數(shù)字示波器軟件設(shè)計(jì)

軟件是本數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)的核心，軟硬件能否穩(wěn)定、協(xié)調(diào)地工作是系統(tǒng)能夠?qū)?shù)字示波器快速、可靠檢定的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用性能穩(wěn)定的Windows2003 Server操作系統(tǒng)、SQL Sever2005(開(kāi)發(fā)版)數(shù)據(jù)庫(kù)以及Visual. NET2005作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C/C++作為編程語(yǔ)言，同時(shí)在驅(qū)動(dòng)程序方面選用NI公司的Lab Windows/CVI7.0做部分程序的驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)。同時(shí)采用MAX（Measurement&Automation）作為IVI驅(qū)動(dòng)配置程序。

VISA是VXI plug&play聯(lián)盟制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)。制定VISA的目的是確保不同廠商、不同接口標(biāo)準(zhǔn)的儀器能相互兼容、可以通訊和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其顯著特點(diǎn)是：VISA是采用了先進(jìn)的面向?qū)ο缶幊趟枷雭?lái)實(shí)現(xiàn)的；它是當(dāng)前所有儀器接口類(lèi)型功能函數(shù)的超集成，而且十分簡(jiǎn)潔，只有90多個(gè)函數(shù)；VISA作為標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，與儀器的I/O接口類(lèi)型無(wú)關(guān)，方便程序移植。對(duì)于驅(qū)動(dòng)程序、應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)者而言，VISA庫(kù)函數(shù)是一套可以方便調(diào)用的函數(shù)，可以控制各種設(shè)備如GPIB、VXI、PXI等。

IVI（Interchangeable Virtual Instrument）是IVI基金會(huì)為了進(jìn)一步提高儀器驅(qū)動(dòng)程序的可執(zhí)行性能，達(dá)到真正意義上的儀器互換，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序完全獨(dú)立于硬件而推出的儀器驅(qū)動(dòng)程序編程接口。IVI系統(tǒng)由IVI類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序、具體驅(qū)動(dòng)程序、IVI引擎、IVI配置實(shí)用程序、IVI配置信息文件五部分組成。類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)了上層統(tǒng)一功能的封裝，面對(duì)的是操作者，而具體驅(qū)動(dòng)程序完成與具體儀器的通信。測(cè)試程序是調(diào)用類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序，用類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序調(diào)用具體驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)試程序和硬件的無(wú)關(guān)性。IVI引擎完成狀態(tài)緩存、儀器屬性跟蹤、分類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序到具體驅(qū)動(dòng)程序的映射功能。IVI配置實(shí)用程序是采用軟件MAX創(chuàng)建和配置IVI邏輯名，在測(cè)試程序中通過(guò)傳送邏輯名給一個(gè)分類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序初始化函數(shù)，將操作映射到具體儀器及儀器驅(qū)動(dòng)程序。IVI配置信息文件記錄了所有邏輯名和從類(lèi)驅(qū)動(dòng)程序到具體儀器驅(qū)動(dòng)程序的映射信息。其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3.1 測(cè)試軟件模塊

測(cè)試軟件分為測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊、測(cè)試參數(shù)管理模塊、測(cè)試程序模塊三部分。測(cè)試數(shù)據(jù)管理模塊是管理對(duì)儀器的檢定日期、檢定人員、對(duì)具體儀器的已檢定項(xiàng)目、檢定的數(shù)據(jù)等。測(cè)試參數(shù)管理是在數(shù)據(jù)庫(kù)中管理具體儀器的各檢定項(xiàng)、檢定項(xiàng)的標(biāo)準(zhǔn)值等。測(cè)試程序模塊是根據(jù)用戶(hù)在軟面板上選定的測(cè)試參數(shù)，調(diào)用相應(yīng)的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)試，把測(cè)試數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)相比較，判斷是否合格。

2.3.2 測(cè)試軟件結(jié)構(gòu)化流程

在開(kāi)機(jī)系統(tǒng)自檢后，檢定操作員在軟件界面上選擇/輸入需要檢定的儀器型號(hào)，程序由儀器型號(hào)在數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)出相應(yīng)的檢定項(xiàng)目、被檢項(xiàng)目的標(biāo)準(zhǔn)值、被檢儀器與FLUKE5500A和GPIB控制器的連接圖。檢定員按連接圖（FLASH動(dòng)畫(huà)）連接儀器，在確認(rèn)連接正確后，檢查是否有IVI驅(qū)動(dòng)程序，在安裝驅(qū)動(dòng)程序后運(yùn)行MAX配置工具，完成配置后即可運(yùn)行相應(yīng)的測(cè)試程序，把測(cè)試結(jié)果保存到數(shù)據(jù)庫(kù)，并打印相應(yīng)的合格/不合格報(bào)告。其流程圖見(jiàn)圖3。

對(duì)于IVI儀器，廠家會(huì)提供IVI驅(qū)動(dòng)程序只需要編寫(xiě)少量代碼即可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀器的檢定，主程序簡(jiǎn)單，便于管理。IVI基金會(huì)的目標(biāo)是支持95%的儀器?；贗VI技術(shù)的數(shù)字儀器的檢定將會(huì)是儀器檢定的必然之路。

但是并不是所有的儀器都支持IVI。對(duì)于非IVI儀器，使用LabWindows/CVI中的IVI驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)向?qū)О褍x器程控命令樹(shù)中所有底層命令封裝成一系列帶有圖像面板的高層函數(shù)，完成IVI驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，使它成為IVI儀器。其特點(diǎn)是前期開(kāi)發(fā)IVI驅(qū)動(dòng)程序工作量大，但是后期測(cè)試程序開(kāi)發(fā)和維護(hù)工作量少。

數(shù)據(jù)庫(kù)管理主要包括用戶(hù)管理、被檢儀器型號(hào)管理、檢定項(xiàng)目管理、檢定報(bào)告管理、檢定項(xiàng)目指標(biāo)管理以及數(shù)據(jù)查詢(xún)6個(gè)模塊。

基于GPIB的數(shù)字示波器自動(dòng)檢定系統(tǒng)的硬件由GPIB控制器、FLUKE5500A、被檢定數(shù)字示波器和PC機(jī)以及打印機(jī)等外圍設(shè)備組成。

1.1.1 GPIB總線(xiàn)

GPIB是惠普公司于20世紀(jì)60年代末、70年代初開(kāi)發(fā)的實(shí)用儀器接口系統(tǒng)。由于對(duì)測(cè)試儀器的控制很方便，并且具有較高的傳輸速度（1Mbps）,GPIB于1975年被定為IEEE488標(biāo)準(zhǔn)，1987年修定為IEEE488.1—1987。GPIB總線(xiàn)是數(shù)字化的24腳并行總線(xiàn)，有8根線(xiàn)是地線(xiàn)和屏蔽線(xiàn)，另外16根線(xiàn)是TTL電平信號(hào)傳輸線(xiàn)，包括8根數(shù)據(jù)線(xiàn)、5根接口管理線(xiàn)和3根數(shù)據(jù)傳輸控制線(xiàn)。GPIB使用8位并行、字節(jié)串行、異步通訊方式，所有字節(jié)通過(guò)總線(xiàn)順序傳送。

GPIB系統(tǒng)設(shè)備有控者、講者和聽(tīng)者三種屬性。實(shí)際設(shè)備具有其中的一種、兩種或三種。作為控者，它可以通過(guò)尋址指定連接到總線(xiàn)上具有講者屬性的器件成為講者和具有聽(tīng)者屬性的器件作為聽(tīng)者，包括指定它自己。講者能通過(guò)總線(xiàn)向其他器件發(fā)送數(shù)據(jù)。聽(tīng)者能從總線(xiàn)上接收講者發(fā)送的數(shù)據(jù)。一般來(lái)說(shuō)在GPIB系統(tǒng)中計(jì)算機(jī)是控者，具有講、聽(tīng)、控三種屬性。為避免總線(xiàn)沖突，IEEE488規(guī)定一次只能有一個(gè)講者，但可以同時(shí)有幾個(gè)聽(tīng)者。由于GPIB系統(tǒng)中各器件的工作速度可能相差懸殊，為了保證多線(xiàn)消息能夠雙向、異步、可靠地傳輸，GPIB母線(xiàn)中設(shè)置了三條握手線(xiàn)，分別為數(shù)據(jù)有效線(xiàn)、未準(zhǔn)備好接收線(xiàn)和未收到數(shù)據(jù)線(xiàn)。

1.1.2 BC-1402-2接口控制器

在本系統(tǒng)中采用的GPIB控制器是貝卡科技公司開(kāi)發(fā)的BC-1401-2型USB-GPIB接口控制器，它帶有USB接口，把USB總線(xiàn)轉(zhuǎn)換成GPIB總線(xiàn)，操作GPIB儀器。其特點(diǎn)是：完全符合IEEE488.1和IEEE488.2國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，支持PCI、USB、Ethernet工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；數(shù)據(jù)傳輸率為900kbps,適合PC機(jī)與儀器之間的高速數(shù)據(jù)傳輸；提供了一套I/O GPIB操作函數(shù)庫(kù)，其函數(shù)與ISA總線(xiàn)的ES1400系列接口控制器相同；提供了一套符合VPP規(guī)范的虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA(Virtual Instrument Software Architecture)函數(shù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了凡是采用VISA函數(shù)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序，在更換不同廠家的不同型號(hào)的GPIB接口控制器時(shí)，應(yīng)用程序不需要作任何修改；該接口控制器可以用C/C++、VC++、VB、LabView、LabWindows/CVI、HP-VEE、Delphi等多種語(yǔ)言編制測(cè)試程序，方便而靈活。

FLUKE5500A是美國(guó)福祿克公司的一款高性能的多功能校準(zhǔn)儀，可以對(duì)手持式和臺(tái)式多用表、示波器、示波表、功率計(jì)、電子溫度表、數(shù)據(jù)采集器、功率諧波分析儀、過(guò)程校準(zhǔn)器等多種儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。FLUKE5500A提供了GPIB（IEEE-488）、RS-232、5725A三種標(biāo)準(zhǔn)接口；在安全性方面滿(mǎn)足IEC 1010-1（1992-1）、ANSI/ISA-S82.01-1994、CAN/CSA-C22.2NO.1010.1-92標(biāo)準(zhǔn)；FLUKE5500A輸出電壓可以達(dá)到1100V，電流輸出可達(dá)11A，可以提供直流電壓和電流、交流電壓和電流的多種波形和諧波，同時(shí)輸出兩路電壓，或者是一路電壓和一路電流，模擬功率、電阻、電容熱電偶和RTD。其示波器校準(zhǔn)件還提供了穩(wěn)幅正弦波、快沿、時(shí)間標(biāo)記和幅度信號(hào)。

PC作為系統(tǒng)的“主控者”，通過(guò)發(fā)布命令給GPIB接口控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)FLUKE5500A和被檢定示波器的控制，主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：儀器的初始化、復(fù)位、儀器參數(shù)設(shè)置；命令FLUKE5500A產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，同時(shí)被檢示波器顯示；讀取/保存儀器數(shù)據(jù)并傳給PC等。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字示波器憑借數(shù)字技術(shù)和軟件大大擴(kuò)展了工作能力，早期產(chǎn)品的取樣率低、存在較大死區(qū)時(shí)間、屏幕刷新率低等不足得到較大改善，以前難以觀察的調(diào)制信號(hào)、通訊眼圖、視頻信號(hào)等復(fù)合信號(hào)越來(lái)越容易觀察。數(shù)字示波器可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和分析，特別適合于捕獲復(fù)雜動(dòng)態(tài)信號(hào)中產(chǎn)生的全部細(xì)節(jié)和異?，F(xiàn)象，因而在科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了讓示波器工作在合格的狀態(tài)，對(duì)示波器定期、快速、全面的檢定，保證其量值溯源，是擺在測(cè)試工程師面前的一項(xiàng)緊迫任務(wù)。

手工檢定效率低，容易出錯(cuò)，對(duì)每一種示波器的檢定需要測(cè)試工程師翻閱大量的資料；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有準(zhǔn)確快速地測(cè)量參數(shù)、直觀地顯示測(cè)試結(jié)果、自動(dòng)存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)等特性，是傳統(tǒng)的手工測(cè)試無(wú)法達(dá)到的。用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)示波器的程控檢定將會(huì)是儀器檢定的趨勢(shì)。

GPIB、VXI、PXI是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，GPIB以性能穩(wěn)定、操作方便、價(jià)格低廉贏得用戶(hù)的認(rèn)可。這里選用了GPIB作為測(cè)試系統(tǒng)的總線(xiàn)。

區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬

帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱(chēng)示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)意想不到的誤差。

采樣速率也稱(chēng)為數(shù)字化速率，是指單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

如果示波器的輸人信號(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào)，示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍a(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號(hào)的實(shí)際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定?；斓漠a(chǎn)生如圖1所示。那么，對(duì)于一個(gè)未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過(guò)慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來(lái)，也說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭，如一個(gè)500MHz的信號(hào)，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡(jiǎn)單地防止混迭發(fā)生：

·調(diào)整掃速；

·采用自動(dòng)設(shè)置（Autoset）；

·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測(cè)方式，因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值，而峰值檢測(cè)方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測(cè)到較快的信號(hào)變化。

·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因?yàn)檫@種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類(lèi)似于用模擬示波器顯示的波形。

2.采樣速率與t/div的關(guān)系

每臺(tái)數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div，采樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div)　N為每格采樣點(diǎn)

當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí)，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù)：

表1掃速與采樣速率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25

綜上所述，使用數(shù)字示波器時(shí)，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。

數(shù)字示波器的上升時(shí)間

在模擬示波器中，上升時(shí)間是示波器的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中，上升時(shí)間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測(cè)量方法的原因，以致于自動(dòng)測(cè)量出的上升時(shí)間不僅與采樣點(diǎn)的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點(diǎn)中間，這時(shí)上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點(diǎn)，則同樣的波形，上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時(shí)間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測(cè)量同一波形時(shí)的一組掃速與上升時(shí)間的數(shù)據(jù)：

表2掃速與上升時(shí)間

t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216

由上面這組數(shù)據(jù)可以看出，雖然波形的上升時(shí)間是一個(gè)定值，而用數(shù)字示波器測(cè)量出來(lái)的結(jié)果卻因?yàn)閽咚俨煌嗖钌踹h(yuǎn)。模擬示波器的上升時(shí)間與掃速無(wú)關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時(shí)間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點(diǎn)的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時(shí)，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測(cè)出的時(shí)間來(lái)反推出信號(hào)的上升時(shí)間。

數(shù)字示波器，英文名：Digital Oscilloscope

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。

應(yīng)用本方法組建的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)IVI儀器Hp54815等進(jìn)行了檢定，對(duì)非IVI儀器XJ4321等開(kāi)發(fā)了IVI驅(qū)動(dòng)程序，對(duì)其垂直靈敏度、瞬態(tài)響應(yīng)、穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、掃描時(shí)間因素誤差、掃描時(shí)間因素線(xiàn)性誤差5項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行檢定，保存檢定結(jié)果并打印檢定證書(shū)。實(shí)踐證明：檢定過(guò)程變得快速和簡(jiǎn)單；自動(dòng)檢定和人工檢定的結(jié)果是一致的。

本文介紹的數(shù)字示波器檢定系統(tǒng)以GPIB為總線(xiàn)，綜合運(yùn)用了IVI技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器的自動(dòng)檢定，具有操作方便、可擴(kuò)展性強(qiáng)、工作穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，為組建功率計(jì)、頻譜分析儀、任意波形/函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字多用表的綜合數(shù)字儀器自動(dòng)檢定系統(tǒng)提供了參考。

數(shù)字示波器因具有波形觸發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、測(cè)量、波形數(shù)據(jù)分析處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，其使用日益普及。由于數(shù)字示波器與模擬示波器之間存在較大的性能差異，如果使用不當(dāng)，會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差，從而影響測(cè)試任務(wù)。

區(qū)分模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬

帶寬是示波器最重要的指標(biāo)之一。模擬示波器的帶寬是一個(gè)固定的值，而數(shù)字示波器的帶寬有模擬帶寬和數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬兩種。數(shù)字示波器對(duì)重復(fù)信號(hào)采用順序采樣或隨機(jī)采樣技術(shù)所能達(dá)到的最高帶寬為示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬與最高數(shù)字化頻率和波形重建技術(shù)因子K相關(guān)（數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬=最高數(shù)字化速率/K），一般并不作為一項(xiàng)指標(biāo)直接給出。從兩種帶寬的定義可以看出，模擬帶寬只適合重復(fù)周期信號(hào)的測(cè)量，而數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬則同時(shí)適合重復(fù)信號(hào)和單次信號(hào)的測(cè)量。廠家聲稱(chēng)示波器的帶寬能達(dá)到多少兆，實(shí)際上指的是模擬帶寬，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬是要低于這個(gè)值的。例如說(shuō)TEK公司的TES520B的帶寬為500MHz，實(shí)際上是指其模擬帶寬為500MHz，而最高數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬只能達(dá)到400MHz遠(yuǎn)低于模擬帶寬。所以在測(cè)量單次信號(hào)時(shí)，一定要參考數(shù)字示波器的數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬，否則會(huì)給測(cè)量帶來(lái)意想不到的誤差。

有關(guān)采樣速率

采樣速率也稱(chēng)為數(shù)字化速率，是指單位時(shí)間內(nèi)，對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，常以MS/s表示。采樣速率是數(shù)字示波器的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1.如果采樣速率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象

如果示波器的輸人信號(hào)為一個(gè)100KHz的正弦信號(hào)，示波器顯示的信號(hào)頻率卻是50KHz，這是怎么回事呢？這是因?yàn)槭静ㄆ鞯牟蓸铀俾侍a(chǎn)生了混迭現(xiàn)象。混迭就是屏幕上顯示的波形頻率低于信號(hào)的實(shí)際頻率，或者即使示波器上的觸發(fā)指示燈已經(jīng)亮了，而顯示的波形仍不穩(wěn)定。混迭的產(chǎn)生如圖1所示。那么，對(duì)于一個(gè)未知頻率的波形，如何判斷所顯示的波形是否已經(jīng)產(chǎn)生混迭呢？可以通過(guò)慢慢改變掃速t/div到較快的時(shí)基檔，看波形的頻率參數(shù)是否急劇改變，如果是，說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生；或者晃動(dòng)的波形在某個(gè)較快的時(shí)基檔穩(wěn)定下來(lái)，也說(shuō)明波形混迭已經(jīng)發(fā)生。根據(jù)奈奎斯特定理，采樣速率至少高于信號(hào)高頻成分的2倍才不會(huì)發(fā)生混迭，如一個(gè)500MHz的信號(hào)，至少需要1GS/s的采樣速率。有如下幾種方法可以簡(jiǎn)單地防止混迭發(fā)生：

·調(diào)整掃速；

·采用自動(dòng)設(shè)置（Autoset）；

·試著將收集方式切換到包絡(luò)方式或峰值檢測(cè)方式，因?yàn)榘j(luò)方式是在多個(gè)收集記錄中尋找極值，而峰值檢測(cè)方式則是在單個(gè)收集記錄中尋找最大最小值，這兩種方法都能檢測(cè)到較快的信號(hào)變化。

·如果示波器有Insta Vu采集方式，可以選用，因?yàn)檫@種方式采集波形速度快，用這種方法顯示的波形類(lèi)似于用模擬示波器顯示的波形。

2.采樣速率與t/div的關(guān)系

每臺(tái)數(shù)字示波器的最大采樣速率是一個(gè)定值。但是，在任意一個(gè)掃描時(shí)間t/div，采樣速率fs由下式給出：

fs=N/(t/div) N為每格采樣點(diǎn)

當(dāng)采樣點(diǎn)數(shù)N為一定值時(shí)，fs與t/div成反比，掃速越大，采樣速率越低。下面是TDS520B的一組掃速與采樣速率的數(shù)據(jù)：

表1掃速與采樣速率

t/div（ns）1252550100200fs（GS/s）502510210.50.25

綜上所述，使用數(shù)字示波器時(shí)，為了避免混迭，掃速檔最好置于掃速較快的位置。如果想要捕捉到瞬息即逝的毛刺，掃速檔則最好置于主掃速較慢的位置。

數(shù)字示波器的上升時(shí)間

在模擬示波器中，上升時(shí)間是示波器的一項(xiàng)極其重要的指標(biāo)。而在數(shù)字示波器中，上升時(shí)間甚至都不作為指標(biāo)明確給出。由于數(shù)字示波器測(cè)量方法的原因，以致于自動(dòng)測(cè)量出的上升時(shí)間不僅與采樣點(diǎn)的位置相關(guān)，如圖2中a表示上升沿恰好落在兩采樣點(diǎn)中間，這時(shí)上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的0.8倍。圖2中的b的上升沿的中部有一采樣點(diǎn)，則同樣的波形，上升時(shí)間為數(shù)字化間隔的1.6倍。另外，上升時(shí)間還與掃速有關(guān)，下面是TDS520B測(cè)量同一波形時(shí)的一組掃速與上升時(shí)間的數(shù)據(jù)：

表2掃速與上升時(shí)間 t/div（ms）502010521tr(μs)800320160803216

由上面這組數(shù)據(jù)可以看出，雖然波形的上升時(shí)間是一個(gè)定值，而用數(shù)字示波器測(cè)量出來(lái)的結(jié)果卻因?yàn)閽咚俨煌嗖钌踹h(yuǎn)。模擬示波器的上升時(shí)間與掃速無(wú)關(guān)，而數(shù)字示波器的上升時(shí)間不僅與掃速有關(guān)，還與采樣點(diǎn)的位置有關(guān)，使用數(shù)字示波器時(shí)，我們不能象用模擬示波器那樣，根據(jù)測(cè)出的時(shí)間來(lái)反推出信號(hào)的上升時(shí)間。

1.體積小、重量輕，便于攜帶，液晶顯示器

2.可以長(zhǎng)期貯存波形，并可以對(duì)存儲(chǔ)的波形進(jìn)行放大等多種操作和分析

3.特別適合測(cè)量單次和低頻信號(hào)，測(cè)量低頻信號(hào)時(shí)沒(méi)有模擬示波器的閃爍現(xiàn)象

4.更多的觸發(fā)方式，除了模擬示波器不具備的預(yù)觸發(fā)，還有邏輯觸發(fā)、脈沖寬度觸發(fā)等

5.可以通過(guò)GPIB、RS232、USB接口同計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、繪圖儀連接，可以打印、存檔、分析文件

6.有強(qiáng)大的波形處理能力，能自動(dòng)測(cè)量頻率、上升時(shí)間、脈沖寬度等很多參數(shù)

1.失真比較大，由于數(shù)字示波器是通過(guò)對(duì)波形采樣來(lái)顯示，采樣點(diǎn)數(shù)越少失真越大，通常在水平方向有512個(gè)采樣點(diǎn)，受到最大采樣速率的限制，在最快掃描速度及其附近采樣點(diǎn)更少，因此高速時(shí)失真更大。

2.測(cè)量復(fù)雜信號(hào)能力差，由于數(shù)字示波器的采樣點(diǎn)數(shù)有限以及沒(méi)有亮度的變化，使得很多波形細(xì)節(jié)信息無(wú)法顯示出來(lái)，雖然有些可能具有兩個(gè)或多個(gè)亮度層次，但這只是相對(duì)意義上的區(qū)別，再加上示波器有限的顯示分辨率，使它仍然不能重現(xiàn)模擬顯示的效果。

3.可能出現(xiàn)假象和混淆波形，當(dāng)采樣時(shí)鐘頻率低于信號(hào)頻率時(shí)，顯示出的波形可能不是實(shí)際的頻率和幅值。數(shù)字示波器的帶寬與取樣率密切相關(guān)，取樣率不高時(shí)需借助內(nèi)插計(jì)算，容易出現(xiàn)混淆波形。

[1] Lab Windows/CVI Instrument Driver Developer Guide[Z]. Agilent 2003 Edition 370699A-01.

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數(shù)字示波器自上個(gè)世紀(jì)七十年代誕生以來(lái)，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛，已成為測(cè)試工程師必備的工具之一。隨著近幾年來(lái)電子技術(shù)取得突破性的發(fā)展，全世界數(shù)字示波器市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大，而作為在世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中扮演重要角色的中國(guó)，飛速發(fā)展的電子產(chǎn)業(yè)也催生了更龐大的數(shù)字示波器需求市場(chǎng)。

面對(duì)如此龐大的市場(chǎng)，世界以及中國(guó)本土示波器制造商一方面增強(qiáng)中國(guó)市場(chǎng)的進(jìn)軍力度，另一方面也緊貼市場(chǎng)的需求，最大程度的滿(mǎn)足用戶(hù)的實(shí)際使用需求。RIGOL(北京普源精電科技發(fā)展有限公司)總經(jīng)理李維森指出：目前新的技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越多，測(cè)試要求也越來(lái)越高，誰(shuí)能不斷滿(mǎn)足用戶(hù)不斷變化的測(cè)試需求，誰(shuí)就能贏得市場(chǎng)。

不斷滿(mǎn)足行業(yè)應(yīng)用新標(biāo)準(zhǔn)

一些業(yè)內(nèi)主要廠商，例如微軟，Intel，三星或者西門(mén)子等等，他們?cè)趯?shí)現(xiàn)各自的遠(yuǎn)景目標(biāo)過(guò)程中都會(huì)借助很多的行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)。就拿PC來(lái)說(shuō)，一個(gè)PC內(nèi)所含的新標(biāo)準(zhǔn)不下二十種。作為測(cè)試平臺(tái)的提供者，為PC行業(yè)的用戶(hù)提供測(cè)試方案時(shí)，就必須考慮這二十多種新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并根據(jù)這些標(biāo)準(zhǔn)為PC行業(yè)的用戶(hù)分別提供測(cè)試軟件和解決方案。在今后的通信和娛樂(lè)消費(fèi)電子行業(yè)，特別是電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，新的應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)不斷涌現(xiàn)，電子設(shè)計(jì)工程師在技術(shù)開(kāi)發(fā)的過(guò)程中每天都要面臨著這些新技術(shù)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。示波器制造企業(yè)就需要針對(duì)這些新的標(biāo)準(zhǔn)推出自己的解決方案和工具，從而幫助用戶(hù)基于這些新的技術(shù)開(kāi)發(fā)出新的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品最終能夠促進(jìn)整個(gè)電子行業(yè)的發(fā)展。

在與國(guó)外測(cè)試測(cè)量巨頭的博弈中，示波器領(lǐng)域，中國(guó)企業(yè)已取得非常大的突破。RIGOL公司作為中國(guó)儀器界崛起的生力軍，繼DS5000系列數(shù)字示波器創(chuàng)下銷(xiāo)售佳績(jī)，獲得專(zhuān)業(yè)人士好評(píng)之后，于2006年初又投下一顆重磅炸彈，推出一款性能卓著的緊湊型數(shù)字存儲(chǔ)示波器――DS1000系列。DS1000系列在性能上不僅全面超過(guò)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品，打破了在這個(gè)領(lǐng)域國(guó)外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，同時(shí)又在原DS5000系列產(chǎn)品上大膽創(chuàng)新，使DS1000系列成為為數(shù)不多體積小巧、功能強(qiáng)大、性能卓越的低端數(shù)字示波器，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。

在很多生產(chǎn)領(lǐng)域，數(shù)字產(chǎn)品離不開(kāi)模擬產(chǎn)品的配合，各種新型應(yīng)用對(duì)模擬產(chǎn)品提出了新要求，同時(shí)也影響著模擬產(chǎn)品的發(fā)展方向。以目前市場(chǎng)熱點(diǎn)3G手機(jī)為例，其實(shí)數(shù)字算法問(wèn)題早已解決，但電源待機(jī)時(shí)間、聲音效果、背光等還不能滿(mǎn)足用戶(hù)的需求，而這些都屬于模擬技術(shù)的范疇。

此外，信號(hào)傳輸在現(xiàn)代工程中是很重要的一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)，通常使用多芯電纜將模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)獨(dú)立多線(xiàn)傳輸。但在信號(hào)傳輸中，數(shù)字信號(hào)將對(duì)模擬信號(hào)產(chǎn)生干擾，目前采用的解決方法是可以設(shè)計(jì)這樣一個(gè)系統(tǒng)：利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)在單線(xiàn)中的混合傳輸。而這其中的測(cè)試和調(diào)試就要求示波器必須能構(gòu)對(duì)數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)同時(shí)進(jìn)行分析和顯示。使用DS1000示波器可以同時(shí)采集16路輸入DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)的數(shù)字信號(hào)和兩路輸出的模擬信號(hào)。這一性能給數(shù)字模擬混合信號(hào)的開(kāi)發(fā)、測(cè)量和調(diào)試帶來(lái)了極大的方便。

李維森表示，RIGOL近幾年中之所以能夠快速增長(zhǎng)，其中的一個(gè)重要原因就是利用強(qiáng)大的本土優(yōu)勢(shì)，能很好地應(yīng)對(duì)來(lái)自客戶(hù)和整個(gè)行業(yè)的一系列新標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果就是用戶(hù)能夠更快更好地完成他們的工作。

功能集成趨勢(shì)明顯

有關(guān)專(zhuān)家指出，在今后幾年中，高速數(shù)據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)還將面臨著一個(gè)非常重要的發(fā)展趨勢(shì)，這就是不論是開(kāi)發(fā)未來(lái)的手機(jī)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)還是高速通信系統(tǒng)，用戶(hù)會(huì)越來(lái)傾向于同時(shí)使用一臺(tái)示波器和一臺(tái)頻譜分析儀，來(lái)同時(shí)從不同的角度全方位地捕獲和分析系統(tǒng)中的信號(hào)，從而解決來(lái)源于不同角度的問(wèn)題。今后市場(chǎng)的發(fā)展讓示波器需要面對(duì)更多的應(yīng)用，因此示波器的多功能集成對(duì)于測(cè)試供應(yīng)商來(lái)說(shuō)更為重要。所以企業(yè)在開(kāi)發(fā)測(cè)試平臺(tái)時(shí)不僅要提供多功能硬件平臺(tái)，同時(shí)也通過(guò)提供合理的應(yīng)用軟件來(lái)豐富測(cè)試平臺(tái)，能夠去面對(duì)各種復(fù)雜的測(cè)試任務(wù)。

目前國(guó)內(nèi)外示波器制造商都在向這個(gè)方向發(fā)展。RIGOL新近推出的DS1000系列數(shù)字示波器具有相當(dāng)卓越的性能指標(biāo)和眾多強(qiáng)大的功能。DS1000系列是目前市場(chǎng)上唯一包含了邏輯分析模塊的低端數(shù)字示波器，不僅如此它還具備豐富的觸發(fā)功能和獨(dú)一無(wú)二的可調(diào)觸發(fā)靈敏度，用戶(hù)可用一臺(tái)示波器同時(shí)觀測(cè)模擬和數(shù)字信號(hào)，并可以在各種復(fù)雜信號(hào)中穩(wěn)定觸發(fā);顯示器采用16位彩色TFT液晶顯示系統(tǒng)，使波形顯示更加清晰;DS1000存儲(chǔ)深度最大可達(dá)1M，正常模式也可達(dá)到512K。

除了以上創(chuàng)新功能外，DS1000還具有諸如模擬顯示、數(shù)字濾波器、波形錄制、波形亮度調(diào)節(jié)、USBHOST功能，并支持U盤(pán)和USB接口打印機(jī)，滿(mǎn)足客戶(hù)多方面的操作需求。使用戶(hù)在測(cè)試過(guò)程中，真正達(dá)到一次多測(cè)量的功能需求。

專(zhuān)家強(qiáng)調(diào)，電子新技術(shù)的發(fā)展，使得工程師的測(cè)試工作越來(lái)越繁瑣，也使得他們的任務(wù)越來(lái)越重，很明顯這些工程師更趨向于能夠一次可以實(shí)現(xiàn)多測(cè)試功能，節(jié)省工作時(shí)間，提高工作效率的數(shù)字示波器。

在多功能的應(yīng)用中，觸發(fā)功能顯得非常重要，示波器觸發(fā)決定了利用示波器能夠捕獲、觀看和測(cè)量的信號(hào)。觸發(fā)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)體現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在頻率范圍頂部附近捕獲信號(hào)時(shí)，對(duì)信號(hào)振幅的要求則是觸發(fā)靈敏度與模擬采樣帶寬相匹配。

在工程師的日常工作中，經(jīng)常要觀察一些特殊信號(hào)的變化過(guò)程，但是之前所使用的示波器只具有上升或下降沿觸發(fā)的功能，并且只針對(duì)單個(gè)信號(hào)。DS1000系列示波器的觸發(fā)方式有一種就是上升&下降沿觸發(fā)，解決了這個(gè)難題。斜率觸發(fā)是根據(jù)信號(hào)的上升/下降時(shí)間的快慢來(lái)判斷觸發(fā)，相比邊沿觸發(fā)更加靈活和準(zhǔn)確。而DS1000系列示波器的觸發(fā)功能中，交替觸發(fā)功能顯示出了明顯的優(yōu)勢(shì)。交替觸發(fā)功能是模擬示波器的功能在數(shù)字示波器中的重現(xiàn)，這一功能保證了即使是兩個(gè)非同步信號(hào)，也能夠同時(shí)穩(wěn)定的觸發(fā)，大大提高了工作效率。

趨于美觀、更具移動(dòng)性

當(dāng)一個(gè)行業(yè)以及產(chǎn)品發(fā)展到極度成熟的時(shí)候，實(shí)用性與藝術(shù)性都會(huì)同時(shí)體現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)代數(shù)字示波器除了追求強(qiáng)大的功能以外，外觀精美、款式小巧，便于移動(dòng)也成為發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)。

具有強(qiáng)大功能的DS1000系列最直觀的特點(diǎn)就是它的超薄設(shè)計(jì)和精巧外觀。多年來(lái)，示波器制造商一直遵循CRT領(lǐng)域的設(shè)計(jì)規(guī)則，示波器在體積方面要能夠適應(yīng)深CRT和相關(guān)電子器件。這導(dǎo)致其包裝很大、通常也很笨重，很難移動(dòng)或很難安放在工程師的工作臺(tái)上。而DS1000系列緊湊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)使得其厚度僅僅只有154mm，體積是同類(lèi)產(chǎn)品的1/3左右。小巧的體積大大減少了桌面的占用面積，非常適合擁擠的工作臺(tái)使用，而且便于攜帶。不僅如此，外觀完美的圓弧曲線(xiàn)設(shè)計(jì)、精致的按鈕大大增加了機(jī)器的美感和觸感。

本書(shū)從理論和實(shí)踐兩方面介紹了數(shù)字示波器的基礎(chǔ)理論和具體應(yīng)用，分為上、下兩卷。上卷介紹數(shù)字示波器的工作原理，從被測(cè)對(duì)象的特征、示波器硬件結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵概念和技術(shù)點(diǎn)、波形參數(shù)測(cè)量定義、探頭技術(shù)原理等角度探討數(shù)字示波器的工作原理和相關(guān)概念。下卷介紹數(shù)字示波器在測(cè)試各種總線(xiàn)和接口標(biāo)準(zhǔn)上的具體應(yīng)用，從通用的測(cè)量分析(抖動(dòng)、眼圖、均衡、嵌入、去嵌入)，到具體的低速和高速總線(xiàn)和接口的測(cè)量，比較全面地介紹了數(shù)字示波器的各種具體應(yīng)用。本書(shū)適合從事電子工程領(lǐng)域和通信工程領(lǐng)域的數(shù)字系統(tǒng)研發(fā)和測(cè)試工作者，以及大專(zhuān)院校電子工程、通信工程、電子測(cè)量與儀器儀表等專(zhuān)業(yè)的師生閱讀。