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2 数字示波器的基本原理
2.1数字存储示波器的基本原理
2.1.1数字存储示波器的组成原理
一个典型的数字示波器原理框图如图2-1所示 ，它又分实时和存储两种工作模式，当处于实时工作模式时 ，其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的。当处于存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段，在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当的放大或衰减 ，然后经过取样和量化两个过程的数字化处理，将模拟信号转化成数字化信号 ，最后 ，数字化信号在逻辑控制电路的控制下一次写入到RAM中。
至X偏转板扫描发生器实时水平放大器 存储实时输入衰减器放大器实时延迟线 存储垂直放大器存储 至Y偏转板 内外触发外触发电路A/D转换器存储器（ram）D/A转换器逻辑控制电路（微处理器）地址计数器D/A转换器
图 2-1数字示波器原理框图
上述取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是每个取样的离散值经A/D转换器转换成二进制数字 且取样,量化及写入过程都是在同一时钟频率下进行的。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出来 ，并经DA转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。与此同时，CPU的读地址计数脉冲加之DA转换器，得到一个阶梯波的扫描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。
显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字，点的垂直屏幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出 ，点的水平屏幕位置由对应的存储单元二
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进制地址给出 。若经DA转换的模拟信号内插器的插值处理，还可以使点显示变为连续显示 。
数字存储示波器对模拟量进行实时取样。实时取样是对一个周期内的信号的不同点取样 ，它与取样示波器的跨周期取样是不同的。N个取样点得到的数字量分别存储于地址号为OOH-0NH的N个RAM存储单元中，这样，采样点所存储的地址信息即表示了采样点的时间信息 。在显示时依序取出采样离散化数据，经DA变换后的输出送到Y偏转板；同时存储单元地址号从00H-0NH也经过DA转换，形成阶梯波，并送到X偏转板。在共同作用下 ，荧光屏上将显示离散的亮点。只要X方向和Y方向的量化程度足够精细，这些离散的亮点就能准确代表被测波形 。将数字存储技术和微处理器用于取样示波器 ，可以构成存储取样示波器。 2.1.2数字存储示波器的工作方式 (1)数字存储示波器的功能
数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器 ，参考波形存储器 ，测量数据存储器和显示缓冲存储器四种 。信号数据存储器存放模拟信号取样数据 ；参考波形存储器存放参考波形的数据 ，它采用电池供电，或采用非易失性存储器 ，故可以长期保存数据 ；测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均有显示缓冲存储器提供 。 (2)触发工作方式
数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式
1)常态触发 常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示 。
2)预置触发 预置触发即延迟触发，是人为设置触发点在复现波形上的位置，它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样，存储的第一点。预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性 。 (3)测量和计算工作方式
数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量，及示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字的形式显示在荧光屏上，特殊值的测量使用手动光标进行测量，即光标测量。光标测量指的是在荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线，这四条光标线可在面板的控制下移动，光标和波形的交点，对应于信号存储器中的相应的数据 。测量时，示波器在测量程序
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控制下，根据光标的位置来完成测量，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。 (4)面板按键操作方式
数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种，按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排菜单，屏幕有方则显示对应菜单的子菜单，然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作。 2.1.3数字存储示波器的显示方式
由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行，与宽带示波器相比，采集速度和显示速度可不相同，因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示，抹迹显示，卷动显示，放大显示和XY显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。
(1)存储显示 存储显示方式是数字示波器的基本显示方式，适用于一般信号的观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行DA变换，然后将信号稳定的显示在荧光屏上。
(2)抹迹显示 抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置触发电平和极性；观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，在利用末端触发显示一个画面，这样一个个画面显示下去，如同为了查找莫个内容，一页页的翻书一样，一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中 。
(3)卷动显示 卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形从右端向左一定，在左端消失，当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中 ，一边做更细致的观测与分析。如图2-2（a）所示。
(a)卷动显示 （b）放大显示
图2-2两种显不方式
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(4) 放大显示 放大显示方式适于观测吸信号波形的细节 ，此方式是利用延迟
扫描的方法实现的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形 ，下半部分显示放大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标测量放大部分的参数 。 如图2-2（b）所示。
(5)XY显示 与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示丽萨如图形，此处不做详述。
(6)显示的内插 数字存储示波器是将取样数据显示出来，由于取样点不能无限增多 ，能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题 ，一般要求每个信号显示20-25个点 。但是较少的采样点会造成视觉误差，可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间，主要有线性插入和曲线插入两种方式 。
2.1.4数字存储示波器的特点
与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点：
(1)波形的取样存储与波形的显示是独立的 在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样和存储，对慢速信号采用较低速率进行取样和存储，但在显示工作阶段，其读出速度可以采用一个固定的速率，不受采样速率的限制，因而可以清晰而稳定的获得波形，可以无闪烁的观测被测极慢变化信号，这是模拟示波器无能为力的。对观测极快信号来说，数字存储示波器采用低速显示，可以使用低带宽，高精度，高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。
(2)能长时间的保存信号 由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来，其存储时间在理论上可以是无限长 。这种特性是对观察单次出现的顺便信号极为重要，如单次冲击波，放电现象 。
(3)先进的触发功能 它不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间。除此以外，数字存储示波器还可以提供边缘触发 ，组合触发 ，状态触发 ，延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能。
(4)测量准确度 高数字存储示波器由于采用晶振做高稳定时钟，有很高的测时准确度，采用高分辨率AD转换器也能使幅度测量准确度大大提高。
(5)很强的数据处理能力 数字存储示波器由于内含微处理器因而能自动实现多种波形参数的测量和显示 ，例如上升时间，下降时间，脉宽，峰峰值等参数的测量与显示，能对波形实现取平均值 ，取上下限值，频谱分析以及对两波形进行加减乘除等多种复杂的运算处理 ，还具有自检与自校等多种操作功能。
(6)外部数据通信接口 数字存储示波器可以很方便的将存储的数据送到计算机或其他的外部设备 ，进行更复杂的数据运算和分析处理。还可以通过GPIB接口与计
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算机一起构成自动测试系统。
2.1.5数字存储示波器的主要技术指标 术指标与模拟示波器相似，下面仅讨论与波形存储部分有关的主要技术指标 。
(1)最高取样速率 最高取样速率指单位时间内的取样的次数，也称数字化速率，用每秒钟完成的AD转换的最高次数来衡量。常以频率来表示，取样速率越高，反应仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。取样速率主要由AD转换速率来决定。数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数(即扫描一格所用的时间)来推算 。其推算公式为
f?N (1-1) t/div式中，N为每格的取样点数，t为扫描时间因数。
(2)存储带宽(B ) 存储带宽与取样速率密切相关，根据取样定理，如果取样速率大于或等于二倍的信号频率，便可重现原信号。实际上，为保证所显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般取N=4-10倍或更多，即存储带宽。
(3)分辨率 分辨率指示示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元。它包括垂直分辨率 (电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。垂直分辨率与AD转换的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级/div)或百分数来表示。水平分辨率由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔，存储容量决定了一屏内包含的点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8*10div(即屏幕垂直显示格为8格，水平显示格为10格)，如果采用8位的AD转换器(256级) ，则垂直分辨率表示为32级/div，或用百分数来表示为1/256=0.39%：如果采用容量为1k的RAM，则水平分辨率为1024/10=100点/div。
(4)存储容量 存储容量又称记录长度，它由采集存储器(主存储器)最大存储容量来表示，常以字为单位。数字存储器常采用256，512，1K等容量的高速半导体存储器。
(5)读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/div”来表示 ，其中 ，时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。使用中应根据显示器，记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。
2.2系统的方案设计
上世纪大规模集成电路的出现，使得CPU、存储器、I/O接口得到了迅速的发展，在各个技术领域中得到了广泛的应用。尤其简易的数字存储技术已经很发达。由此我想到 ，可以利用存储器的存储功能和普通模拟示波器相结合，来实现数字示波器的存储功能。利用模拟转换器及时的对上述类型的信号进行一次性的采集 ，并把数据
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