数字存储示波器的基本组成、基本原理和主要技术指标

数字储存示波器（Digital Storage Oscilloscope——DSO），先将输入的模拟信号经A/D变换为数字信号，存储在存储器RAM中；需要显示时，读出RAM中的数据，通过D/A恢复为模拟量，显示在屏幕上。其信号处理与显示功能独立。
DSO使用简单，可观测触发前的信号。使用X—Y方式观测波形时，两通道几乎没有相位差，准确度高。目前DSO基本都采用液晶显示器等平板显示器，显示图形稳定无闪烁，观测方便。
1.数字存储示波器的组成原理
数字存储示波器的基本原理方框图如图1所示，它有实时和存储两种工作模式。当处于实时工作模式时，其电路组成原理与一般模拟示波器一样。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地放大或衰减，然后再经过“取样”和“量化”两个过程的数字化处理，将模拟信号转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出，并经D/A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至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，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输入信号。

图1  数字存储示波器基本原理框图
将数字存储技术和CPU微处理器用于取样示波器，可以构成存储取样示波器。
2.数字存储式波器的工作方式

1. 数字存储器的功能

数字存储示波器的随机存储器RAM按功用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；测量数据存储器存放测量与计算的中间数据和计算结果；显示缓冲存储器存放欲显示的数据。

1. 触发工作方式

数字存储示波器的触发包括常态触发和预置触发两种方式。

1. 常态触发——常态触发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。
2. 预置触发——预置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。由于触发点位置不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形。预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性。
1. 测量与计算工作方式

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。自动测量是由示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。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按键的控制下移动，测量时，示波器在测量程序控制下，根据光标位置来完成测量，并将测量结果显示在荧光屏上。

1. 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，在屏幕下方显示一排菜单，屏幕右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。
3.数字存储式波器的显示方式
数字存储示波器的显示方式有基本显示、抹迹显示、卷动显示、放大显示和X—Y显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。

1. 存储显示

存储显示方式是在一次触发形成并完成信号数据的存储后，依次将欲显示的数据读出并进行D/A变换，然后将信号稳定地显示在荧光屏上。

1. 抹迹显示

抹迹显示方式适于观测一长串波形中在一定条件下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但瞬态信号未出现时，实现末端触发，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地显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中。

1. 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，一种是用新波形逐渐代替旧波形，变化点自左向右移动；另一种是波形从右端推入向左移动，在左端消失。

1. 放大显示

放大显示方式适于观测信号波形细节，此方式是利用延迟扫描方法实现的，如图所示。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。

1. X—Y显示

X—Y显示方式与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示李沙育图形。

1. 显示的内插

数字存储示波器是将取样数据显示出来，但采样点较少时会造成视觉误差，使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决这一问题。
数据点插入技术主要有线性插入和曲线插入两种方式。线性插入法仅按直线方式将一些点插入到采样点之间。曲线式插入法以曲线形式将点插入到采样点之间，曲线式插入法可以用较少的插入点构成非常圆滑的曲线。
4.数字存储示波器的特点

1. 波形的采样/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，不受取样速率的限制，因而可以获得清晰而稳定的波形。
2. 能长时间地保存信号——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。
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。
4. 测量准确度高——数字存储示波器由于采用晶振作高稳定时钟，有很高的测时准确度，采用高分辨率A/D转换器也使幅度测量准确度大大提高。
5. 很强的数据处理能力——数字存储示波器内含微处理器，因而能自动实现多种波形参数的测量与显示。还具有自检与自校等多种自动操作功能。
6. 外部数据通信接口——数字存储示波器可以很方便地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接口与计算机一起构成自动测试系统。

5.数字存储示波器的主要技术指标
数字存储示波器的性能指标，主要取决于A/D、D/A和RAM。

1. 最高取样速率——最高取样速率指单位时间内取样的次数，也称数字化速率，用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量。取样速率愈高，仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。

数字存储示波器在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（t/div，即扫描一格所用的时间）来推算。

• 存储带宽(B)——存储带宽与取样速率fs密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等于信号频率的2倍，便可重现原信号。实际上，为保证显示波形的分辨率，一般取N=4~10倍或更多，即存储带宽。
• 分辨率——分辨率指示波器能分辨的最小增量。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A/D转换器的分辨率相对应，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。
• 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）的最大存储容量来表示，常以字(word)为单位。
• 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。