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數字存儲示波器基礎一
作者：
時(shí)間：2017-01-06
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/201701/337066.htm時(shí)基和水平的分辨率 在數字存儲示波器中，水平系統的作用是確保對輸入信號采集足夠數量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉的速度取決于時(shí)基的設置（s/格）。
構成一個(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)數稱(chēng)為記錄長(cháng)度或采集長(cháng)度，記錄長(cháng)度用字節或千字節來(lái)表示，1千字節（1KB）等于1024個(gè)采樣點(diǎn)。
通常，示波器沿著(zhù)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(cháng)為512/50=10.24格。
據此，兩個(gè)采樣之間的時(shí)間間隔可按下式計算：
采樣間隔=時(shí)基設置（s/格）/采樣點(diǎn)數
若時(shí)基設置為1ms/格，且生格有50個(gè)采樣，則可以計算出采樣間隔為：采樣間隔=1ms/50=20us
采樣速率是采樣間隔的倒數：采樣速率=1/采樣間隔
通常示波器可以顯示的采樣點(diǎn)數是固定的，時(shí)基設置的改變是通過(guò)改變采樣速率來(lái)實(shí)現的，因此一臺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)設置之下才是有效的。在較低的時(shí)基設置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。
設有一臺示波器，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)基設置值應為
時(shí)基設置值=50樣點(diǎn)×采樣間隔
=50/采樣速率
=50/（100×106)
=500ns/格
了解這一時(shí)基設置值是非常重要的，因為這個(gè)值是示波器采集非重復性信號時(shí)的最快的時(shí)基設置，使用這個(gè)時(shí)基設置時(shí)示波器能給出其可能的最好的時(shí)間分辨率。
此時(shí)基設置值稱(chēng)為“最大單次掃描時(shí)基設置值”，在這個(gè)設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)指標中所給出的采樣速率。
實(shí)用上升時(shí)間 在很多示波器應用場(chǎng)合，都要進(jìn)行信叼開(kāi)關(guān)我的測量，即測量上升時(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)行測量的最快瞬變我對于模擬示波器來(lái)說(shuō)，上升時(shí)間特性。對于模擬示波器來(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)間的測量，必須在我們關(guān)心的信號邊緣上采集到足夠的細節信息，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)基設置值的函數。
我們將在本書(shū)的練習部分（第六章）更詳細的討論上升時(shí)間測量的問(wèn)題。
最大捕捉頻率及香農(Shannon)采樣準則 當人們最初探索將信號進(jìn)行數字化的時(shí)候研究工作就已揭示，為了很好的恢復原來(lái)的信號，在進(jìn)行信號數字化的時(shí)候就要求采樣時(shí)鐘的頻率至少應為信號本身所包含的最高頻率的兩倍，這個(gè)要求通常稱(chēng)為香農采樣定理。
然而，這項研究工作是針對通信應用領(lǐng)域而并非針對示波器為進(jìn)行的，現在來(lái)看圖22。從圖中看出。當使用兩倍于信號頻率的采樣時(shí)鐘時(shí)。信號頻率確實(shí)可以恢復。使用恰當的波形重建裝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？
現在我們設想在進(jìn)行波形的數字化時(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，不定在信號的峰值點(diǎn)，這樣一來(lái)，信號的幅度信息就會(huì )嚴重失誤，甚至可能完全丟失，事實(shí)上。如果采樣點(diǎn)準確地取在信號地過(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(guān)測不到信號。
圖22 用兩倍于信號頻率的采樣速率對正弦波進(jìn)行采樣。
分別示出采樣點(diǎn)位于信號峰值點(diǎn)和采樣點(diǎn)接近信號過(guò)零零碎碎點(diǎn)兩種情況示波器是用來(lái)研究信號的，為了很好的研究主事情不僅要求正確的表示信號頻率并且還要求準確地表示信號波形的幅度。從圖23可以看出，如果每個(gè)周期用三個(gè)采樣點(diǎn)對信號進(jìn)行采樣。則再現的波形也會(huì )發(fā)生很大的失真。
圖23 以每周期約三個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號波形根據經(jīng)驗通常認為每周期最小要了十個(gè)采樣點(diǎn)才能給出足夠的信號細節。在有些情況下，對信號怕細節要求低一些，這時(shí)每周期取五個(gè)樣點(diǎn)可能就足以給出有關(guān)信號的特性（見(jiàn)圖24）。這樣，對于一個(gè)最大樣率為200Ms/s的示波器來(lái)說(shuō)，能夠準確采集的最大信號頻率即為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(xiàn)。這種方法稱(chēng)為正弦內插。
圖24 以每周期五個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行采樣的信號波形假象（Aliasing)現象 我們已經(jīng)知道，為了重建一個(gè)波形，至少需要一定數量的采樣點(diǎn)，而且在任何情況下采樣時(shí)鐘的頻率都必須比信號頻率高五至十倍。
如果采樣時(shí)鐘頻率比信號頻率代，那么我們將會(huì )得到不可預料的結果。
讓我來(lái)看一下圖25所示的情況。如圖所示，我們從信號波形的不同周期連續獲到采樣點(diǎn)，然而。每一個(gè)新的采樣點(diǎn)的采集都發(fā)生在相對信號過(guò)零點(diǎn)的時(shí)間間隔略為長(cháng)一點(diǎn)的時(shí)刻。如果我們現在來(lái)顯示這些采樣點(diǎn)并用它來(lái)重建信號波形，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)輸入信號的頻率完全不同。這種現象稱(chēng)為假象信號或者不正確頻率的幻影信號。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。
圖25 假象信號正弦波多數現代示波器都調用有所謂自動(dòng)設置功能，一旦輸入信號連好以后，示波器就能自動(dòng)地造反適當的偏轉系數和時(shí)基設置值。這種自動(dòng)設置功能也能幫助避免假象現象。
在有些情況下，信號的頻率變化得非?？?，以致于在某一時(shí)刻選定的時(shí)基設置是正確的，而在另一時(shí)刻（或者對于信號的另一部分而言）示波器又顯示出假象信事情，這時(shí)可以用峰值檢測功能（見(jiàn)2.2節）來(lái)發(fā)現任何時(shí)刻信號的真正幅值。
為了獲得這種復雜信號的起初波形，建議使用組合示波器的模擬方式來(lái)觀(guān)察信號，歸要結底，模擬方式是不可能發(fā)生假象現象的。
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