原创 模拟和数字示波器的系统和调节控制二

等效时间采样

　　在测量高频信号时，示波器可能不能在一次扫描中收集足够的样值。如图32 所示，当信号频率超过示波器采样频率的一半时，等效时间采样可以精确捕获这些信号。等效时间数字化器（采样器）利用的原理是，大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。为构建重复信号的图象，在每一个重复期内，等效时间只采样采集少量的信息。象一串灯一盏一盏依次点亮那样，波形逐渐累积而成。利用这样的方式，即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率，也能形成精确地采样。

　　有两种等效时间采样的方法：随机和连续。每一种都有其优势。随机等效时间采样允许输入信号的显示先于触发点，而不需要使用延迟线。连续等效时间采样提供更大的时间分辨率和精度。两者都要求输入信号具有重复性。

　　随机等效时间采样。随机等效时间数字转换器（采样器）采用内部的时钟，它与输入信号和信号触发器的时钟不同步，如图33 所示。样值连续不断地获得，而且独立于触发位置，显示时则由样值和触发器的时间差决定。尽管采样在时间上是连续的，但是相对于触发器则是随机的，由此产生了“随机”等效时间采样的说法。当在示波器屏幕上显示的时候，采样点沿着波形随机地出现。

　　捕获和显示样值优先于触发点的性能是这种采样技术的关键优势，这样，不再需要外部的预触发信号或延迟线。取决于采样速率和延迟时间窗，随机采样可以在一次触发事件中捕获多个样值。然而，对于更快的扫描速度，捕获窗口很狭窄，数字转换器不能在每一次触发时采到样值。对于这些具有更快交换速度的地方，往往需要进行相当精确的定时测量，而连续等效时间采样可以利用额外的时间分解方法，显得非常有利。

　　连续等效时间采样。连续等效时间采样在每一个触发捕获一个样值，而不依赖于时间/ 格（time/div）的设置和扫描速度，如图34 所示。每发现一个触发，经过一段虽然非常短却明确的延迟，就获得样值。当发生下一次触发时，延迟增加一段小的时间增量（delta t），数字转换器则又采下一个样值。该过程重复多次，“delta t”不断增加到前一个捕获量中，直到时间窗口填满。当需要显示到示波器屏幕中的时候，样点从左到右沿着波形顺序出现。

　　从技术的角度，产生一个非常短非常精确的“delta t”，与准确测量与采样触发点相关的垂直和水平位置相比，前者要容易的多。精确的测量延迟使连续采样器很难控制时间间隔分辨能力。既然如此，如果采用连续采样，一旦发现触发电平，就对信号进行采样，如果没有模拟延迟线，触发点不可能得到显示，但是延迟线的存在会减少仪器的带宽。如果提供外部的预触发器，那么带宽就不会收到影响。

　　位置和秒/格

　　水平位置控制使波形在屏幕上左右准确移动。秒/格设置（通常记为sec/div，秒/ 格）可以使您选择波形描绘到屏幕上的速率（也被称为时基设置和扫描速度）。该设置是一个标度因数。如果设置为1ms，则表示水平方向每刻度表示1ms，而整个屏幕宽度代表10ms，或者10 格。改变sec/div 设置，可以看到输入信号的时间间隔作增长和缩短的变化。

　　垂直方向的标度是伏特/ 格，水平方向的标度是秒/ 格。水平方向改变定时关系。在各种离散设定中，可以调节水平的时间标度。

　　时基选择

　　示波器有时间基准，通常指的是主时基。许多示波器还有一种延迟时基，即基于一种扫描的时间，该扫描是在基于主时基的扫描之后经过预先确定的时间启动的（或经过触发而启动）。使用延迟时基扫描，可以更清晰地观察实例，或者是观察到在主时基扫描中不能单独看到的情况。

　　为了实现延迟时基，需要对时间延迟设置，还可能要使用延迟触发模式，以及其他没有在本读本中涉及的设置。参照示波器同时提供的手册，可以了解到如何使用这些特性的信息。

　　缩放

　　示波器可能有一种专门的水平放大设置，通过它，可以在屏幕上放大波形的一部分。数字存储示波器（DSO）在存储数字数据部分有对缩放的操作。

XY 模式

        大多数模拟示波器有XY模式来显示输入信号，而普通的水平轴是时间基线。这种操作模式揭示了相移测量技术的这种全新领域，相移在测量技术一节中有详细讲解。

Z 轴

        数字荧光示波器（DPO）具有高的显示采样密度，以及天生具有采集亮度信息的能力。通过亮度轴（Z 轴），DPO能提供第三个方向，与模拟示波器那样的实时显示很相似。观察DPO的轨迹，可以看到亮度域，即信号经常发生的地方。从这样的显示中，很容易区别基本信号形状和那些偶尔发生的瞬态信号，因为基本信号显示出来的更亮。Z轴的一个应用是，把特殊的时间信号分别置入Z轴的输入端，可以在波形中形成高亮显示的表示时间间隔的“标记”点。

　　XYZ 模式

　　有一些DPO 使用Z 输入，建立XY 显示的亮度级。既然如此，可以把DPO 采样到的瞬时数据值放到Z 的输入端，这样可以限定波形的特定部分。一旦限定采样后，这些样值又可以存储下来，结果是有亮度等级的XYZ 显示。XYZ 模式可以显示极点，这在测试无线通信设备特别适用（例如，星座图）。

　　触发系统和控制

　　示波器的触发功能可以在信号的正确点处同步水平扫描，这对表现清晰的信号特性非常重要。触发控制可以稳定重复波形，采集单脉冲波形。触发器使重复波形能够在示波器屏幕上稳定显示，实现方法是不断地显示输入信号的相同部分。可以想象，如果每一次扫描的起始都从信号的不同位置开始，那么屏幕上的图象会很混乱，如图35 所示。

　　模拟和数字示波器都有边缘触发的方式，边缘触发是最基本和常见的类型。模拟和数字示波器都提供触发门限，除此之外，许多数字示波器提供许多特定的触发设置，而这些设置是模拟设备所不具备的。这些触发器可以响应输入信号的不同条件，这样会使检测简化。例如，如果一个脉冲比实际应该达到的宽度要窄。若是只使用电压门限的触发器，不可能检测到这样的脉冲。高级触发控制使您可以单独关注感兴趣的地方，这样可以使示波器采样速率和记录长度得到优化。有一些示波器提供更高级的可选控制。您可以定义由脉冲幅度触发（比如矮脉冲），由时间限定（脉冲宽度、毛刺、信号压摆速率、建立/ 保持时间违规和超时），以及由逻辑状态或码型（逻辑触发方式）。为检查通信信号，有一些示波器专门设计出可供选择的触发控制方式。有些示波器也提供简化的用户界面，提供适用于各种测试的触发参数的快速配置，充分提高您的生产率。

压摆率触发。如果高频信号的响应速率比期望或需要的快，则发出易出故障的能量。响应速率触发优于传统的边缘触发，这是因为增加了时间元素，以及允许您选择触发边缘的快慢。 矮脉冲触发。利用短脉冲触发，可以采集和检查通过一个逻辑门限，但不能同时通过二个的脉冲。 毛刺触发。当数字脉冲比用户定义的时间限制短或长的时候，可以利用毛刺脉冲触发方式识别出来。即使毛刺脉冲很少，这种触发控制能使您检查出产生的原因，以及它们对其他信号的影响。 逻辑触发。如果输入通道的逻辑组合满足触发条件时，产生触发，则为逻辑触发，这特别适用于验证数字逻辑的操作。 脉冲宽度触发。利用脉冲宽度触发，您可以长时间监视信号，当脉冲的持续时间（脉冲宽度）第一次超过允许范围时，引起触发。 建立和保持触发。只有建立和保持触发才能捕获到建立和保持时间内的违例情况，使用其他模式必然会忽略掉此情况。当同步的数据信号未能满足建立和保持规格时，采用触发模式可轻松地采集到特定的信号质量和定时细节。 超时触发。利用超时触发，基于特定时滞设置触发，可以不必等到触发脉冲结束就可以产生触发事件。 通信触发。在一些示波器中可选。这样的触发适合捕获信号交替反（Alternate-Mark Inversion, AMI）、传号码元反转（Code-Mark Inversion, CMI）和不归零码（Non-Return to Zero, NRZ）的大范围变化情况。

触发位置

　　只有数字示波器才有水平触发位置控制。触发位置控制也许就在您的示波器的水平控制部分。它实际上代表的是波形记录中触发的水平位置。变更水平触发位置，可以允许您采集触发事件以前的信号，称为预触发视图（pre-trigger viewing）。这样，可以确定触发点前面部分和后面部分所包含的可视信号的长度。

　　数字示波器能够处理预触发视图的原因是，不管是否接收到触发，它们一直都在处理着输入信号。稳定的数据流流过示波器；触发器很少告诉示波器把当前数据存储到存储器中。相比之下，在接收到触发以后，模拟示波器只是显示信号，即记录到CRT 上。这样，模拟示波器不能提供预触发视图的功能。只不过在垂直系统中，由延迟线提供了小量的预触发。预触发视图是一个有价值的处理故障的工具。如果有故障间歇地发生，那么可以利用触发来解决这样的问题，记录故障发生前的事件，很有可能就能找到原因。

　　触发电平和斜率

　　触发电平和斜率控制定义基本的触发点，决定波形如何显示，如图36所示。

　　触发电路担当比较器的工作。您选择比较器一个输入口的斜率和电平。当进入比较器的另外一个输入口的触发信号与设定值相匹配的时候，示波器产生触发。

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• 斜率控制决定触发点是位于信号的上升沿还是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是负斜率。
  
• 电平控制决定触发点在边缘的何处发生。

　　大多数情况，示波器设置在由被显示信号的通道触发。一些示波器提供触发输出信号，可以成为其他仪器的触发信号。

　　示波器可以使用交替的触发源，而不一定是被显示信号。您应该小心谨慎，例如，避免无意之中以通道1 作触发，而实际又是显示的通道2的波形。

　　触发模式

　　触发模式决定示波器是否按照信号的条件描绘波形。通用触发模式包括正常和自动。

　　对于正常模式，只有当输入信号满足设置的触发点时，才进行扫描；否则（对模拟示波器而言）屏幕呈黑色或者（对数字示波器而言）冻结在上一次捕获的波形图上。由于可能不会首先看到信号，如果电平控制的调整不正确时，正常模式可能会迷失方向。

　　即使没有触发，自动模式也能引起示波器的扫描。如果没有信号输入，示波器中的定时器触发扫描。这使得即使信号并不引起触发，显示也总不会消失。

　　实践中，您可能会同时使用两种模式：采用普通模式，因为即便触发以很慢的速率发生，它也让您可以观察所感兴趣的内容；而采用自动模式，因为几乎不需要作调整。

　　许多示波器也包含了其他的特殊模式，适用于单个扫描、视频信号的触发，或者自动配置触发电平。

　　触发耦合

　　就象在垂直系统中选择AC或DC那样，可以为触发信号选择各种耦合方式。

　　除AC和DC耦合之外，您的示波器也许还有高频抑制、低频抑制和噪声抑制的触发耦合方式。这些特殊的设置对消除触发噪声很有用处，噪声的消除可以避免错误的触发。

　　触发释抑

　　有时，为了使示波器能在信号的正确部分触发并不容易。许多示波器采用专门特性，简化了任务。

　　触发器释抑时间是发生正确触发后的一段时间，在这段时间内，示波器不能触发。当触发源是复杂波形的时候，该特性能发挥作用，其结果是，只有在适当的触发点示波器才能触发。图37 图解出如何使用触发释抑特性来创建出有用的显示。

　　显示系统和控制

　　示波器的前面板包括的内容有显示屏、旋钮、按钮、开关，以及用来控制信号捕获和显示的指示器。本节的前面已经提及，前面板控制通常分为垂直、水平和触发几个区域。前面板还包括输入连接器。来看一看示波器显示屏。请注意屏幕中的栅格记号，这些记号形成格子线。垂直和水平线构成主刻度格。格子线通常布置为8×10的区块。示波器控制的标号（例如伏特/ 格和秒/ 格）通常参照的是主刻度。中央的水平线和垂直线上标注的标号称为小刻度，如图38 所示。许多示波器的屏幕显示的是每一个垂直刻度表示多少伏特的电压，以及每一个水平刻度表示多少秒的时间。

　　模拟示波器和数字示波器的显示系统很不相同。通用的控制如下：

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• 亮亮度控制调整波形的亮度。当增加模拟示波器的扫描速度的时候，需要增加亮度级。
  
• 聚焦控制用来调整波形的锐度，轨迹旋转控制把波形定位到屏幕的水平轴上。受地球磁场的影响，示波器在不同地方有不同的准线。基于光栅和基于LCD的显示屏的数字示波器也许不需要这些控制，因为对于这些显示屏，整个显示情况是预先确定的，这与个人计算机的显示一致。与此相对，模拟示波器采用的是直接的光束或者矢量的显示。
  
• 许多DSO 和DPO 有调色板，可以选择轨迹颜色以及不同亮度级的颜色。
  
• 显示部分的其他控制包括调整栅格灯的亮度、任何屏幕信息的开关（比如菜单）。

　　其他示波器控制

　　也许您的示波器有相加波形的操作，形成新的波形显示。模拟示波器组合信号，而数字示波器通过数学运算创建新的波形。波形相减是另外一种数学操作。模拟示波器实现减法运算采用的方法是把一个通道的信号反转，然后再采用加法操作。数字示波器一般也能完成减法操作。图39 图解的是通过组合两个不同信号而创建出第三个波形。数字示波器利用内部处理器，提供许多高级数学操作：相乘、相除、积分、快速傅立叶变换，等等。

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