2.2 DSO的功能和控制机构
DSO有许多新的特性这就使得DSO有许多模拟示波器没有的控制机构下面我们将介绍若干最常见的控制机构。
预触发和后触发
在第一章中我们谈到每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。这样一来我们就只通用性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。
在很多应用场合我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面而是在触发以后一段时间或者甚至可能在触发这前。
例如当一个半导体器件被打开时其输出信事情的幅度可能很大我们可以用它来触发示波器但是如果我们要研究该半导体器件开始导通的很小的输入信号时我们就会发现。这个信号太小因而不能准确的触发示波器。这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：即由一个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器而示波器显示触动发时刻之前的信号的能力这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和输出信号从而看出系统响应的因果关系。
在另一些情况下你可能想要详细地研究触发事件之后一段时间发生的信号有关部分。例如在研究一个方波的抖动的大小就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。这时可以使用方波的一个沿来触发示波器而把时基设置成很高的速度以显示抖动其做法是：在示波器探测到触发事件时启动一个后触发延迟计数器。将此计数器的计数时间设置成大约等于一个信号周期的时间。当此预先设计的定时时间结束以后示波器就开始从方波的下一个上升沿好将开始的时刻开始采集。
由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟它与被测信号无关、独立工作所以被没方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。也就是说在各次采集过程中方波的上升沿将会在相对于触发事件卡拉奇不同时刻（即屏幕上的不同位置）出现。
触发位置
具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小这可以用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。
在有些示波器中触发位置只能设置为几个预先规定的数值例如在采集的信号记录的开关、中间和结尾。但如示波器具有很宽的触发位置控制范围使用起来将会是很方便的。因此PM3394A示波器就允许用户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置并且触发位置还是连续可变的。
毛刺捕捉
图29所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。产生这种波形的原因可能是由于其它电路的干扰也可能是由于连线离被测系统过近的缘故。这些毛刺常常会引起系统发生误动作。那么我们能用示波器来发现这些毛刺吗？
如果我们使用模拟示波器来观察只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号（即这个例子中的正弦波）同步时我们才能看到毛刺信号。或者如果我们的运气好出现了很多的毛刺的朦胧形象。
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由于毛刺源于其它的电路系统所以这些毛刺通常只是偶尔发生并且和主信号不同步。
那么如果DSO我们能发能这些毛刺吗？未必首先我们必须确保示波器已准备好去捕捉这些快速毛刺。
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图29 叠加了毛刺的正弦波
我们知道DSO在特定时刻对输入信号进行采样如本章开头所述采样点之间的时间间隔取决于时基设置。如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运气如何了。为了能够捕捉到毛我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉。
彩峰值检测的方法时示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测并由正负峰值检测器将信号的峰值幅度暂地存贮起来。当示波器要显示采样点的时候示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正负峰值代替了原来的采样点数值。因此峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。峰值检测的方法对于捕捉调制信号例如图30所示的AM波形也是非常有用的。为了显示这类信号必须将示波器的时基设置得和调制信号在频率相配合而在这种信号中调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为455KHz或者更高。在这种情况下不使用行刺捕捉功能就不能正确地采集信号而使用了毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。
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示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路它以电容上电压的形式存贮信号的峰值这种缺点是速度比较慢它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。
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图30 使用和不使用峰值检测模式两种情况下捕捉到AM调制信号波形
数字式峰值检测器围绕ADC而构成这时ADC将以可能的最高采样速率连续对信号进行采样然后将峰值存贮在一个专用的存储器中当要显示采样点的值时贮存的峰值就作为该时刻的采样值来使用。数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快本书中用作示例的示波器PM3394A就能够在很低的时基速率设置下如1秒/格以正确的幅度采集到窄至5ns的毛刺。
滚动模式
至此我们已经知道DSO能用和模拟示波器类似的方式显示波形从触发事件开始标波器采集信号的采样点并将其存于采集在储器中的连续位置中。一旦新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后采集过程既告结束示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去在此时期示波器不再采集新的数据就像模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一样。
对于低频应用的场合信号的变化周期可达分钟量级而远不只是微秒的量级这时DSO可以应用于一种全连续的显示方式：滚动模式。而这种背后的极样点显示于屏幕的右面屏幕上已有的波形则向左滚动（见图31）。老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。这样一来示波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。
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由于有了这种滚动模式我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。
显示放大
在模拟示波器中可以将进基放大10倍以便详细观察信事情的细节。在DSO中显示的波形可以按大小不同的步进值放大通常进基放大按2的幂次倍数放大即按x2,x4,x8,x16,等倍数放大。
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图31 滚动模式
一旦波形已经采集并存入存储器例如单次波形采集的情况使用垂直放大功能代替提高垂直灵敏度来放大波形也是很方便的。
特殊的触发方式
DSO的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号例如单次事件或者系统闭锁等情况的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件以便启动波形采集。这实惠这一目的只有边缘触发方式往往是不够的为此又开发了若干附加的触动发能力。我们在此讨论其中的几种。
--图形触发
在逻辑硬件电路各信号是由许多并行的线来传送的整个硬件的瞬时状态则是由在给定时刻时这些线上的状态来表示的。为了识别硬件状态就需要有一种仪器来检测这些线的状态。使用图形触发功能可以监视多条例如4条线的状态当探测到用户规定的图形（例如HHLH）或字时示波器就被触发。由于图形触妇的设计是和数字逻辑配合使用的因此可以用来监视各条线的状态是为高（H）、低（L）、或者任意（X）。
--状态触发
逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。其中的所有硬件都在时钟系统的指令之下来存贮其输入信号因此我们的测试仪器也应依据同样的原则工作。当使用状态触发时。输入信号怕自理方法和图形触发时一样只不过一在要把其中的一个输入信号当作时钟信号。如果示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致则示波器新触发。
--毛刺触发
使用毛刺触发时能引起系统误动作的窄脉冲如毛刺、类峰等可以引起示波器角发。
如果一个系统是设计在DC到某一频率信号下工作的那么由于线路走线可能会使系统引入比此范围更高的频率信号例如来自其它线路的干扰或吸收大功率的瞬变信号等可以把示波器设置为当被测脉冲的宽度小于允许的最高频率信号之周期的一半时触发。国为我们可以认为在正常工作的情况下这样窄的脉冲是不会发生的。图32所示。
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毛刺触发的另一个应用场合是逻辑硬件这时硬件电路的逻辑状态都是和系统时钟同步变化的。结果这种硬件电路中的脉冲宽度都应为系统时钟周期的整倍数。在这种系统中故障的发生常常和脉冲宽度异常有关为了探测故障我们现在可以把示波器的角发条件设置为在脉冲宽小于一个时钟周期时触发。
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图32 毛刺触发
--时间限定触发
这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下，可以按上述任何一种方式触发。这种时间长度要求可以是要注某一最小时间长度（如果时间长于某值则为有效）要求某一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。时间限定触发对于按照系统不能满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时非常肜的。还可有用这种触方式来探测连续工作信号发生的中断现象。
--事件延迟
这种触发方式使示波器多个信号的情况来触发而其中的一个入号用来延迟采集的超始点。触发周期是由一个主信号通常为多个信号通道之一启动的。接收到主触发信号以后示波器就开始检查第二个信号（这也可能还是那个主触发信号但取不同的电平）并对这个信号上的触发事件进行计数当达到预先规定的触发事件数时示波器就开始采集波形见图33。
图33 事件延迟
典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。
这种功能可以用来从输入信号中选出每个第N次出现的波形然后将这种选出的信号加到正常触发系统来使示波器触发。当一个信号受到它的谐波的影响而失真也就是说这个信号是周期性的但其各个周期并不完全相同这种情况下N次周期触发方式特别有用。例如其一系统按一固定频率运行但是每过12个脉冲脉冲宽度就变得宽一些。这时可以选择“N=周期=12”这样示波器就只对这些变宽的脉冲作出响应引起触发见图34。
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波形存贮
被测信号的波形形存入存储器以后可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中供以后进行分析或作参考及比较的目的使用DSO中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的方式设置
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图34 N次周期触发
这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮也可将后务存储器设置为记录存储器这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。
示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是很方便的。这时工程师可以把现场测量期间所有有关的波形都存贮下来以便以后生成硬考贝或将这些波形传往计算机再作进一步的分析。
显示算法内插和点连接
我们在DSO屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。这时示波器在屏幕上显示出这些采样点并在这些采样点之间画出连线这种波形显示的工作可以按几种方法来作最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接这种京都我为线性内差只要各采样点之间告得很近例如每格50个采样点用这种方法就能获得足够的重建波形如果在信号跳变沿前后都采集了采样点那么用这种方法就可以观察领事的沿如果将显示的波形在水平方向放大使得采集的采样点之间的距离变大那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低所以示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连接要好得多为此可用使用正弦内插法。采用这种方法时在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。采用了内插的方法以后既使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。
为了察看真正的采样点示波器通常设有点显示方式在此方式之下不使用任何内插方法。选择这种方式以后我们在屏幕上只能看到用离散亮点表示采样点而在这些点之间没有任何连线。
窗口模式
当我们进行信号比较时例如将一新采集的波形和以前存贮的信号波形比较时把这两个波形扫迹显示在示波器屏幕的不同区域会是很有用处的。为此示波器又设有窗口模式这个模式将示波器屏幕分成两个或多个区域以显示不同的扫迹由于减小了显示波形幅度的情况下还能获得优化的测量准确度
2.3 自动测量和处理
自动测量
示波器用来显示信号的波形并对诸如：峰〈一〉峰值幅度RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量。对于任何波形来说这些波表参数都可以使用大家熟知的数学方法来测量计算我们将在第六章对此进行介绍。
在使用模拟示波器的时候用户只能进行手动测量例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔殖民地用数学定义算出测量结果对于西藏的波形来说这种方法虽然只能获得中等的准确度但方法是可行的。而对于更加复杂的波形来说使用这方法要困难得多并且可能需要进行某些推测。
当使用DSO时只要示波器已经采集了信号波形就获得了所有的波形信息数据根据这些数据就能自动计算出要测量的参数得到更加准确可靠的结果整个过程极为迅速简便。
多数DSO都能对一个或多个通道上的输入信号同时进行两个或我个参数的测量困此可以用来进行信号间的比较例如比较一个放大器或衰减器的输入和输出信号。
另外如果示波器对存贮的波形和新采集的波形都能进行能进行参数测量那将会是非常方便的。这就使我们能对实际信号的性能和标准信号的性能进行比较也使我们可以观察时间对信号的响应变化或者对系统修改后的变化影响。
示波器上最完全的参数测量功能还应包括用统计形式给出测量结果这就是说在一个较长的波形采集期间中的任何时刻示波器应给出某一特定测量参数的最小值最大值和平均值使用这一功能我们就可以发现一个系统性能变化的趋势而而无须连续监视示波器屏幕显示的内容。
应当记住任何示波器的参数测量都是通过对采集的数据进行分析来进行的所以参数测量的结果都源于在示波器中存贮的采集到的波形这就意味着示波器的设置情况对参数测量和结果会有影响例如如果示波器的时基速度设置得比较慢比如说设置为1ms/格而要对一个估计为50ns至100ns的上升沿进行上升时间测量那么由于采集过程中时间分辩集约的限制我们就无法测出正确的结果为了进行这项参数测量我们应当把示波器的时基设置得足够快例如设置为50ns/格以便以足够细的时间分辨率显示出被测波形的上升沿见图35
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在第六章我们将详细讨论各种不同参数的定义、测量方法以及如何用手动和自动的方式进行这些参数的测量。
数字处理
示波器所采集的波形数据中包含了非常丰富的信息用来显示这些数据的一种非常有用的形式就是波形显示即用垂直坐标轴表示电压、用水平坐标轴表示时间。这就是Y-t显示方式。
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图35 用统计的格式给出峰〈-〉
峰值电压和频率测量值的屏幕显示情况。
其中给出了这两个参数的的最小值
平均值和最大值随时间的变化
另一种显示波形数据的方法是用两上通道的波形数据来画图。这时对显示的每个数据点来说其水平位置代表一个通道的数据值而其垂直位置则表示另一个通道的数据值这种显示模式称为X对Y模式或简称为X-Y模式用这种模式用户可以观察频率相关联的两个信号之间的相位或时间关系X-Y模式对于测试相移器和滤波器极为有用还可以和运动传感器配合使用来检查运动系统的振动情况。
在X-Y模式下DSO比模拟示波器优越地地方在于这时DSO的带宽为示波器的全部采集带宽而在X-Y模式下DSO显示的是在某一单个记录中所包含的采样点数据。这些数据只能表示在一个有限的时间期间（该记录的时间长度）的波形而在X-Y模式下模拟示波器给出的是一个连续的活的显示图形。
此外还有很多其它的方法用来从波形数据据中提取宝贵的信息或者对数据进行运算以便用更加有用的格式来表示娄据中所包含的信息这种运算通常称为波形的数学处理这咱处理往往是由计算机来完成的这就是说把采集到的波形传送给计算机然后再作进一步的处理。
更新颖的DSO已经把这种数学处理能力装在了示波器内部这可以靠示波器的主处理器或者另一个附加的数字信号处理器（DSP）来实现的。
一采用平均的方法来提高分辨率
平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起采用平均的方法可以减少叠加在信号上的噪音经过平均处理以后的波形的第一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置的采样值通过平均运算而获得的。
由于噪音的本质所决定噪音对每次新的采集来说都是不同的所以各次连续采集波形的采样值就会略有不同通过平均减少了这种差别获得了更加平滑的波形但是并不影响带宽然而当使用平均的方法时示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。多数DSO的垂直分辨率为8比特。这就是说采集的波形完全由256个不同的电压电平来表示通过对各次连续采集的波形进行平均可以提高分辨率进行平均计算时所用的连续采集波形数越多垂直分辨率就越高。每当所用的连续采集波形数增加一倍时垂直分辨率就增加一个比特。
一包络模式
当被测信号随着时间变化时例如要观察信事情的幅度变化或者抖动现象时观测在多次休集过程中波形记录中每个采样点位置的最小值和最大值都存贮下来并以此构成波形显示这样获得的显示波形表现了信号长期变化的积累效果使得我们可以进行长时间的抖动测量或者长时间的幅度变化测量。见图36
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一数字滤波
对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以咸小波形带宽的得理过程。“滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果。
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图36使用和不使用包络模式两种情况下的抖动脉冲
数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波表记录中与该点相邻的若干采样点进行平均来实现的。这样作的结果减小了信号的噪音但同时也减少了带宽的目的是为了减小噪音。数字滤波也可用于单次信号的情况而平均的方法却要求对重复性信号进行多次波形采集。
一波形比较样板测试
示波器中存贮的波形可以和新采集的波形同时进行显示例如我们可以把一个已知好的设备的波形特性和有故障的设备的波形特性进行比较在很多情况下进行这种信号比较的目的在于检查该系统的性能是否符合其技术指标。在设备生产测试过程中我们常常会遇到这种情况使用具有“通过/不通过”测试能力的示波器我们可以非常容易地全自动地进行这种信号比较工作。首先我们把标准信号及其允许的极限范围存贮在示波器的寄存器中这些存贮的信息称为样板接着示波器就从被测系统采集信号并将每个新采集的信号和该样板进行比较。如果采集的信号在样板的范围之内则示波器指示“通过”反之则示波大就会报出“不通过”。图37所示
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一快速付里叶变换（FFT）
快速付里叶变换是一种数学运算方法。它从被测信号中提取信号所包含的各个频率分量并将各个频率分量的幅度显示出来。
FFT对于发现信号失真的大小确认复杂波形中包含的频率万分或者寻找系统间的相互干扰等工作都是非常有用的。
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图37 信号的波形及其频率变换
一波表相乘
此功能最重要的应用是测量电功率因为电功率的定义就是电流和电压的数学乘积为了进行功率的测量示波器就要同时采集电压和电流的小辈形并将二者相乘相乘后获得的波形则表示随时间变化的瞬时功率值。这种功率测量工作对于测试电源功率放大器以及稳压器等都是非常重要的因为在这些场合电流都比较大而这些部件承受的功率大小都是很关键的指标。
一积分
积分可以给出一条曲线下的面保佑使我们能够观察信号随着时间积累的总体效果例如，手持式测振仪连续充电过程对于电容器上的电荷量的总体效果或者一个元件耗散功率的总体效果。
在测量机械系统时如使用输出电压和系统加速度成正比的传感器则此信号的积分映出的就是速度。
一微分
微分表示的是信号变化的速率例如一个电信号的摆动率（Slew rate)就是信号随时间变化曲线的微分。
一功率及损耗的测量
下面叙述的功率耗损测量是示波器处理能力的一个实际便子一个元件可以承受一定的功率此功率的定义为跨过元件两端的电压和流过元件的电流的乘积。在元件的设计中通常要对元件随功率的能力规定一个极限值此极限值是由该功率在一定的时间里引起的元件温升来确定的。元件耗散的热量（即能量）是曲其瞬时功率和时间来决定的。
元件产生的热量可以通过测量其电压和电流值并将二者相乘来决定两者相乘后获得的是以瓦特为单位的任一时刻的瞬时功率值接着可以使用第二个数学处理功能进行积分这样就可以得到以瓦秒为单位的总的功率耗损值而3600000瓦秒等于1kwh这样通过换算我们就可以把元件的功耗值换算成我们日常付电费时常用的单位来表示。
2.4 接口
接口
在很多情况下我们需要把示波器中的信号传往PC机而在另一些情况下我们可能希望用PC机来对示波器进行控制这两种情况都要求示波器具有通讯能力。也就是说示波器必须装有通讯硬件及其支持软件。我们称此通讯用软硬件为“接口”。常用的接口有两种好RS-232接口和通用接口总线（GPIB）后者又称为IEEE-488总线对多数示波器来说这些通讯接口都是选件。
RS-232接口是一种串行接口这种接口在PC机上一般用来通过调制解调器进行通讯还用来连接鼠标器打印机等设备。连接到PC机上的每个设备都需要单独占用PC机上的一个RS-232接口也就是说在一台PC机上只能连接有限个设备常常只能连接一个。
很多软件包都使用串行通讯方式因为这种通讯方式要求对PC机的改动最小并且可以使用比较简单的电缆所以在示波器上配备这种软件比较容易。我们只要使用一台PC机就可以存贮示波器采集的波形以作后备之用。GPIB总线是一种为在仪器系统中使用而设计的的并行总线这种总线允许多台仪器同时连至同一总线。这种总线还允许各仪器在测试协议之下随时（例如当某台仪器在测量发生错误时）请求控制器给予注意按GPIB总线的计算机可以是专用的GPIB控制器但当今最常用的还是配有GPIB插卡的标准的PC机由于GPIB插卡不是PC机的标准配置所以必须另外加配。
供GPIB使用的软件通常都在计算机上生成一个完整的测试环境将我台仪器集成为一个单独的测试系统。
打印机、绘图仪硬考贝
使单次现象重复
在很多应用场合我们遇到的信号都不是干净的正弦波或者方波比如在医疗电子学中遇到的心电信号或者开关接点的“抖动”信号等都是这种情况。
当要对这种系统的工作情况进行测试时最好使用和实际遇到的信号尽可能类似的信号来进行。
为了达到这一目的人们研制出了任意波形发生器对于一个任意波形发生器来说其输出信号是用由一个数据“字”的矩形成的时间函数来表示的把这一系列的数据“字”送往数模变换器（DAC）就产生了我们需要的输出电压。
任意波形发生器和数字存储示波器放在一起提供了一种很好的配合应用。DSO的独特能力在于捕捉实际信号的有关部分并以数据“字”的形式将存存贮起来然后把这个波形记录传送给任意波形发生器使得任意波形发生器能随时根据需要不断重新产生原来捕捉的信号甚至可以改变信号的幅度比例改变信号的频率或者将数据送往计算机作进一步的调整使得任意波形发生器能够输出原始信号经过调整修改后的波形。
为了方便把任意波形发生器和DSO配合使用多种型号的Fluke公司的组合示波器都具有“直接传送”能烽。只要在示波器和任意波形发生器之间连接一条电缆就可以把示波器捕捉的信号传送给任意波形发生器以便重新产生捕捉的信号。
