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数字存储示波器原理

数字存储示波器原理

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较常见的控制机构。

预触发和后触发

　　在*1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，衡水示波器，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。

毛刺捕获

　　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？

图29 叠加了毛刺的正弦波

　　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。

　　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获这些快速毛刺。

　　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，那么能否捕获到毛刺就看运气如何了。为了能够捕获到毛，我们的办法就是峰值检测或毛刺捕获。

　　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获调制信号，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，不使用行刺捕获功能，就不能正确地采集信号，而使用了毛刺捕获功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。

如果一段信号每隔8小时中故障若干次，但故障的位置和次数全都随机。你觉得，这种信号要怎么抓?

针对空闲时间较长的、高频的串行信号、小概率的猝发或毛刺信号，如何做到既可以长时间监控，又可高率捕获呢?本文结合测试时长8小时振动试验，捕获小概率失效区信号的案例，对的应用进行探讨。

一、8小时检测试验

以振动试验的连接器测试为例，整个过程中，监测连接器可能出现次失效区的次数，进而检测产品是否合格。

测试需求：

整个振动试验时长8个小时，在整个过程中连接器可能会出现0~几十次失效区，时长是300ns以上，幅值大小不确定(正常情况下电平为1V)。

测试难点：

1、震动试验时长8小时，示波器基于大时基录波难以实现，并且采样率也不够;

2、振动实验室干扰较大，失效时的尖峰波形和杂波混杂在一起，不易测试失效区信号。

图1 测试波形

针对上述测试难题，示波器的分段存储功能提供了良好的解决方案。

首先，根据异常信号的特征，设置好示波器捕获触发条件(包括触发电平、触发方式、时基、分段存储，分段段数等)，进行8个小时的振动试验监测，捕获异常情况如下图：

图2异常捕获

图3分段存储

如上图3所示，在长达8个小时的测试周期中，捕获了106段异常波形，上图为*9段和*13段的失效区异常情况及信号特征，当前采样率仍为4GSa/s。

也就是说，分段存储可以解决你守着示波器的问题!

二、什么是分段存储

分段存储在采集过程中进行多次触发，数字存储示波器，对每次触发采样得到的数据存放到将存储空间分成的一段一段小的存储中。示波器触发一次填充一个段，段与段之间的空闲信号或信号不感兴趣的部分没有被采集和存储。

原理如下图所示：总的存储深度分为n段，手持示波器，*1段用于显示，*2段开始存储，也就是当发生**次触发时采集的数据存储到*2段存储空间中，当*2段存储空间存储满之后，结束**次触发，等待*二次触发的到来，触发后把数据存储到*3段存储空间中，以此类推。

图4分段存储结构图

如果示波器总的存储深度为512Mpts，段数分配计算公式如下：

N=512*1024*1024/【当前存储容量向2^n次幂取整】-1。

三、分段存储如何设置?

如果示波器存储为512Mpts，在保持4GSa/s采样率的情况下，支持分段存储范围：1~524287段。

点击【Seg】，通过调节时基档位，在560Kpts存储深度的状态下，将分成255段进行存储和采集，如下图5：

图5 分段存储设置

设置触发方式为【普通】，将触发电平调到合适的位置，等待小概率异常信号到来。

图6 触发方式设置

通过手指触碰，可模拟小概率异常信号的发生，等分段存储完成，点击【Stop】，点击【当前段】可通过旋转旋钮A/B查看所有分段存储情况，如图为*45段存储的波形。

图7 分段存储结果

四、分段存储的应用场合

1、低脉冲或猝发信号——信号与信号之间有较长的空闲时间，很多情况下，即使有较大的存储，通过降低采样率的方式也很难达到想要的采集时长，而分段存储可以很好的完成。

图8低占空比脉冲信号

2、串行总线分析——串行总线以数据包的方式进行传输，包与包之间空闲时间会占用示波器宝贵的存储资源，采用分段存储，示波器可以只采集数据包，空闲时间不采样。在保持较高采样率下，还可以采集较多的数椐包，方便解吗分析。

图9总线分析

分段存储功能主要解决了小概率异常信号的长时间监控，同时又保持高采样率的问题。对于有限的存储而言，若想采样更长时间的波形，只能降低采样率，即使降低采样率，也不能满足采样时间长度的要求，而通过分段存储，将存储分成若干段，对段与段之间的空闲信号不触发采样，进而保持高采样率，也就是不丢失信号细节信息的同时长时间采集感兴趣的信号。