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示波器的类型

电子设备可以分成两类:模拟设备和数字设备。模拟设备适用于连续变化的电压,数字设备则适用于表示电压样点的离散的二进制数字。传统留声机是一种模拟设备,而唱片播放机则是一种数字设备。示波器可以按类似方式分类,分成模拟示波器和数字示波器。与模拟示波器相比,数字示波器采用模数转换器(ADC),把测得的电压转换成数字信息。它作为一串样点采集波形,然后存储这些样点,直到累积足够的样点,描述波形。然后,数字示波器会重组波形,显示在屏幕上。


数字示波器可以分成数字存储示波器(DSOs)、数字荧光示波器(DPOs)、混合信号示波器(MSOs)和数字采样示波器。数字方法意味着示波器可以以相应的稳定性、亮度和清晰度显示范围内的任何频率。对重复的信号,数字示波器的带宽与示波器前端器件的模拟带宽有关,通常称为-3 dB点。对单次和瞬态事件,如脉冲和阶跃,带宽会受到示波器的采样率限制。如需详细信息,请参阅“性能术语和考虑因素”下的采样率部分。


数字存储示波器


传统数字示波器称为数字存储示波器(DSO)。其显示一般依赖光栅类屏幕,而不是老式模拟示波器中的发光荧光。


数字存储示波器(DSO)可以捕获和观察可能只发生一次的事件,称为瞬态信号。由于波形信息以数字形式存在,作为一串存储的二进制值,因此可以在示波器内部或使用外部计算机分析、归档、打印及以其它方式处理这些波形信息。波形不需要是连续的;在信号消失时,甚至可以显示这些波形。与模拟示波器不同,数字存储示波器提供永久的信号存储功能及全面的波形处理功能。然而,DSO一般没有实时辉度等级,因此,它们不能表示实时信号中变化的辉度。


构成DSO的部分子系统与模拟示波器中类似。但是,DSO包含额外的数据处理子系统,用来收集和显示整个波形的数据。DSO采用串行处理结构,在屏幕上捕获和显示信号,如图12所示。下面介绍一下这种串行处理结构。


图12.png


串行处理结构


与模拟示波器类似,DSO的第一个(输入)阶段是垂直放大器。垂直控制功能允许在这个阶段调节幅度和位置范围。然后,水平系统中的模数转换器(ADC)在离散的时点上对信号采样,把这些时点上的电压转换成数字值,称为样点。这个过程称为信号数字化。水平系统的采样时钟决定着ACD采样的频次。这一速率称为采样率,用每秒样点数(S/s)表示。来自ADC的样点作为波形点存储在采集存储器中。多个样点可能会构成一个波形点。多个波形点结合在一起,构成一条波形记录。创建波形记录使用的波形点数量称为记录长度。触发系统决定着记录的开始点和结束点。


DSO的信号路径包括一个微处理器,实测信号经过这个微处理器传送到显示器上。这个微处理器处理信号,协调显示活动,管理前面板控制功能,等等。然后信号传送通过显示存储器,显示在示波器屏幕上。视示波器的功能,可能会对样点进行额外的处理,增强显示。还可能会提供预触发功能,可以看到触发点前面的事件。当前大多数数字示波器还可以选择自动参数测量,简化了测量过程。


如图13所示,DSO在单次多通道仪器中提供了非常高的性能。DSO特别适合重复率低的应用或单次高速多通道设计应用。在实际数字设计环境中,工程师通常同时考察四个或四个以上的信号,使得DSO成为关键仪器。


图13.jpg


数字荧光示波器


数字荧光示波器(DPO)提供了一种新的示波器结构方法。通过这种结构,DPO可以提供独特的采集和显示功能,准确地重建信号。DSO采用串行处理结构捕获、显示和分析信号,DPO则采用并行处理结构执行这些功能,如图14所示。DPO结构要求使用独特的ASIC硬件采集波形图像,提供高波形捕获速率,实现更高的信号查看水平。这种性能提高了看到数字系统中发生的瞬态事件的概率,如欠幅脉冲、毛刺和跳变错误,实现了进一步的分析功能。下面介绍了这种并行处理结构。


图14.png


并行处理结构


DPO的第一个(输入)阶段与模拟示波器类似,也是垂直放大器,第二个阶段与DSO类似,是一个ADC。但是,在模数转换之后,DPO与前几代产品有着明显的差别。对任何示波器来说,不管是模拟示波器、DSO还是DPO,总有一个触发释抑时间,在这段时间内,仪器处理最新采集的数据,复位系统,等待下一个触发事件。在这段时间内,示波器看不见所有信号活动。看到偶发事件或低重复率事件的概率会随着触发释抑的时间提高而下降。应该指出的是,只看显示更新速率,是不可能确定捕获概率的。如果您只依赖更新速率,那么很容易错误地认为,示波器正在捕获与波形有关的所有信息,但事实上却没有。


数字存储示波器以串行方式处理捕获的波形。在这个过程中,微处理器的速度是瓶颈,因为它限制着波形捕获速率。DPO把数字化的波形数据光栅化到数字荧光数据库中。每1/30秒(大约和人眼能够感受到的速度一样),存储在数据库中的信号图像快照会通过管线直接传送到显示系统。这种波形数据直接光栅化及从数据库直接拷贝到显示存储器,消除了其它结构中固有的数据处理瓶颈。其结果,增强了“实时”显示更新功能。它实时捕获信号细节、间歇性事件及信号的动态特点。DPO的微处理器与这个集成采集系统并行工作,实现显示管理、测量自动化和仪器控制,从而不会影响示波器的采集速度。DPO忠实地仿真模拟示波器的最佳显示属性,用三个维度显示信号:时间、幅度和幅度在时间上的分布,而且所有信息都是实时显示的。


与模拟示波器依赖化学荧光不同,DPO采用纯电子数字荧光,其实际上是一个连续更新的数据库。对示波器显示画面中的每一个像素,这个数据库有一个单独的信息“单元”每次在捕获波形时,换句话说,每次在示波器触发时,它都映射到数字荧光数据库的单元中。表示屏幕位置、波形接触的每个单元都会使用辉度信息加强,而其它单元则不会。这样,辉度信息会在波形最经常传送的单元中累积。


在数字荧光数据库输送到示波器的显示器时,显示器会揭示加强的波形区域,且与每个点上的信号发生频率成比例,这在很大程度上与模拟示波器的辉,度等级特点类似。DPO还允许作为对比颜色在显示器上显示发生频率变化的信息,这一点不同于模拟示波器。在DPO中,可以很容易看到几乎每次触发都发生的波形与每100次触发才发生一次的波形之间的差别。


数字荧光示波器(DPOs)扫清了模拟示波器技术与数字示波器技术之间的障碍。它们都同样适合实时观察高频和低频、重复波形、瞬态信号及信号变化。只有DPO实时提供了Z(辉度)轴,而传统DSO中则没有这个轴。DPO特别适合在多种应用需要最通用的设计和调试工具的客户,如图15所示。DPO多用于高级分析、通信模板测试、间歇性信号的数字调试、重复的数字设计和定时应用。


混合域示波器


混合域示波器(MDO)把RF频谱分析仪与MSO或DPO结合在一起,实现从数字域、模拟域到RF域的信号相关视图。例如,MDO可以查看嵌入式设计内部协议、状态逻辑、模拟信号和RF信号的时间相关显示,大大缩短获得信息所需的时间,降低跨域事件之间的测量不确定度。


了解嵌入式RF设计内部微处理器命令与RF事件之间的时间延迟简化了测试设置,可以在工作台,上完成复杂的测量。对嵌入式无线电,如图16所示的Zigbee设计,您可以触发RF事件启动,观察微处理器控制器解码的SPI控制线的命令行时延、启动过程中的漏极电流和电压以及发生的任何频谱事件。您现在可以在一个画面中,以时间相关的方式观察无线电的所有域:协议(数字)、模拟和RF。

图16.jpg


混合信号示波器


混合信号示波器(MSO)把DPO的性能与16通道逻辑分析仪的基本功能结合起来,包括并行/串行总线协议解码和触发。MSO的数字通道把数字信号视作逻辑值高或逻辑值低,就像数字电路观察信号一样。也就是说,只要振铃、过冲和地电平弹跳没有导致逻辑跳变,那么这些模拟特点对MSO就不成问题。与逻辑分析仪一样,MSO使用门限电压,确定信号是逻辑值高还是逻辑值低。


在使用强大的数字触发、高分辨率采集功能和分析工具迅速调试数字电路方面,MSO是首选的工具。通过分析信号的模拟表示和数字表示,可以更迅速地确定许多数字问题的根本原因,如图17所示,使得MSO特别适合检验和调试数字电路。

图18.png


数字采样示波器


与数字存储示波器和数字荧光示波器结构相比,在数字采样示波器的结构中,衰减器/放大器和采样桥接器的位置颠倒,如图18所示。它先对输入信号采样,然后执行衰减或放大。然后在采样桥接器后面,可以使用低带宽放大器,因为信号已经被转采样门转换成较低的频率,从而大大提高仪器带宽。然而,这种高带宽的代价是采样示波器的动态范围有限。由于采样门前面没有衰减器/放大器。因此没有工具对输入定标。采样桥接器必须能够在任何时间处理输入的整个动态范围。因此,大多数采样示波器的动态范围限定在大约1Vp-p 。而数字存储示波器和数字荧光示波器则可以处理50-100V。


此外,保护二极管不能放在采样桥接器的前面,因为这会限制带宽。这把采样示波器的安全输入电压限定在大约3V,相比之下,其它示波器上的安全输入电压为500 V。在测量高频信号时,DSO或DPO可能不能在一次扫描中采集足够的样点。在准确地捕获频率成分远远高于示波器采样率的信号时,数字采样示波器提供了理想的工具,如图19所示。这种示波器测量信号的速度要比任何其它示波器快一个量级。对重复信号,它实现的带宽和高速定时要比其它示波器高10倍。市场上提供了带宽高达80GHz的顺序等效时间采样示波器。


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