同樣，示波器也能分為模擬和數(shù)字類型。模擬和數(shù)字示波器都能夠勝任大多數(shù)的應(yīng)用。但是，對于一些特定應(yīng)用，由于兩者具備的不同特性，每種類型都有適合和不適合的地方。作進(jìn)一步劃分，數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

 

 

在本質(zhì)上，模擬示波器工作方式是直接測量信號電壓，并通過從左到右穿過示波器屏幕的電子束在垂直方向描繪電壓。示波器屏幕通常是陰極射線管（CRT）。電子束投到熒幕的某處，屏幕后面總會(huì)有明亮的熒光物質(zhì)。當(dāng)電子束水平掃過顯示器時(shí)，信號的電壓是電子束發(fā)生上下偏轉(zhuǎn)，跟蹤波形直接反映到屏幕上。在屏幕同一位置電子束投射的頻度越大，顯示得也越亮。

 

CRT 限制著模擬示波器顯示的頻率范圍。在頻率非常低的地方，信號呈現(xiàn)出明亮而緩慢移動(dòng)的點(diǎn)，而很難分辨出波形。在高頻處，起局限作用的是CRT的寫速度。當(dāng)信號頻率超過CRT的寫速度時(shí)，顯示出來的過于暗淡，難于觀察。模擬示波器的極限頻率約為1GHz。

 

當(dāng)把示波器探頭和電路連接到一起后，電壓信號通過探頭到達(dá)示波器的垂直系統(tǒng)。設(shè)置垂直標(biāo)度（對伏特/ 格進(jìn)行控制）后，衰減器能夠減小信號的電壓，而放大器可以增加信號電壓。

 

隨后，信號直接到達(dá)CRT的垂直偏轉(zhuǎn)板。電壓作用于這些垂直偏轉(zhuǎn)板，引起亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)。亮點(diǎn)是由打在CRT內(nèi)部熒光物質(zhì)上的電子束產(chǎn)生的。正電壓引起點(diǎn)向上運(yùn)動(dòng)，而負(fù)電壓引起點(diǎn)向下運(yùn)動(dòng)。

 

　　

　　

信號也經(jīng)過觸發(fā)系統(tǒng)，啟動(dòng)或觸發(fā)水平掃描。水平掃描是水平系統(tǒng)亮點(diǎn)在屏幕中移動(dòng)的行為。觸發(fā)水平系統(tǒng)后，亮點(diǎn)以水平時(shí)基為基準(zhǔn)，依照特定的時(shí)間間隔從左到右移動(dòng)。許多快速移動(dòng)的亮點(diǎn)融合到一起，形成實(shí)心的線條。如果速度足夠高，亮點(diǎn)每秒鐘掃過屏幕的次數(shù)高到500000 次。

 

水平掃描和垂直偏轉(zhuǎn)共同作用，形成顯示在屏幕上的信號圖象。觸發(fā)器能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)重復(fù)的信號，它確保掃描總是從重復(fù)信號的同一點(diǎn)開始，目的就是使呈現(xiàn)的圖象清晰。參照第一幅圖。

 

另外，模擬示波器有對聚焦和亮度的控制，可調(diào)節(jié)出銳利和清晰的顯示結(jié)果。為顯示“實(shí)時(shí)”條件下或突發(fā)條件下快速變化的信號，人們經(jīng)常推薦使用模擬示波器。模擬示波器的顯示部分基于化學(xué)熒光物質(zhì)，它具有亮度級這一特性。在信號出現(xiàn)越多的地方，軌跡就越亮。通過亮度級，僅觀察軌跡的亮度就能區(qū)別信號的細(xì)節(jié)。

 

 

與模擬示波器不同，數(shù)字示波器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。它捕獲的是波形的一系列樣值，并對樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止。隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。（參照上圖）

 

數(shù)字示波器分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）、數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

 

數(shù)字的手段則意味著，在示波器的顯示范圍內(nèi)，可以穩(wěn)定、明亮和清晰地顯示任何頻率的波形。對重復(fù)的信號而言，數(shù)字示波器的帶寬是指示波器的前端部件的模擬帶寬，一般稱之為3dB 點(diǎn)。對于單脈沖和瞬態(tài)事件，例如脈沖和階躍波，帶寬局限于示波器采樣率之內(nèi)。為了解更多的細(xì)節(jié)，請參照性能術(shù)語和應(yīng)用部分的采樣率一節(jié)。

 

　　

 

常規(guī)的數(shù)字示波器是數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）。它的顯示部分更多基于光柵屏幕而不是基于熒光。

 

數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO）便于您捕獲和顯示那些可能只發(fā)生一次的事件，通常稱為瞬態(tài)現(xiàn)象。以數(shù)字形式表示波形信息，實(shí)際存儲(chǔ)的是二進(jìn)制序列。這樣，利用示波器本身或外部計(jì)算機(jī)，方便進(jìn)行分析、存檔、打印和其他的處理。波形沒有必要是連續(xù)的；即使信號已經(jīng)消失，仍能夠顯示出來。與模擬示波器不同的是，數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠持久地保留信號，可以擴(kuò)展波形處理方式。然而，DSO沒有實(shí)時(shí)的亮度級；因此，他們不能表示實(shí)際信號中不同的亮度等級。組成DSO的一些子系統(tǒng)與模擬示波器的一些部分相似。但是，DSO包含更多的數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，因此它能夠收集顯示整個(gè)波形的數(shù)據(jù)。從捕獲信號到在屏幕上顯示波形，DSO采用串行的處理體系結(jié)構(gòu)，如上圖所示。隨后將對串行處理體系作講解。

 

串行處理體系結(jié)構(gòu)

 

與模擬示波器一樣，DSO 第一部分（輸入）是垂直放大器。在這一階段，垂直控制系統(tǒng)方便您調(diào)整幅度和位置范圍。緊接著，在水平系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）部分，信號實(shí)時(shí)在離散點(diǎn)采樣，采樣位置的信號電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，這些數(shù)字值稱為采樣點(diǎn)。該處理過程稱為信號數(shù)字化。水平系統(tǒng)的采樣時(shí)鐘決定ADC采樣的頻度。該速率稱為采樣速率，表示為樣值每秒（S/s）。

 

來自ADC的采樣點(diǎn)存儲(chǔ)在捕獲存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)，叫做波形點(diǎn)。幾個(gè)采樣點(diǎn)可以組成一個(gè)波形點(diǎn)。波形點(diǎn)共同組成一條波形記錄。創(chuàng)建一條波形記錄的波形點(diǎn)的數(shù)量稱為記錄長度。觸發(fā)系統(tǒng)決定記錄的起始和終止點(diǎn)。DSO信號通道中包括微處理器，被測信號在顯示之前要通過微處理器處理。微處理器處理信號，調(diào)整顯示運(yùn)行，管理前面板調(diào)節(jié)裝置，等等。信號通過顯存，最后顯示到示波器屏幕中。

 

　　

 

在示波器的能力范圍之內(nèi)，采樣點(diǎn)會(huì)經(jīng)過補(bǔ)充處理，顯示效果得到增強(qiáng)。可以增加預(yù)觸發(fā)，使在觸發(fā)點(diǎn)之前也能觀察到結(jié)果。目前大多數(shù)數(shù)字示波器也提供自動(dòng)參數(shù)測量，使測量過程得到簡化。

 

DSO 提供高性能處理單脈沖信號和多通道的能力（參照上圖）。DSO是低重復(fù)率或者單脈沖、高速、多通道設(shè)計(jì)應(yīng)用的完美工具。在數(shù)字設(shè)計(jì)實(shí)踐中，工程師常常同時(shí)檢查四路甚至更多的信號，而DSO則成為標(biāo)準(zhǔn)的合作伙伴。

 

　　

 

 

數(shù)字熒光示波器（DPO）為示波器系列增加了一種新的類型。DPO的體系結(jié)構(gòu)使之能提供獨(dú)特的捕獲和顯示能力，加速重構(gòu)信號。DSO 使用串行處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲、顯示和分析信號；相對而言，DPO為完成這些功能采納的是并行的體系結(jié)構(gòu)，如上圖所示。DPO采用ASIC硬件構(gòu)架捕獲波形圖象，提供高速率的波形采集率，信號的可視化程度很高。它增加了證明數(shù)字系統(tǒng)中的瞬態(tài)事件的可能性。隨后將對該并行處理體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

 

串行處理體系結(jié)構(gòu)

 

DPO的第一階段（輸入）與模擬示波器相似（垂直放大器），第二階段與DSO 相似（ADC）。但是，在模數(shù)轉(zhuǎn)換后，DPO與原來的示波器相比就有顯著的不同之處。

 

對所有的示波器而言，包括模擬、DSO和DPO示波器，都存在著釋抑時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)，儀器處理最近捕獲的數(shù)據(jù)，重置系統(tǒng)，等待下一觸發(fā)事件的發(fā)生。在這段時(shí)間內(nèi)，示波器對所有信號都是視而不見的。隨著釋抑時(shí)間的增加，對查看到低頻度和低重復(fù)事件的可能性就會(huì)降低。

 

請注意，由顯示的更新速率簡單地推斷采集到事件的概率是不可能的。如果只是依靠顯示更新速率，就確認(rèn)示波器能采集到波形的所有相關(guān)信息，那么是很容易犯錯(cuò)誤的，因?yàn)椋瑢?shí)際上示波器并沒有作到。數(shù)字存儲(chǔ)示波器串行處理采集到的波形。由于微處理器限制著波形的采集速率，所以微處理器是串行處理的瓶頸。

 

DPO把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)進(jìn)一步光柵化，存入熒光數(shù)據(jù)庫中。每1/30秒，這大約是人類眼睛能夠覺察到的最快速度，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中的信號圖象直接送到顯示系統(tǒng)。波形數(shù)據(jù)直接光柵化，以及直接把數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)拷貝到顯存中，兩者共同作用，改變了其他體系在數(shù)據(jù)處理方面的瓶頸。結(jié)果是增加了“使用時(shí)間”，增強(qiáng)顯示更新能力。信號細(xì)節(jié)、間斷事件和信號的動(dòng)態(tài)特性都能實(shí)時(shí)采集。DPO微處理器與集成的捕獲系統(tǒng)一道并行工作，完成顯示管理、自動(dòng)測量和設(shè)備調(diào)節(jié)控制工作，同時(shí)，又不影響示波器的捕獲速度。

 

DPO如實(shí)地仿真模擬示波器最好的顯示屬性，并在三維顯示信號：時(shí)間、幅度和以時(shí)間為參變量的幅度變化，三者都是實(shí)時(shí)的。模擬示波器依靠化學(xué)熒光物質(zhì)，與此不同，DPO使用完全的電子數(shù)字熒光，其實(shí)質(zhì)是不斷更新的數(shù)據(jù)庫。針對示波器顯示屏幕的每一個(gè)點(diǎn)，數(shù)據(jù)庫中都有獨(dú)立的“單元（cell）”。一旦采集到波形（即示波器一觸發(fā)），波形就映射到數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫的單元組內(nèi)。每一個(gè)單元代表著屏幕中的某位置。當(dāng)波形涉及到該單元，單元內(nèi)部就加入亮度信息；沒有涉及到則不加入。因此，如果波形經(jīng)常掃過的地方，亮度信息在單元內(nèi)會(huì)逐步累積。

 

當(dāng)數(shù)字熒光數(shù)據(jù)庫傳送到示波器的顯示屏幕后，根據(jù)各點(diǎn)發(fā)生的信號頻率的比例，顯示屏展示加入亮度形式的波形區(qū)域，這與模擬示波器的亮度級特性非常類似。 DPO也可以顯示不斷變化的發(fā)生頻率的信息，顯示屏對不同的信息呈現(xiàn)不同的顏色，這一點(diǎn)與模擬示波器不同。利用DPO，可以比較由不同觸發(fā)器產(chǎn)生的波形之間的異同，例如，比較某波形與第100 號觸發(fā)器產(chǎn)生波形的區(qū)別。

 

數(shù)字熒光示波器（DPO）突破模擬和數(shù)字示波器技術(shù)之間的障礙。它同時(shí)適合觀察高頻和低頻信號、重復(fù)波形，以及實(shí)時(shí)的信號變化。只有DPO 實(shí)時(shí)提供Z（亮度）軸，常規(guī)的DSO 已經(jīng)喪失了這一功能。

 

　

 

對那些需要最好的通用設(shè)計(jì)和故障檢測工具以適合大范圍應(yīng)用的人來說，DPO是一個(gè)理想工具。DPO典型應(yīng)用有：通信模板測試，中斷信號的數(shù)字調(diào)試，重復(fù)的數(shù)字設(shè)計(jì)和定時(shí)應(yīng)用。

 

　

 

 

當(dāng)測量高頻信號時(shí)，示波器也許不能在一次掃描中采集足夠的樣值。如果需要正確采集頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器采樣頻率的信號，那么數(shù)字采樣示波器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇（參照下圖）。這種示波器采集測量信號的能力要比其他類型的示波器高一個(gè)數(shù)量級。在測量重復(fù)信號時(shí)，它能達(dá)到的帶寬以及高速定時(shí)都十倍于其他示波器。連續(xù)等效時(shí)間采樣示波器能達(dá)到50GHz 的帶寬。

 

與數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器體系結(jié)構(gòu)不同，在數(shù)字采樣示波器的體系結(jié)構(gòu)中，置換了衰減器/ 放大器于采樣橋的位置（參照上圖）。在衰減或放大之前對輸入信號進(jìn)行采樣。由于采樣門電路的作用，經(jīng)過采樣橋以后的信號的頻率已經(jīng)變低，因此可以采用低帶寬放大器，其結(jié)果，整個(gè)儀器的帶寬得到增加。

 

然而，采樣示波器帶寬的增加帶來的負(fù)面影響是動(dòng)態(tài)范圍的限制。由于在采樣門電路之前沒有衰減器/ 放大器，所以不能對輸入信號進(jìn)行縮放。所有時(shí)刻的輸入信號都不能超過采樣橋滿動(dòng)態(tài)范圍。因此，大多數(shù)采樣示波器的動(dòng)態(tài)范圍都限制在1V 的峰值- 峰值。另一方面，數(shù)字存儲(chǔ)和數(shù)字熒光示波器卻能夠處理50 到100 伏特的輸入。

 

　

 

另外，采樣橋的前面不能增加保護(hù)二極管，否則會(huì)限制帶寬。因此，采樣示波器的安全輸入電壓大約只有3V，相對而言，其他示波器可以高達(dá)500V。

推薦閱讀：