垂直系統和控制
波形垂直的位置和標度由垂直控制部分調控。垂直控制還能設置耦合方式和其他的信號條件,具體內容在本節的後面部分有講解。通用垂直控制包括:
位置和每刻度電壓
垂直位置控制使您能按照需求準確地上下移動波形。調節每刻度電壓值(通常記為volts/div,伏特/格),那麼顯示波形大小
會隨之改變。較好的通用示波器可以精確顯示信號電平範圍大概是從4微伏到40 伏特。
伏特/ 格是一個標度因數。假設分為八個主要的刻度格子,如果伏特/格設置為5伏特,則八個垂直格中的每一個都表示5伏特,那麼從下到上整個屏幕可以顯示40伏特。如果設置的是0.5 伏特/格,那麼從下到上可以顯示4伏特,依此類推。屏幕顯示的最大電壓是伏特/ 格乘上垂直刻度的數量。注意探頭有1X 或10X,它也影響標度因數。如果示波器沒有把伏特/ 格除以衰減係數,那麼您自己應該留意。
通常,伏特/格有可變的增益控制或精密增益控制,使顯示的信號標度在數個合適的刻度內。利用這樣的控制方式,方便對上升時間等的測量。
輸入耦合
耦合指的是一個電路與另外一個電路中的電信號的連接方式。既然這樣,那麼輸入耦合就指測試電路與示波器的連接。耦合方式可以設置為DC、AC或者地線。DC耦合會顯示所有輸入信號。而AC 耦合去除信號中的直流成分,結果是顯示的波形始終以零電壓為中心。圖23 圖解了兩者的不同之處。當整個信號(振蕩的電流+直接電流)大於伏特/ 格的設置時,AC 耦合非常適用。
地線
地線的設置不需要輸入信號與垂直系統相連。觀察地線,就可以知道屏幕中零電壓的位置。如果使用的是地線輸入耦合和自動觸發模式,那麼屏幕中就有一條表示零電壓值的水平線。測試信號電壓相對地的電平值的便捷方法為,把耦合從DC 轉換到地,再重新轉換回DC。
帶寬限制
大多數示波器中存在限制示波器帶寬的電路。限制帶寬後,可以減少顯示波形中不時出現的噪聲,顯示的波形會顯得更為清晰。請注意,在消除噪聲的同時,帶寬限制同樣會減少或消除高頻信號成分。交替和斷續顯示模式模擬示波器顯示多個信道時採用交替(alternate)或斷續(chop)模式。(許多數字示波器可以同時表示多個信道,而不需要使用間隔和交替模式。)
交替模式輪流繪製每一通道:示波器首先完成通道1 的掃描,馬上對通道2 進行掃描,接著又掃描通道1,如此循環。這一模式適用於中速到高速的信號,此時秒/ 格標度設置在0.5ms,甚至更快。斷續模式是示波器前後變換著描繪信號中的一小段。變換的速度相當快,人眼難以注意到,波形看上去也是一個整體。典型地,捕獲的掃描速度為1ms或者更低的慢速信號,可以採用這一模式。圖24圖解出兩者的不同之處。有時為了得到最好的顯示效果,需要在兩種模式中作出選擇。
水平系統和控制
示波器的水平系統與輸入信號有更多的直接聯繫,採樣速率和記錄長度等需要在此設定。水平控制用來表示波形水平方向的位置和標度。通用的水平控制包括:
捕獲控制
對數字示波器,用戶可以控制捕獲系統如何處理信號。在閱讀下面的說明時,請察看您自己的示波器的捕獲選項。圖25 給出的是一個捕獲菜單的例子。
捕獲模式
捕獲模式控制如何從採樣點中產生出波形點。採樣點是直接從模數轉換器(ADC)中得到的數字值。採樣間隔指的是相鄰採樣點的時間。波形點指的是存儲在存儲區內的數字值,它將重構顯示波形。相鄰波形點之間的時間差用波形間隔表示。
採樣間隔和波形間隔可以一致,也可以不一樣。由此產生出幾種不同的實際捕獲模式,其中一個波形點可以由數個捕獲的採樣點序列構成,另外有一種捕獲模式,波形點是由若干捕獲產生的採樣點共同構成。隨後將介紹最常用的捕獲模式。
捕獲模式的類型
採樣模式:這是最簡單的捕獲模式。每一個波形間隔,示波器存儲一個採樣點的值,並做為波形的一個點。峰值檢測模式:示波器將波形間隔內採樣出來的採樣點,選取其中的最小值和最大值,並把這些樣值當作兩個相關的波形點。採用峰值檢測模式的示波器以非常高的採樣速率運行ADC,即便設置的時基非常慢也是如此(慢時基等效為長的波形間隔)。採樣模式不能捕獲發生在波形點之間的快速變化的信號(參看圖26),而峰值檢測模式可以捕獲到。利用峰值檢測,非常有效地能觀察到偶爾發生的窄脈衝(如圖27 所示)。
高解析度 (Hi Res) 模式:與峰值檢測一樣,當ADC採樣快於時基的設置要求時,高解析度模式是獲取更多信息的一種方法。對於這種模式,在一個波形點時間間隔內,採多個樣值,然後算出平均值,得到一個波形點。噪聲會對結果產生負面影響,而低速信號的解析度會提高。
包絡模式:包絡模式與峰值檢測模式類似。但是包絡模式是由多次捕獲得到的多個波形的最小和最大波形點,重新組合為新波形,表示波形隨時間變化的最小/最大量。常常利用峰值檢測模式來捕獲記錄,組合為包絡波形。
平均值模式:對於平均值模式,在每一個波形間隔,示波器存儲一個採樣點,這一點與採樣模式一致。隨後處理方式則不同,該模式算出連續捕獲得到的波形點的平均值,然後產生最後的顯示波形。平均值模式在減少噪聲的同時並沒有損失帶寬,但它處理對象是重複的信號。
捕獲系統的啟動和終止
數字示波器的最大優點之一是它們能夠存儲波形,隨後再作觀察。為此目的,前面板中通常都會有一個或多個按鈕,用來啟動和終止捕獲系統,然後從容地分析波形。另外,您也許需要在一個捕獲過程完成之後,或者在某設定的記錄已經變為某種包絡或均值波形之後,讓示波器自動停止捕獲。這個特性稱為單次掃描或單次捕獲,通常在使用其他捕獲控制或者使用觸發控制時,可以控制該特性。
採樣
採樣是為方便存儲、處理和/或顯示,把部分輸入信號轉變為許多離散電信號的過程。信號在某一時刻採樣,每一個採樣點的幅度與輸入信號在那一時刻的幅度值相同。
採樣與抓拍類似。每一個瞬間圖象代表波形上某一時刻的特定點。這些瞬象按照時間順序排列起來,就能夠重構輸入信號。對數字示波器而言,一組採樣點在顯示屏上重構波形,垂直軸代表測量幅度,而水平軸表示時間,請參看圖28。
圖28 中,輸入波形在屏幕上呈現一串點。如果點距離很遠,那麼很難分辨出波形,解決方法是採用插值法連接各點。插值法利用直線或矢量連接各點。許多插值算法都可以精確顯示連續的輸入信號。採樣控制有些數字示波器可以選擇採樣的方式:實時採樣或者等效時間採樣。在示波器的捕獲控制部分可以選擇捕獲信號的採樣方式。請注意,對於慢速的捕獲信號,選擇結果是沒有差別的;只有當ADC採樣速度不夠快速,不能在一遍之內把波形點填充到記錄中時,作出選擇才是有意義的。
採樣方式
儘管有許多不同的採樣技術的實現,現在的數字示波器採用兩種基本的採樣方式:實時採樣和等效時間採樣。等效時間採樣可以進一步分為兩種子類:隨機和順序。每一種方式都根據測量對象的不同有各自獨特的優勢。
實時採樣
對於頻率範圍在示波器最大採樣速率一半以下的信號,實時採樣是理想的方式。此時,通過一次「掃描」波形,示波器就能獲得足夠多的點重構精確的圖象,如圖29 所示。為數字示波器採集快速、單脈衝和瞬態信號,實時採樣是唯一的方式。
為了精確數位化高頻瞬態事件,必需要有足夠的採樣速率,數字示波器的實時採樣才能很好的完成這樣的任務。如圖30 所示。這些事件只發生一次,必須在發生的同一時間幀內對其採樣。如果採樣速率不夠快,高頻成分可能會「混疊」為低頻信號,引起顯示混疊。另外,一旦波形經實時採樣數位化,必需的高速存儲器也帶來更多的複雜性。為精確體現高頻成分,涉及採樣率和記錄長度的概念,如果需要詳細了解,請參看性能術語和應用部分的採樣速率和記錄長度一節。
利用插值法的實時採樣。數字示波器獲取被顯示波形的離散樣值。但是,如果信號只是由各點表示,則很難觀察,特別是信號的高頻部分,獲取的點很少,更增加了觀察的難度。為增加信號的可視性,數字示波器一般都使用插值法顯示模式。
簡單地說,插值法「連接各採樣點」,即使信號在一個周期內僅採樣幾次,也能有精確的顯示。對於利用插值法的實時採樣,示波器在單程內只收集很少量的採樣點,在間隙處利用插值法進行填充。插值法是利用一些點推算出整個波形樣子的處理方法。
線性插值法在相鄰樣點處直接連接上直線。這種方法局限於重建直邊緣的信號,比如方波。參看圖31。參照圖31,sin x/x 插值法利用曲線來連接樣點,通用性更強。Sin x/x插值法利用數學處理,在實際樣點間隔中運算出結果。這種插值法彎曲信號波形,使之產生比純方波和脈衝更為現實的普通形狀。當採樣速率是系統帶寬的3 到5 倍時,sin x/x 插值法是建議的插值法。
等效時間採樣
在測量高頻信號時,示波器可能不能在一次掃描中收集足夠的樣值。如圖32 所示,當信號頻率超過示波器採樣頻率的一半時,等效時間採樣可以精確捕獲這些信號。等效時間數位化器(採樣器)利用的原理是,大多數自然產生和人為構造的對象都具有重複性。為構建重複信號的圖象,在每一個重複期內,等效時間只採樣採集少量的信息。象一串燈一盞一盞依次點亮那樣,波形逐漸累積而成。利用這樣的方式,即使信號的頻率成分遠遠高於示波器的採樣速率,也能形成精確地採樣。
有兩種等效時間採樣的方法:隨機和連續。每一種都有其優勢。隨機等效時間採樣允許輸入信號的顯示先於觸發點,而不需要使用延遲線。連續等效時間採樣提供更大的時間解析度和精度。兩者都要求輸入信號具有重複性。
隨機等效時間採樣。隨機等效時間數字轉換器(採樣器)採用內部的時鐘,它與輸入信號和信號觸發器的時鐘不同步,如圖33 所示。樣值連續不斷地獲得,而且獨立於觸發位置,顯示時則由樣值和觸發器的時間差決定。儘管採樣在時間上是連續的,但是相對於觸發器則是隨機的,由此產生了「隨機」等效時間採樣的說法。當在示波器屏幕上顯示的時候,採樣點沿著波形隨機地出現。
捕獲和顯示樣值優先於觸發點的性能是這種採樣技術的關鍵優勢,這樣,不再需要外部的預觸發信號或延遲線。取決於採樣速率和延遲時間窗,隨機採樣可以在一次觸發事件中捕獲多個樣值。然而,對於更快的掃描速度,捕獲窗口很狹窄,數字轉換器不能在每一次觸發時採到樣值。對於這些具有更快交換速度的地方,往往需要進行相當精確的定時測量,而連續等效時間採樣可以利用額外的時間分解方法,顯得非常有利。
連續等效時間採樣。連續等效時間採樣在每一個觸發捕獲一個樣值,而不依賴於時間/ 格(time/div)的設置和掃描速度,如圖34 所示。每發現一個觸發,經過一段雖然非常短卻明確的延遲,就獲得樣值。當發生下一次觸發時,延遲增加一段小的時間增量(delta t),數字轉換器則又採下一個樣值。該過程重複多次,「delta t」不斷增加到前一個捕獲量中,直到時間窗口填滿。當需要顯示到示波器屏幕中的時候,樣點從左到右沿著波形順序出現。
從技術的角度,產生一個非常短非常精確的「delta t」,與準確測量與採樣觸發點相關的垂直和水平位置相比,前者要容易的多。精確的測量延遲使連續採樣器很難控制時間間隔分辨能力。既然如此,如果採用連續採樣,一旦發現觸發電平,就對信號進行採樣,如果沒有模擬延遲線,觸發點不可能得到顯示,但是延遲線的存在會減少儀器的帶寬。如果提供外部的預觸發器,那麼帶寬就不會收到影響。
位置和秒/格
水平位置控制使波形在屏幕上左右準確移動。秒/格設置(通常記為sec/div,秒/ 格)可以使您選擇波形描繪到屏幕上的速率(也被稱為時基設置和掃描速度)。該設置是一個標度因數。如果設置為1ms,則表示水平方向每刻度表示1ms,而整個屏幕寬度代表10ms,或者10 格。改變sec/div 設置,可以看到輸入信號的時間間隔作增長和縮短的變化。
垂直方向的標度是伏特/ 格,水平方向的標度是秒/ 格。水平方向改變定時關係。在各種離散設定中,可以調節水平的時間標度。
時基選擇
示波器有時間基準,通常指的是主時基。許多示波器還有一種延遲時基,即基於一種掃描的時間,該掃描是在基於主時基的掃描之後經過預先確定的時間啟動的(或經過觸發而啟動)。使用延遲時基掃描,可以更清晰地觀察實例,或者是觀察到在主時基掃描中不能單獨看到的情況。
為了實現延遲時基,需要對時間延遲設置,還可能要使用延遲觸發模式,以及其他沒有在本讀本中涉及的設置。參照示波器同時提供的手冊,可以了解到如何使用這些特性的信息。
縮放
示波器可能有一種專門的水平放大設置,通過它,可以在屏幕上放大波形的一部分。數字存儲示波器(DSO)在存儲數字數據部分有對縮放的操作。
XY 模式
大多數模擬示波器有XY模式來顯示輸入信號,而普通的水平軸是時間基線。這種操作模式揭示了相移測量技術的這種全新領域,相移在測量技術一節中有詳細講解。
Z 軸
數字螢光示波器(DPO)具有高的顯示採樣密度,以及天生具有採集亮度信息的能力。通過亮度軸(Z 軸),DPO能提供第三個方向,與模擬示波器那樣的實時顯示很相似。觀察DPO的軌跡,可以看到亮度域,即信號經常發生的地方。從這樣的顯示中,很容易區別基本信號形狀和那些偶爾發生的瞬態信號,因為基本信號顯示出來的更亮。Z軸的一個應用是,把特殊的時間信號分別置入Z軸的輸入端,可以在波形中形成高亮顯示的表示時間間隔的「標記」點。
XYZ 模式
有一些DPO 使用Z 輸入,建立XY 顯示的亮度級。既然如此,可以把DPO 採樣到的瞬時數據值放到Z 的輸入端,這樣可以限定波形的特定部分。一旦限定採樣後,這些樣值又可以存儲下來,結果是有亮度等級的XYZ 顯示。XYZ 模式可以顯示極點,這在測試無線通信設備特別適用(例如,星座圖)。
觸發系統和控制
示波器的觸發功能可以在信號的正確點處同步水平掃描,這對表現清晰的信號特性非常重要。觸發控制可以穩定重複波形,採集單脈衝波形。觸發器使重複波形能夠在示波器屏幕上穩定顯示,實現方法是不斷地顯示輸入信號的相同部分。可以想像,如果每一次掃描的起始都從信號的不同位置開始,那麼屏幕上的圖象會很混亂,如圖35 所示。
模擬和數字示波器都有邊緣觸發的方式,邊緣觸發是最基本和常見的類型。模擬和數字示波器都提供觸發門限,除此之外,許多數字示波器提供許多特定的觸發設置,而這些設置是模擬設備所不具備的。這些觸發器可以響應輸入信號的不同條件,這樣會使檢測簡化。例如,如果一個脈衝比實際應該達到的寬度要窄。若是只使用電壓門限的觸發器,不可能檢測到這樣的脈衝。高級觸發控制使您可以單獨關注感興趣的地方,這樣可以使示波器採樣速率和記錄長度得到優化。有一些示波器提供更高級的可選控制。您可以定義由脈衝幅度觸發(比如矮脈衝),由時間限定(脈衝寬度、毛刺、信號壓擺速率、建立/ 保持時間違規和超時),以及由邏輯狀態或碼型(邏輯觸發方式)。為檢查通信信號,有一些示波器專門設計出可供選擇的觸發控制方式。有些示波器也提供簡化的用戶界面,提供適用於各種測試的觸發參數的快速配置,充分提高您的生產率。
壓擺率觸發。如果高頻信號的響應速率比期望或需要的快,則發出易出故障的能量。響應速率觸發優於傳統的邊緣觸發,這是因為增加了時間元素,以及允許您選擇觸發邊緣的快慢。
矮脈衝觸發。利用短脈衝觸發,可以採集和檢查通過一個邏輯門限,但不能同時通過二個的脈衝。
毛刺觸發。當數字脈衝比用戶定義的時間限制短或長的時候,可以利用毛刺脈衝觸發方式識別出來。即使毛刺脈衝很少,這種觸發控制能使您檢查出產生的原因,以及它們對其他信號的影響。
邏輯觸發。如果輸入通道的邏輯組合滿足觸發條件時,產生觸發,則為邏輯觸發,這特別適用於驗證數字邏輯的操作。
脈衝寬度觸發。利用脈衝寬度觸發,您可以長時間監視信號,當脈衝的持續時間(脈衝寬度)第一次超過允許範圍時,引起觸發。
建立和保持觸發。只有建立和保持觸發才能捕獲到建立和保持時間內的違例情況,使用其他模式必然會忽略掉此情況。當同步的數據信號未能滿足建立和保持規格時,採用觸發模式可輕鬆地採集到特定的信號質量和定時細節。
超時觸發。利用超時觸發,基於特定時滯設置觸發,可以不必等到觸發脈衝結束就可以產生觸發事件。
通信觸發。在一些示波器中可選。這樣的觸發適合捕獲信號交替反(Alternate-Mark Inversion, AMI)、傳號碼元反轉(Code-Mark Inversion, CMI)和不歸零碼(Non-Return to Zero, NRZ)的大範圍變化情況。
觸發位置
只有數字示波器才有水平觸發位置控制。觸發位置控制也許就在您的示波器的水平控制部分。它實際上代表的是波形記錄中觸發的水平位置。變更水平觸發位置,可以允許您採集觸發事件以前的信號,稱為預觸發視圖(pre-trigger viewing)。這樣,可以確定觸發點前面部分和後面部分所包含的可視信號的長度。
數字示波器能夠處理預觸發視圖的原因是,不管是否接收到觸發,它們一直都在處理著輸入信號。穩定的數據流流過示波器;觸發器很少告訴示波器把當前數據存儲到存儲器中。相比之下,在接收到觸發以後,模擬示波器只是顯示信號,即記錄到CRT 上。這樣,模擬示波器不能提供預觸發視圖的功能。只不過在垂直系統中,由延遲線提供了小量的預觸發。預觸發視圖是一個有價值的處理故障的工具。如果有故障間歇地發生,那麼可以利用觸發來解決這樣的問題,記錄故障發生前的事件,很有可能就能找到原因。
觸發電平和斜率
觸發電平和斜率控制定義基本的觸發點,決定波形如何顯示,如圖36所示。
觸發電路擔當比較器的工作。您選擇比較器一個輸入口的斜率和電平。當進入比較器的另外一個輸入口的觸發信號與設定值相匹配的時候,示波器產生觸發。
大多數情況,示波器設置在由被顯示信號的通道觸發。一些示波器提供觸發輸出信號,可以成為其他儀器的觸發信號。
示波器可以使用交替的觸發源,而不一定是被顯示信號。您應該小心謹慎,例如,避免無意之中以通道1 作觸發,而實際又是顯示的通道2的波形。
觸發模式
觸發模式決定示波器是否按照信號的條件描繪波形。通用觸發模式包括正常和自動。
對於正常模式,只有當輸入信號滿足設置的觸發點時,才進行掃描;否則(對模擬示波器而言)屏幕呈黑色或者(對數字示波器而言)凍結在上一次捕獲的波形圖上。由於可能不會首先看到信號,如果電平控制的調整不正確時,正常模式可能會迷失方向。
即使沒有觸發,自動模式也能引起示波器的掃描。如果沒有信號輸入,示波器中的定時器觸發掃描。這使得即使信號並不引起觸發,顯示也總不會消失。
實踐中,您可能會同時使用兩種模式:採用普通模式,因為即便觸發以很慢的速率發生,它也讓您可以觀察所感興趣的內容;而採用自動模式,因為幾乎不需要作調整。
許多示波器也包含了其他的特殊模式,適用於單個掃描、視頻信號的觸發,或者自動配置觸發電平。
觸發耦合
就象在垂直系統中選擇AC或DC那樣,可以為觸發信號選擇各種耦合方式。
除AC和DC耦合之外,您的示波器也許還有高頻抑制、低頻抑制和噪聲抑制的觸發耦合方式。這些特殊的設置對消除觸發噪聲很有用處,噪聲的消除可以避免錯誤的觸發。
觸發釋抑
有時,為了使示波器能在信號的正確部分觸發並不容易。許多示波器採用專門特性,簡化了任務。
觸發器釋抑時間是發生正確觸發後的一段時間,在這段時間內,示波器不能觸發。當觸發源是複雜波形的時候,該特性能發揮作用,其結果是,只有在適當的觸發點示波器才能觸發。圖37 圖解出如何使用觸發釋抑特性來創建出有用的顯示。
顯示系統和控制
示波器的前面板包括的內容有顯示屏、旋鈕、按鈕、開關,以及用來控制信號捕獲和顯示的指示器。本節的前面已經提及,前面板控制通常分為垂直、水平和觸發幾個區域。前面板還包括輸入連接器。來看一看示波器顯示屏。請注意屏幕中的柵格記號,這些記號形成格子線。垂直和水平線構成主刻度格。格子線通常布置為8×10的區塊。示波器控制的標號(例如伏特/ 格和秒/ 格)通常參照的是主刻度。中央的水平線和垂直線上標註的標號稱為小刻度,如圖38 所示。許多示波器的屏幕顯示的是每一個垂直刻度表示多少伏特的電壓,以及每一個水平刻度表示多少秒的時間。
模擬示波器和數字示波器的顯示系統很不相同。通用的控制如下:
其他示波器控制
也許您的示波器有相加波形的操作,形成新的波形顯示。模擬示波器組合信號,而數字示波器通過數學運算創建新的波形。波形相減是另外一種數學操作。模擬示波器實現減法運算採用的方法是把一個通道的信號反轉,然後再採用加法操作。數字示波器一般也能完成減法操作。圖39 圖解的是通過組合兩個不同信號而創建出第三個波形。數字示波器利用內部處理器,提供許多高級數學操作:相乘、相除、積分、快速傅立葉變換,等等。