原创 模拟和数字示波器的系统和调节控制一

示波器包含四个不同的基本系统：垂直系统、水平系统、触发系统和显示系统。理解每一个系统的含义，有助于您更有效地应用示波器，完成特定的测量任务。请记住，示波器的每一个系统对精确地重构信号都大有裨益。

　　本小节简要描述模拟和数字示波器的基本的系统和调节控制。模拟和数字示波器的一些控制并不相同；也许您的示波器还有其他的控制，但并没有在这里提及。

　　示波器的前面板分为三个主要的区域，标注为垂直区、水平区和触发区。由于模式和类型（模拟或数字）不同，您的示波器也许还有其他的区域。参看图22，在阅读本小节过程中，看看您能否在图中以及在自己的示波器中找到前面板的各区域位置。当使用示波器时，为接纳输入信号，需要对以下　配置进行调整：

• 
  
• 信号的衰减和放大值。通过控制伏特/格，可以把信号的幅度调整到期望测量范围内。
  
• 时基。通过控制秒/ 格，可以显示屏中每一水平刻度代表的时间量。
  
• 示波器触发。利用触发电平，可以稳定重复信号，或者触发单一的事件。

　　垂直系统和控制

　　波形垂直的位置和标度由垂直控制部分调控。垂直控制还能设置耦合方式和其他的信号条件，具体内容在本节的后面部分有讲解。通用垂直控制包括：

• 
  
• 端接设备
  1M 欧
  50 欧
  
• 耦合方式
  DC 直流
  AC 交流
  GND 地线
  
• 带宽限制
  20 MHz
  250 MHz
  全带宽
  
• 位置
  
• 偏移
  
• 转置－开/关
  
• 标度
  1-2-5
  可变
  
• 缩放

　　位置和每刻度电压

　　垂直位置控制使您能按照需求准确地上下移动波形。调节每刻度电压值（通常记为volts/div，伏特/格），那么显示波形大小
会随之改变。较好的通用示波器可以精确显示信号电平范围大概是从4微伏到40 伏特。伏特/ 格是一个标度因数。假设分为八个主要的刻度格子，如果伏特/格设置为5伏特，则八个垂直格中的每一个都表示5伏特，那么从下到上整个屏幕可以显示40伏特。如果设置的是0.5 伏特/格，那么从下到上可以显示4伏特，依此类推。屏幕显示的最大电压是伏特/ 格乘上垂直刻度的数量。注意探头有1X 或10X，它也影响标度因数。如果示波器没有把伏特/ 格除以衰减系数，那么您自己应该留意。通常，伏特/格有可变的增益控制或精密增益控制，使显示的信号标度在数个合适的刻度内。利用这样的控制方式，方便对上升时间等的测量。

　　输入耦合

　　耦合指的是一个电路与另外一个电路中的电信号的连接方式。既然这样，那么输入耦合就指测试电路与示波器的连接。耦合方式可以设置为DC、AC或者地线。DC耦合会显示所有输入信号。而AC 耦合去除信号中的直流成分，结果是显示的波形始终以零电压为中心。图23 图解了两者的不同之处。当整个信号（振荡的电流＋直接电流）大于伏特/ 格的设置时，AC 耦合非常适用。

　　地线

　　地线的设置不需要输入信号与垂直系统相连。观察地线，就可以知道屏幕中零电压的位置。如果使用的是地线输入耦合和自动触发模式，那么屏幕中就有一条表示零电压值的水平线。测试信号电压相对地的电平值的便捷方法为，把耦合从DC 转换到地，再重新转换回DC。

　　带宽限制

　　大多数示波器中存在限制示波器带宽的电路。限制带宽后，可以减少显示波形中不时出现的噪声，显示的波形会显得更为清晰。请注意，在消除噪声的同时，带宽限制同样会减少或消除高频信号成分。交替和断续显示模式模拟示波器显示多个信道时采用交替（alternate）或断续（chop）模式。（许多数字示波器可以同时表示多个信道，而不需要使用间隔和交替模式。）

　　交替模式轮流绘制每一通道：示波器首先完成通道1 的扫描，马上对通道2 进行扫描，接着又扫描通道1，如此循环。这一模式适用于中速到高速的信号，此时秒/ 格标度设置在0.5ms，甚至更快。断续模式是示波器前后变换着描绘信号中的一小段。变换的速度相当快，人眼难以注意到，波形看上去也是一个整体。典型地，捕获的扫描速度为1ms或者更低的慢速信号，可以采用这一模式。图24图解出两者的不同之处。有时为了得到最好的显示效果，需要在两种模式中作出选择。

　　水平系统和控制

　　示波器的水平系统与输入信号有更多的直接联系，采样速率和记录长度等需要在此设定。水平控制用来表示波形水平方向的位置和标度。通用的水平控制包括：

• 
  
• 主时基
  
• 延迟时基
  
• XY 模式
  标度
  1-2-5
  
• 可变
  
• 波形踪迹区分
  
• 记录长度
  
• 分辨率
  
• 采样速率
  
•  触发位置
  
• 缩放
  
• 　捕获控制
  
  　　对数字示波器，用户可以控制捕获系统如何处理信号。在阅读下面的说明时，请察看您自己的示波器的捕获选项。图25 给出的是一个捕获菜单的例子。
  
  　　捕获模式
  
  　　捕获模式控制如何从采样点中产生出波形点。采样点是直接从模数转换器（ADC）中得到的数字值。采样间隔指的是相邻采样点的时间。波形点指的是存储在存储区内的数字值，它将重构显示波形。相邻波形点之间的时间差用波形间隔表示。
  采样间隔和波形间隔可以一致，也可以不一样。由此产生出几种不同的实际捕获模式，其中一个波形点可以由数个捕获的采样点序列构成，另外有一种捕获模式，波形点是由若干捕获产生的采样点共同构成。随后将介绍最常用的捕获模式。
  

  

  
  

  　　捕获模式的类型
  
  　　采样模式：这是最简单的捕获模式。每一个波形间隔，示波器存储一个采样点的值，并做为波形的一个点。峰值检测模式：示波器将波形间隔内采样出来的采样点，选取其中的最小值和最大值，并把这些样值当作两个相关的波形点。采用峰值检测模式的示波器以非常高的采样速率运行ADC，即便设置的时基非常慢也是如此（慢时基等效为长的波形间隔）。采样模式不能捕获发生在波形点之间的快速变化的信号（参看图26），而峰值检测模式可以捕获到。利用峰值检测，非常有效地能观察到偶尔发生的窄脉冲（如图27 所示）。
  
  　　高分辨率 (Hi Res) 模式：与峰值检测一样，当ADC采样快于时基的设置要求时，高分辨率模式是获取更多信息的一种方法。对于这种模式，在一个波形点时间间隔内，采多个样值，然后算出平均值，得到一个波形点。噪声会对结果产生负面影响，而低速信号的分辨率会提高。

  
  

  

  
  

  　　包络模式：包络模式与峰值检测模式类似。但是包络模式是由多次捕获得到的多个波形的最小和最大波形点，重新组合为新波形，表示波形随时间变化的最小/最大量。常常利用峰值检测模式来捕获记录，组合为包络波形。
  
  　　平均值模式：对于平均值模式，在每一个波形间隔，示波器存储一个采样点，这一点与采样模式一致。随后处理方式则不同，该模式算出连续捕获得到的波形点的平均值，然后产生最后的显示波形。平均值模式在减少噪声的同时并没有损失带宽，但它处理对象是重复的信号。

  
  

  

  
  

  　　捕获系统的启动和终止
  
  　　数字示波器的最大优点之一是它们能够存储波形，随后再作观察。为此目的，前面板中通常都会有一个或多个按钮，用来启动和终止捕获系统，然后从容地分析波形。另外，您也许需要在一个捕获过程完成之后，或者在某设定的记录已经变为某种包络或均值波形之后，让示波器自动停止捕获。这个特性称为单次扫描或单次捕获，通常在使用其他捕获控制或者使用触发控制时，可以控制该特性。
  
  　　采样
  
  　　采样是为方便存储、处理和/或显示，把部分输入信号转变为许多离散电信号的过程。信号在某一时刻采样，每一个采样点的幅度与输入信号在那一时刻的幅度值相同。

  
  

  　　采样与抓拍类似。每一个瞬间图象代表波形上某一时刻的特定点。这些瞬象按照时间顺序排列起来，就能够重构输入信号。对数字示波器而言，一组采样点在显示屏上重构波形，垂直轴代表测量幅度，而水平轴表示时间，请参看图28。
  
  　　图28 中，输入波形在屏幕上呈现一串点。如果点距离很远，那么很难分辨出波形，解决方法是采用插值法连接各点。插值法利用直线或矢量连接各点。许多插值算法都可以精确显示连续的输入信号。采样控制有些数字示波器可以选择采样的方式：实时采样或者等效时间采样。在示波器的捕获控制部分可以选择捕获信号的采样方式。请注意，对于慢速的捕获信号，选择结果是没有差别的；只有当ADC采样速度不够快速，不能在一遍之内把波形点填充到记录中时，作出选择才是有意义的。
  
  　　采样方式
  
  　　尽管有许多不同的采样技术的实现，现在的数字示波器采用两种基本的采样方式：实时采样和等效时间采样。等效时间采样可以进一步分为两种子类：随机和顺序。每一种方式都根据测量对象的不同有各自独特的优势。

  
  

  

  
  

   

  
  

  

  
  

  　　实时采样
  
  　　对于频率范围在示波器最大采样速率一半以下的信号，实时采样是理想的方式。此时，通过一次“扫描”波形，示波器就能获得足够多的点重构精确的图象，如图29 所示。为数字示波器采集快速、单脉冲和瞬态信号，实时采样是唯一的方式。

  
  

  　　为了精确数字化高频瞬态事件，必需要有足够的采样速率，数字示波器的实时采样才能很好的完成这样的任务。如图30 所示。这些事件只发生一次，必须在发生的同一时间帧内对其采样。如果采样速率不够快，高频成分可能会“混叠”为低频信号，引起显示混叠。另外，一旦波形经实时采样数字化，必需的高速存储器也带来更多的复杂性。为精确体现高频成分，涉及采样率和记录长度的概念，如果需要详细了解，请参看性能术语和应用部分的采样速率和记录长度一节。

  
  

  

  
  

  　　利用插值法的实时采样。数字示波器获取被显示波形的离散样值。但是，如果信号只是由各点表示，则很难观察，特别是信号的高频部分，获取的点很少，更增加了观察的难度。为增加信号的可视性，数字示波器一般都使用插值法显示模式。
  
  　　简单地说，插值法“连接各采样点”，即使信号在一个周期内仅采样几次，也能有精确的显示。对于利用插值法的实时采样，示波器在单程内只收集很少量的采样点，在间隙处利用插值法进行填充。插值法是利用一些点推算出整个波形样子的处理方法。
  
  　　线性插值法在相邻样点处直接连接上直线。这种方法局限于重建直边缘的信号，比如方波。参看图31。参照图31，sin x/x 插值法利用曲线来连接样点，通用性更强。Sin x/x插值法利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果。这种插值法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通形状。当采样速率是系统带宽的3 到5 倍时，sin x/x 插值法是建议的插值法。

  
  

  

  
  
• 
  

  来自慧聪网