.52 数字存储示波器的采样存储过程
RAM
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址
D0D1D2D3 D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据
A0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A10A11A12地址
D0D1D2D3 D12D4D5D6D7D8D9D10D11数据
RAM
3.多处理器数字示波器（用 HP54600系列示波器来说明）
通道通道衰减器衰减器前臵放大前臵放大跟踪保持跟踪保持处理器后臵放大后臵放大波形总线
A/D
A/D
采集触发比较器信号调整触发选择电源信号触发电平外触发按键接口接口选择 模拟控制 CPU ROM RAM RAM视频光栅扫描显示器前臵放大波形翻译器存储器波形收发器微处理器总线
1
2
图 5.54 HP54600数字示波器简化框图图中包含了 三个处理器 （主处理器、采集处理器和波形翻译器）
，现分四部分进行介绍。
1)模拟部分这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电压，并保持足够长的时间，以便使 A/D能完成模数转换。
2)采集处理器使用 随机 -重复采样,送入波形存储器的数据放臵点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放臵位臵，以便 重构波形 。该采集处理器使用了
HPCMOS技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。
3)波形翻译器波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数据点相关的 电压和时间值翻译成 显示器上的垂直和水平像素位臵，再将这些 波形的像素位臵 对应地送至像素存储器。
4)主微处理器使用 68000CPU,ROM,RAM的常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。
由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到 1500000
点 /秒以上。
力科 （ LeCroy ）的产品，更 突出 了 数字处理和软件 的功能。
显示显示处理器
RAM
放大器触发器存储器采集AB
C
数字处理器连接到计算机打印机的数据总线协处理器操作系统应用软件
＆
可存储到
IC存储卡软盘硬盘以及输入信号
4 存档
1 采集
3 测量与分析2 显示图 5.55 LeCroy数字示波器工作原理简图
5.6.2 信号的采集处理技术
1.早期数字示波器的缺点
1)屏幕更新率低更新率 是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称 波形捕获率,
即 每秒可以捕获的波形数目 。
早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，
无法满足实时处理的要求。
图 5.56 更新率低造成的信号丢失和改进情况
（ a）
（ b）
死区时间同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。
例：右图调延迟时间 T,要多次反复调整才行。
t
U
0 t
1
t
2
t
3
t
4T
试验示波器更新率 是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如 正弦波 → 方波 → 三角波 ），看屏幕上是否能快速跟上变化。
为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（ Tektronix）公司采用 InstaVu技术已达到了 400000W/S
（波形 / 秒）以上，可以做到,模拟示波器的感觉，数字示波器的性能 "的效果。
2)有混迭失真混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。
造成混迭失真的 原因是欠采样,采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少 2倍以上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。
避免混迭失真的措施：
(a)
(b)
A) 过采祥,即提高采样速率，
在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；
B) 峰值检测 （包络检测），
以峰值作为基本的采样点，
再补上其它的采样点，则不会混迭失真。
上述两个缺点是现代 DSO设计和使用中要防止的问题。
2.采样方式数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样 (非实时采样 ),
等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图 5.58所示。
1)实时采样实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，
一个周期
（ a） 实时采样
2)随机采样由于实时采样 DSO要求采样速率高，例如带宽为 100MHz就要求 A/D器件的转换速度不能低于 400MS/s，这样高速的
A/D和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且记录长度长的实时采样 DSO价格相当昂贵。而实际上大多数测量的都是重复信号，
1 123 34 4
（ b） 随机采样采样周期采样周期采样周期采样周期第一第二第三第四
1 1
2 2
3 34 4
3)顺序采样顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（ 100 kHz～ 200kHz）获得极高的带宽（高达 50GHz）
，并且垂直分辨率一般在 10bit以上。由于这种示波器 每个采样周期在波形上只取一个样点,如图所示，每次延迟一个已知的 Δt 时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。
第一周期第三周期第 n周期顺序采样
1 2 3 n
···,·
··
3.采样速率采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：
⑴ 用采样次数来描述，表示 单位时间内采样的次数 。如
20MS/s（ 20× 106次 /秒）。
⑵ 用采样频率来描述，如 20MHz。
⑶ 用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（ bit）的数据。
如每秒钟储存 160兆位（ 160Mb/s）的数据，对于一个 8位
（ 8bit）的 A/D转换器来说，就相当于 20MS/s的采样率。
采样速率高可以增大 DSO的带宽,但事实上,DSO的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器,其具体定量关系见下述。
4.采集器件世界各大仪器公司都推出自已的高速 A/D技术，有的转换速度已超过 10GS/s以上。当前在 DSO中主要采用下面两种类型 A/D转换技术。
1)并联比较式 A/D转换器（也称 flash闪烁或瞬间式）
并联比较式 A/D转换器（及分级型和流水线式 A/D转换器）
2)CCD+A/D技术采用电荷耦合器件 CCD（ Charge Couple Device）作高速模拟存储，然后再慢速进行 A/D数字化处理。这种 CCD+A/D组合采集的原理如图 5.60所示。当前这种 单片模拟存储 IC的采样速率可达 2.5GS/s，并且价格相对便宜。四片这样的 IC交叉复用，可达到 10GS/s。但是由于制造技术上的原因，这种 DSO
的记录长度有限。
两路组合采集的原理
A/D1
A/D2
RAM1
RAM2
S
ui
组合输出数据
(a)
╳
╳
╳ ╳1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3 2.4
(b)
图 5.59 组合采集原理框图图 5.60 CCD+A/D组合采集原理图
YA顺序取样
YB顺序取样通道转换器 通道转换器
A
B
CCD
A/D RAM
uiA
uiB
5.采样存储器第 (n-2)次采样图 5.61 采样存储器的结构形式最末采样次末采样第 n次采样第 (n-1)次采样
① 要高速存储器,在 DSO中每个新获取的采样数据都必须立即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续接收数据的能力。
② 采用循环存储结构,采样存储器具有循环存储功能。先进先出，总是存放有最新的 nm个采样数据。
③ 预采样,采用循环存储结构，
主要是为了能观测触发之前的波形情况，采样过程必须预先进行，一开机就不断地采样。
6.触发功能
,触发”的概念来自模拟示波器，只能观测触发点以后的波形。
在 DSO中也沿用“触发”叫法，设臵了触发功能。但这里 触发信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地选取 采样存储器中某部分的 波形 送至 显示窗口 。
图 5.62中是观测振荡器起振的过程,选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值,触发极性选正
（ 上升沿 ）,负延迟
5格,则可在屏幕上同时看到触发前后的情况,即显示了从起振到稳定的全过程 。显示窗口正延迟负延迟图 5.62 触发功能示意图触发点正延时 是指可以观测触发点以后的被测信号；
负延时 可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可由程序设定，给波形分析带来很大方便。
尖峰干扰图 5.63 毛剌触发捕捉尖峰干扰的波形触发源选择：内触发 (可分别由通道 1或通道 2触发 )、外触发、
交流电源触发等。
触发模式选择：自动、正态、单次等。
触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发,延迟触发 及 毛刺触发 等。
延迟触发功能也是 DSO检测故障的一种手段，可以设法利用故障形成触发信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。
图 5.63给出了毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形。有的 DSO可捕捉
0.6ns的毛刺。
7.采样速率与记录长度 (即存储深度 )
采样速率 fs(MS/s)↑ → 数据点 ↑ → 记录长度 L（ pts） ↑ → 高速存储器难度 ↑
例如，想要在 100ms/div的扫速下以 1GS/s采样,那将需要
1000M的内存。
通常水平分辨率 = = =50点 /cm 时间窗口 10 cm
记录长度 512点但 习惯用,扫速 200ps/cm---10s/cm
1
采样间隔
1ms/cm
50点 /cm 水平分辨率扫速扫速水平分辨率
1ms/cm
50点 / cm采样间隔 = = =20μs
采样速率 = =
………… ……
屏幕
8cm
10cm
早期 DSO的扫速、采样速率和记录长度之间存在如下近似关系：
记录长度 ≈ 采样速率 × 扫速 × 10
L（ pts） =fs(MS/s)↓ × S（ S/div） ↑ × 10（ div） （ 5.20）
扫速 S↑,是扫速变低
500 pts=50MS/s× 1ms/div× 10 div
这样正好保证了有 500个采样点（ 10ms/20ns=500）。
① 若降低扫速，如 10ms/s（这时可看 100ms时间的信号）,
则
5000 pts=50MS/s× 10ms/div× 10 div
如果保持采样率不变，采样点太多采样存储器又会溢出。
② 若降低采样率，如 5MS/s，则
50 pts=5MS/s× 1ms/div× 10 div （每厘米仅 5个光点）
如果扫速保持不变，采样点太少则保证不了时间分辨率；
早期 DSO改变扫速则联动改变采样速率 (实际上是改变 A/D转换速度，即改变控制 A/D工作的时钟频率 ),基本上维持 (5.20)式的平衡
。
但这样的设计存在 两个缺点,
⑴ 记录长度太短,不能完整记录一个较复杂的信号。只以一个显示窗口设计记录长度，采样点有 500～ 1000点也就够了，
但仅 1000个样点是难以显示一个较复杂波形的。否则水平方向分辨力很差，丢失波形中一些信息。
⑵ 不便同时观测快慢信号 。
只以一个显示窗口设计记录长度，在观测一个含有快慢信号的波形时，例如图 5.64
所示的一行电视信号时，若以慢信号行频调整扫速，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中快变的电视信调整扫速，则又看不到一行完整的信号。
加亮
A扫描
td
U
T
T’
T’
B扫描图 5.64 一行电视信号的观测研究式 (5.20)可以发现：
只要 左边大于右边,即 记录长度长，每次采集存储的样点多，
一次就能记录下一个复杂的波形，右边扫速较大范围改变时，
采样速率可以保持不变，克服了上述两个缺点 。因此，现代
DSO都把增加记录长度（即提高存储深度）作为一项重要改进措施，设计超快、超长的采集存储器。现代 DSO记录长度已做到多达 48M采样点，保证了高的采样率和对复杂波形的捕获。
图 5.65给出了几种不同 DSO的扫速、采样速率和记录长度的关系曲线。从图中可以看出，一台最高采样率为 1GS/s，记录长度为 1Kpts的 DSO，当扫速提高到 100μs/cm时，实际采样率已降到 1MS/s（ A点）！而另一台最高采样速率
100MS/s，记录长度 1Mpts的 DSO，在同样扫速下，仍然保持在 100MS/s采样速率（ B点）。还有一台 500MS/s最高采样速率,120k记录长度的 DSO，在相同扫速下，采样速率大于 100MS/s（ C点）。
采样率
1K记录长度 120K记录长度
1M记录长度C
B
A
1GS/s
100MS/s
10MS/s
1MS/s
100KS/s
10KS/s
0.01KS/s
1KS/s
0.1KS/s
10ns
100ns
1μs
10μs
(500MS/s)
100μs
0.1s1ms
10ms 1s10s
(t/div)
100s
1ks
10ks
100ks 扫速图 5.65 扫速,取样率和记录长度的关系曲线结论,记录长度大的 DSO，扫速在较大范围调节时，采样速率不必跟着变化。
由于记录长度长,在此范围内改变扫速,采样率可不变记录长度短超此小范围改变扫速则要降低采样率否则要溢出降低扫速必须降低采样率应当指出,增加记录长度 后，一次捕捉的波形样点多了，不用改变扫速就可 同时观测高速和低速两种信号 。但是 屏幕只有 10
格 500点左右像素，若捕获 100000点的波形，仅有 500点显示在屏幕上，只能看到波形中的某一部分，其余 99500点是在屏幕左右看不见的地方。为此，不少厂家又提出多种 波形快速缩放技术 （如 MegaZoom,QuickZoom,X-Stream等）和类似模拟示波器中的多时基显示技术，使用户通过左右移动或多次放大深层次的波形分析，既可看到波形的 全貌又可看到局部细节。解决了长记录长度和快速显示处理之间的矛盾。图 5.66
给出了力科公司采用 X-Stream技术 对复杂波形多次局部放大的示意图。
图 5.66 波形多次局部放大示意图
8.有效比特分辨率模拟示波器的垂直分辨率以示波管良好聚焦情况下每格多少线来表示，而 DSO的垂直分辨率是以比特数来表示的，所以叫比特分辨率。 当前各公司给出 DSO的比特分辨率都是 DSO
内 A/D转换器的比特数，一般是 8比特 。实际上,A/D转换器的真正比特分辨率 ---即有效比特分辨率（ EBR）与被转换的信号频率有关系。 当输入信号频率提高时，其比特分辨率减小 ；并且不同厂家生产的 A/D，其比特分辨率减小的多少也是不一样的。例如同样是 200MS/s,8bitA/D,AD770和
CXA1076在输入 100MHz满刻度信号时，前者不足 5bit，
而后者不到 4bit。 在 DSO的整机中，通道噪声、非线性、时基抖动、代码丢失都会引起 A/D转换器的有效比特分辨率降低 。因此，简单地用 A/D比特数来表示 DSO的垂直分辨率是不科学的,目前还没有统一的 DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法 。
t
Ui
us
t
U1
s
t
Uy
t
Ux
t
锁存及 D/A变换数据
A/D变换及存储存储数字量图 5.53 数字存储示波器的读出显示过程
A
0
A
1
A
2
A
3
A
4
A
5
A
6
A
7
A
8
A
9
A1
0
A1
1
A1
2RAM
地址数据
D0 D1 D2 D3 D1
2
D4 D5 D6 D7 D8 D9 D1
0
D1
1
模拟示波器,光点矢量扫描图形是连续的 。
数字示波器,光点是离散的 。 当光点少时可插补 。
读出数字量
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11A12
RAM
地址
D0 D1 D2 D3 D12D4D5 D6 D7 D8D9 D10 D11
6.5.3 波形显示技术这种技术的原理是：在采样点之间插入曲线段而使显示波形平滑。但是，有时由于过于依赖曲线的平滑性而使用很少的采样点（有时少达每周期 4个），因而噪声容易混入数据中。
1.点显示技术一般要求为每个信号周期显示 20～ 25个点。
2.数据点插入技术 （插值、插补、曲线拟合）
DSO中常用一种插入器将一些数据补充到所有相邻的采样点之间。采用插值技术可以降低对采样速率的要求。当前主要有线性插入和曲线插入两种方式。常用的插入技术：
1)矢量式显示（ 线性插入 ） 2)正弦内插
3)改进型正弦插入 4)SinX/X插入
3.矩阵像象素点显示技术（不用 D/A把点数据还原成模拟电压）
要求将波形对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位臵,再将这些 波形的像素位臵对应地送至视频随机存取储存器 （ 或称屏幕存储器,像素存储器,
画面缓冲区,该存储器的存储单元与屏幕像素位臵一一对应 ）
相应的存储位臵上 。 光栅 -扫描显示器在波形翻译器控制下被视频随机存取储存器刷新,
显示与波形对应的各像素 。
4.有效存储带宽
DSO的有效存储带宽（ USB,useful storage bandwidth）
描述的是 DSO观测正弦波信号最高频率的能力 。实际上 USB
也用来作为 DSO的单次带宽。
前面已经指出，为了避免混淆现象发生，目前实时 采样 DSO
的采样频率一般规定为带宽的 4～ 5倍，同时还必须采用适当的内插算法才行。如果不采用内插显示，则规定采样速率应为实时带宽的 10倍 。因此，在 DSO中定义 USB：
k
fU S B s m a x? （ 5.21）
式中,fsmax—— 最高采样速率
k—— 正弦 信号每周采样点数允许每周采样点数要依据厂家采用的数据点内插技术而定。通常,纯点显示 k=25，矢量内插 k=10,正弦内插 k=2.5。因此，
USB的宽度与采样速率和波形重组的方法有关。
5.6.4 技术性能指标
1.带宽（ BW）
当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下跌 3dB时，其下限到上限的频率范围即频带宽度，单位一般是 MHz或 GHz。
在 DSO中通常有两种带宽：
⑴ 重复带宽 （ repeat BW）：是指用 DSO测量重复信号时的
3dB带宽。由于一般使用了非实时等效采样（随机采样或顺序采样），故重复带宽（也称 等效带宽 ）可以做得很宽，有的达几十 GHz。
⑵ 单次带宽 （ single shot BW）：也称 有效存储带宽 （ USB）
。是用 DSO测量单次信号时，能完整地显示被测波形的 3dB带宽。实际上一般 DSO模拟通道硬件的带宽是足够的，主要 受到波形上采样点数量的限制 。因此，单次带宽一般只与采样速率和波形重组的方法有关，上面 5.21式给出了这种关系。
当 DSO的采样速率足够高，即高于标称带宽的 4～ 5倍以上时，
它的单次带宽和重复带宽是一样的，称为 实时带宽 。
2.上升时间（ Rise Time）
数字示波器的上升时间和模拟示波器一样都按式 (5.6)进行计算。
W
r Bt
35.0?
如果示波器的上升时间比被测脉冲的上升时间快三倍以上，则测量结果的直接读数误差不大于 5%，否则需要用公式 5.8进行计算，这也和模拟示波器使用情况相同。
扫速不同，采样点间隔不同，则上升时间读数可能不同。
因此，使用中应注意选择合适的扫速。
90%幅值
10%幅值
90%幅值
10%幅值采样点 采样点0.8 1.6
图 5.68 上升沿与采样点有关的示意图
(a) (b)
3.垂直灵敏度（ Vertical Deflection Coefficient）
也称垂直偏转因数，指示波器显示的垂直方向（ Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以 V/div或 V/cm表示。根据传统模拟示波器的习惯,DSO也以 1— 2— 5步进 方式进行垂直灵敏度调节，也可以进行细调。
垂直灵敏度参数表明了示波器测量最大和最小信号的能力。
4.扫速或称水平偏转因数（ Horizontal Deflection Coefficient）、
扫描时间因数、时基。指示波器显示的水平方向 (X轴 )每格所代表的时间值，以 s/div,ms/div,μs/div,ns/div,ps/div表示。沿用模拟示波器的传统习惯，数字化示波器也以 1— 2— 5
步进 方式进行调节，也能进行细调。
5.6.5 基本功能数字示波器有很多传统模拟示波器所不具备的功能，这些功能也是目前数字示波器所必须具备的，具有一定的代表性。
1.自动刻度 (Auto Scan)
这是一种通过软件自动调定示波器设臵的功能。
只须按一下“自动刻度”键，软件就会对输入波形进行计算，使仪器调到合适的扫速、合适的垂直灵敏度、合适的垂直偏转和触发电平，
从而得到满意的波形显示 。
2.存储 /调出（ Save/Recall）
这是一种存储或调出前面板设臵的功能。
当你需要多次重复使用某几套设臵观测几个不同波形或对同一个波形在不同的设臵条件下进行测量时，可以预先设臵好几套面板参数存储起来。避免了每次测量所需的繁琐设臵过程，特别适合于反复进行的测试程序，如生产线上的多种波形的重复测量。有的数字示波器可以存储十套面板设臵。
1 10mv/cm 100ps/cm
2 50mv/cm 0.5μs/cm
3
4
5
10 1v/cm 10ms/cm
3.光标测量 (ΔV,ΔT)
数字化示波器具有同时显示两个电压光标和两个时间光标的能力。简单地利用前面板的转轮，调整这些光标，能够测量波形上任何一点的绝对电平、离触发参考点的时间值或者直接读出波形上任意两点的电压差 (ΔU)、时间差 (ΔT)、以及电压与时间的相关特性等。
0.000s-1.000ns 1.000ns
图 5.69 用光标测脉冲上升时间
ΔV
ΔT
4.自动顶 — 底 (Auto Top-Base)
1.000ns0.000s-1.000ns
图 5.70 用,自动顶底,测脉冲幅度在 ΔV菜单下，按“自动顶 — 底”键，仪器的软件将用统计平均算法自动地把两个电压光标分别放在波形的顶部和底部。
通过△ U的读数指示，可以立即准确读出波形幅度值或分别读出顶部或底部的绝对电平值。此外,ΔU光标也能自动放在波形的 10-90%,20-80%,50-50%(波形的中间 )处，以便作为其它特殊测量使用。图 6.70表示一个“自动顶 — 底”的例子。
6.自动脉冲参数测量能进行的自动脉冲参数测量包括频率 f、周期 T、占空比（脉冲宽度占有率）、上升时间 tr、下降时间 tf、正宽度 τ、负宽度、
预冲 d、过冲 b、峰 -峰电压、有效值电压等 11种，测量方法符合 IEEE194-1977标准的规定。
图 5.71 脉冲参数示意图
7.可变余辉显示可变余辉显示是 DSO一种显示时间软件控制功能。
模拟示波器余辉 是电子束扫过之后荧光保留的时间，在高扫速时测量低重复频率信号，显示波形亮度会严重不足，而低扫速时，由于余辉时间不够会使波形严重闪烁，或只表现为光点的慢慢移动，甚至无法观测波形。
数字示波器 能够通过 软件控制波形在显示器上保持时间（从存储器中调出多显示几次 ），改变信号显示时间的长短 —— 即所谓显示更新速率，或称余辉时间。可编程的余辉时间 调节范围为 200ms～ 10s，无论你测量高重复速率信号，还是测量低重复速率信号，只要适当调节余辉时间，都能保持显示波形的亮度不变，也没有波形闪烁现象，并且与你所设臵的扫速快慢也几乎没有关系。
8.无限长余辉（ Infinite）
0.000s-1.000ns 1.000ns
图 5.72 用无限长余辉测量抖动无限长余辉是利用磁偏转光栅显示的特点实现的。微处理器把每次采集到的波形数据送往波形 RAM中时,不冲掉前一次的内容,显示 RAM中的波形数据随着时间不断积累,显示刷新电路也不断的把 RAM中的新老数据一起读出,加工成视频信号送往
CRT显示，从而实现无限长余辉功能。利用这一功能，人们可以观察正在变化着的信号，如由于漂移、抖动、干扰等因素引起的波形幅度、时间、相位等参数的变化。有的 DSO具有彩色显示功能，更容易看清抖动的变化。
9.平均显示
DSO采用优良的软件设计进行快速连续平均，平均次数可设定为 1～ 2048次，利用平均能使波形显示分辨率提高到 8bit，
也可以 利用平均提取淹没在非相关噪声中的信号 。
信号
10.波形存储和象素存储有的数字示波器设有四个波形存储器和一个象素存储器。
波形存储器 的作用是用来存储作为单值函数的波形，一个波形存储器只能存一个波形，如果你存储一个波形到已有内容的存储器中，存储器中原来的内容将被覆盖。四个波形存储器是非易失性存储器，即关机后，存储内容不会丢失。
象素存储器 是为存储复杂波形而设的，它是在显示 RAM中开辟的一个空间，这个 RAM空间中的每个比特 (每一位 )都对应着显示屏上波形区域的一个象素点。利用象素存储器可以把在无限长余辉方式下波形的变化积累 (多值的 )结果存储起来，也可以利用,Add to Memory” 键把每次测量的波形累加写入象素存储器中。象素存储器中的内容，关机后将消失。
12.单次捕捉 (Single)
相对示波器正常工作方式来说,单次捕捉 实际上只是其中的 一个采集周期对信号进行取样的结果,因此，所得到的样品点之间的间隔等于采样频率的倒数，在最高采样速率为 40MS/s时，
样点间隔为 25ns。如果认为 4个样点能够表示一个窄脉冲，那么，可以捕捉的最窄脉冲宽度为 100ns。
×
×
××
14.捕捉尖峰干扰对于图 5.67所示的尖峰干扰，正常模式下的 DSO是难以发现的。
对于具有峰值检测模式的 DSO，可以利用扫速采样、峰值存储技术捕捉尖峰干扰 。无论尖峰干扰位于何处，宽范围的高速采样保证了尖峰总能被数字化，而且尖峰上的采样点必然是本区间的最大值或最小值，故能被可靠地检出、存储并显示，原理见图 5.74。该模式非常适合在较慢扫速设定范围捕捉重复的尖峰干扰或单脉冲干扰。
注意，峰值检测式捕捉尖峰干扰与前面讲的毛刺触发方式捕捉尖峰干扰的工作原理是不同的 。
图 5.74 峰检模式采样图 5.73 正常模式采样
15.多种显示方式由于显示信号波形是取自采样存储器的数据,因此 DSO可以通过软件设计实现多种波形显示方式 。图 5.75给出了刷新、
滚动两种显示的示意图。
以上说明的仅仅是数字示波器的部分功能特点，此外还有很多，
如开机自动测试、自诊断、自校准、探头过压保护、垂直放大、
ECL或 TTL预设臵、可编程的时间释抑或事件释抑、波形运算、
绘图、打印,GP-IB接口等，这里不再一一叙述。
正在改写点旧波形新波形
(a) (b)
(a) 刷新显示 (b) 滚动显示图 5.75 DSO的刷新显示和滚动显示
5.6.6 数字示波器的应用
1.示波器的选用数字示波器和模拟示波器的选用原则相同。
tx/tr=3～ 5 （ 5.10）
BW/fh=3～ 5 （ 5.11）
若选购示波器，按性能 /价格比和市场行情来看，一般说来，
购买带宽 100MHz以下的示波器，当前还是以买模拟示波器为主 ； 购买带宽 100MHz以上的示波器，当前应是以买数字示波器为主 。当然还要依据购买目的及对特殊功能的要求，
综合考虑决定。
2.模拟示波器与数字示波器比较
20世纪 40年代是电子示波器兴起,几十年来，示波器由电子管发展到晶体管、集成电路的示波器，由模拟示波器发展到数字示波器。
70年代模拟示波器发展到高峰,带宽达到 1GHz以上。但此后进展不大，因为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改进，技术、工艺难点较多。
20世纪 80年代数字示波器异军突起,技术发展很快，各项性能指标赶上并超过了模拟示波器，数字示波器要改善带宽只需要提高前端的 A/D转换器性能，后端主要是数字电路。有许多功能是模拟示波器无法实现的。
表 5.4 模拟示波器与数字示波器比较类 型 优 点 缺 点模拟示波器直接操作控制，简单方便数据更新快实时带宽和实时显示垂直分辨率高价格较低不能看到触发前信号只能用照相方法保留波形难以显示低重复率信号不能多通道同时测量数字示波器多通道同时采样负时间测量单次瞬态信号测量波形存储与数据处理能力自动测量能力易于校准有数字 I/O接口可用打印机或绘图仪绘制波形实时性不如模拟示波器水平、垂直分辨率不够高可能出现混迭失真价格较高
3.典型产品示例厂商 LeCroy（力科） Tek（泰克） Agilent（安捷伦）
型号 WP7200/7300 TDS7254 54846B
带宽 2GHz,3GHz 2.5GHz 2.25GHz
采样速率（ 4通道）
10GS/s 5GS/s 4GS/s
采样速率（ 2通道）
20GS/s 10GS/s 8GS/s
标准存储 2 Mpts 400 kpts 64 kpts
48 Mpts 32Mpts
5 ppm 2.5 ppm 70 ppm
3psRMS 8 psRMS（ typ） 6 psRMS+
输入阻抗 50Ohm,1MOhm 50Ohm,50Ohm,1MOhm
3.数字存储示波器的应用,
1,t和 V的测量
数字存储示波器对屏幕上要测量的信号部位加上游标，
记录这两个采样点的位置和相应的数据，并通过计算，
最后以字符自动表示测量结果。
2．捕捉尖峰干扰
适合在较大时基设定范围内捕捉重复的尖峰干扰或单脉冲干扰。
3．非电信号测试
只要配有适当的传感器就能测量振动、加速度、角度、
位移、功率以及压力等机电参数。
