示波器基础 - 示波器块示意图和工作原理

传统数字存储示波器 (DSO) 块示意图

传统数字存储示波器 (DSO) 块示意图

ADC 块

上图显示典型数字存储示波器 (DSO)的一个采集通道的块示意图。黄色阴影块表示单个采集通道 （如通道 1 或通道 2）的独特系统组件。蓝色阴影块表示所有采集通道 （如示波器的常用时基和 CPU 系统）中常用的系统组件。

此块示意图中间附近显示的是模数转换器 (ADC)。ADC 块是所有 DSO 的核心／中心组件。此块的功能是将模拟输入转换为一连串数字。目前的大多数 DSO 都利用 8 位 ADC，这种 ADC 提供 256 个独特的数字输出电平／代码。这些数字二进制代码存储在示波器的采集存储器中，这块内容将在后面讨论。如果 ADC 的模拟输入电平小于或等于 –V，则 ADC 的输出将为 00000000 （0 十进制）。如果 ADC 的模拟输入电平大于或等于 +V，则 ADC 的输出将为 11111111 （255 十进制）。如果 ADC 的模拟输入电平等于 0.0 V，则 ADC 的输出将为 10000000（128 十 进制）。

要获得最高分辨率和准确的测量，ADC 的输入标定必须在其动态范围内，即 ± V。尽管根据 ADC 的参考电压 (± V)，ADC 具有有限且固定的输入动态范围，但是示波器必须能够捕获广泛的动态信号，包括高电平和低电平输入信号。标定属于 ADC 动态范围内的 ADC 模拟输入是衰减器、DC 偏移和放大器块的一项组合功能，将在下面进行论述。

衰减器块

衰减器块基本上是一个电阻分割器网络，用于标定属于示波器可变增益模拟放大器和 ADC 内动态范围的输入信号。输入高电平输入信号 （如 40 Vpp）时，必须降低 （衰减）信号电平。如果输入低电平输入信号 （如 10 mVpp），则输入信号将被传递到放大器，没有任何衰减 (1:1)。更改示波器的 V/div 设置时，可能会听到滴答声。听到的滴答声是机械继电器在不同的电阻分割器网络中切换发出的声音。请注意，衰减器块还包括用户可选择的输入阻抗 （1 MΩ 或 50 Ω）以及 AC 或 DC 输入耦合的切换。

DC 偏移块

输入带有 DC 偏移的信号 （如在 0V 到 5V 之间摆动的数字信号）时，如果要在示波器显示屏的中心显示此信号，则必须将相反极性的内部 DC 偏移添加到该信号，以便可将输入信号移动到 ADC 的动态范围内。或者，可以选择 AC 耦合，以消除输入信号的 DC 分量。

放大器块

标定属于 ADC 系统的动态范围内的输入信号的最终模拟处理平台是示波器的可变增益放大器。如果输入电平非常低的输入信号，则通常应将 V/div 设置设为相对低的设置。使用低 V/div 设置时，衰减器平台随后会将此信号直接传递到放大器，而不会有任何衰减 （增益 =1），随后放大器将增大信号幅度 （增益＞ 1），以便充分利用 ADC 的完整动态范围。如果输入电平非常高的输入信号，则通常应将 V/div 设置设为相对高的设置。使用高 V/div 设置时，衰减器平台首先会衰减输入信号 （增益 < 1）以在放大器的动态范围内获取它，接着放大器会进一步衰减信号 （增益 <1）以便在 ADC 的动态范围内获取它。

请注意，当您选择特定的 V/div 设置时，示波器会自动确定衰减器块中所需的衰减量以及放大器块中所需的增益量 （或者可能其他衰减）。可以考虑将衰减器块、DC 偏移块和放大器块作为模拟输入信号的单个块，前提条件是根据示波器特定通道的 V/div 和偏移设置，以线性方式确定 ADC 块动态范围内输入信号的条件。

触发比较器和触发逻辑块

触发比较器和触发逻辑块的作用是在用于建立同步采集的输入信号 （或多个输入信号的组合）上建立唯一时间点。完成本文档中的实验 #2 （了解示波器触发的基本知识）后，您应该对触发的大体概念有了更深的了解。

假设输入信号是正弦波，并且您希望在正弦波处于 50% 电平时在上升沿触发采集。在这种情况下，触发比较器的非反转输出将为占空比为 50% 的方波。如果将触发电平设置为高于 50%，则触发比较器的非反转输出将小于 50%。或者，如果将触发电平设置为低于 50%，则非反转输出将大于 50%。假设触发仅基于单通道的正向边沿交叉，则触发逻辑块会将触发比较器的非反转输出传递到时基块。如果您选择在单通道的负向边沿交叉时触发，则触发逻辑块会将触发比较器的反转输出传递到时基块。随后，时基块会使用触发信号的上升沿作为唯一的同步时间点。此外还应注意，触发可以基于许多其他变量，包括时间限定以及来自多个输入通道的输入信号组合。

时基和采集存储器块

时基块控制 ADC 采样相对于触发事件的开始和停止时间。此外，时基块还根据示波器的可用采集存储器深度和时基设置控制 ADC 采样率。例如，假设使用 1 ms/div 的时基设置将示波器设置为恰好在中心屏幕触发 （默认设置）。此外，假设为了简单起见，示波器的采集存储器深度恰好为 1000 点。使用这些假设条件时，示波器应在触发事件之前先采集 500 点，随后在触发事件之后再采集 500 点。在此时基设置下，示波器在 10 ms 时间跨度（1 ms/div x 10 格）内将采集 1000 点。尽管示波器的最大指定采样率可为 2 GSa/s，但在此时基设置下，时基块会将示波器的连续采样率降低到 100 k 采样数／秒 （采样率 = 存储器／时间跨度 = 1000 采样数／10ms = 100 kSa/s）。

按“运行”键时，时基块能够以适当的采样率 (100 kSa/s) 将数字化的数据连续存储到示波器的“环形”采集存储器中。尽管在每次采样后，时基块会增加环形采集存储器缓冲区的地址，但是也会将获取的样本数增加到 500 （假设存储器深度为 1000，另外假设在中心屏幕触发）。当时基块确定存储了 500 个样本 （最小数量）时 （意味着采集存储器至少一半是满的），时基块随后会触发并开始寻找输出触发比较器的第一个上升沿 （假设简单边沿触发模式）。寻找触发事件的同时，会继续将采集存储在示波器的环形采集存储器缓冲区中。如果触发事件非常罕见，则在触发事件上等待时，实际上会覆盖存储的样本。不过，这是正常的。检测到触发事件后，时基块随后便开始再次累计，直到达到 500。存储其他 500 个样本后，时基块随后会禁用 （关闭）采样。这意味着，存储的后 500 个样本表示在触发事件之后 波形上出现的顺序点，而前 500 个点表示在触发事件之前 波形上出现的顺序点。此时，操作将转交给显示屏 DSP 块。

尽管我们使用的示例是在中心屏幕上触发，但是使用水平延迟／位置控件，可以将触发点定位于任何一点。例如，如果调整延迟使得触发点出现在沿水平轴排列的 75% 点处 （相对于屏幕左侧），则时基块会将计数器设置为在触发之前最初存储 750 点（假设存储器深度为 1000 点），随后在检测到触发事件后捕获其他的 250 点。

显示 DSP 块

完成采集后，显示屏 DSP 块随后会按照后进先出的顺序从采集存储器块中回收存储的数据。显示屏 DSP 块不仅可以对存储的数据快速执行数字信号处理 （如运行 Sin(x)/x 数字重建滤波器），而且还可以将存储和／或处理的数据“通过管道传递”到示波器的像素显示存储器中。从采集存储器中“回收”数据后， DSP 块随后会向时基块发送信号，提示它可以开始其他采集。

请注意，以前生成 DSO 不包括显式显示屏 DSP 块。此功能通常由示波器的 CPU 系统处理，但是效率比较低，产生的波形更新率也比较慢。使用自定义显示屏 DSP 处理时，目前的一些 DSO 能够以 1,000,000 波形数／秒的速度快速更新波形。