摘要：数字存储示波器是采用数字电路进行模/数转换，并通过存储器实现对触发前信号的记忆功能的一种具备存储功能新型示波器；此文尝试在分析数字存储示波器的原理和特性的基础上，对其在工程应用中应注意的问题进行分析。
关键词：数字存储示波器；性能指标；取样速率；带宽选择
作为当前在科学研究、工业生产等相关领域最为灵活多用的电子仪器，示波器对于电子测量技术发展史上产生了极大的影响。自1897年Braun发明示波器以来，围绕示波器捕获、显示和分析时域波形这三大功能，后人进行了大量的改进工作；上世纪70年代以来，微计算机的引入对示波器的性能和使用带了革命性的影响，数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscopes, DSO)就是随着数字电路的发展而产生的一种具备存储功能新型示波器，其基本原理是采用数字电路进行模/数转换，并通过存储器实现对触发前信号的记忆功能，对于分析复杂的单次瞬变信号具有较高的有效性，同时引起良好的性价比，以成为当前示波器的主流产品。
与传统的模拟示波器相比，数字存储示波器具备不受取样速率限制就可获得稳定的波形、能够长时间保存信号、先进的触发功能和较高的测量精度等优点，同时由于其内含微处理器，因而具备较强的处理能力，能够自动实现多种波形和参数的测量与显示，而较好的DSO都带有IEEE-488接口，因此其还可以通过连接计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算和分析。不过，数字存储示波器也有其局限性，例如DSO对实时采样速率和屏幕更新速率等限制，触发间隔问题等等。基于此，本文尝试在分析数字存储示波器的原理和特性的基础上，对其在工程应用中应注意的问题进行分析。
1 数字存储示波器的主要特性
电信号及类似自然现象可大致归为两类，一类是呈周期性分布的重复信号，另一类是单次或随机出现的信号；前者可以利用模拟示波器很好的进行观测，后者由于变化很快，在示波器屏幕上一闪而过，难以记录，这时就需要使用数字存储示波器。如图-1所示，数字存储示波器利用模/数(A/D)转换器把模拟信号变为数字信号，然后存入随机存储器(RAM)中，待需要是再将存储的内容从RAM中调出，再通过数/模(D/A)转换器将其恢复为模拟信号，进而显示在示波器屏幕上。整体上看，数字存储示波器能够实现将波形“冻结”以供后续使用的能力，其主要性能指标包括如下方面：
（1）最大取样速率fmax。最大取样速率即单位时间内DSO完成的完整A/D转换的最高次数，fmax愈高，仪器捕捉信号的能力愈强；DSO在某个测量时刻的实际取样速率可根据其设定的扫描时间因数(t/div)计算，公式为： ，其中N为每格的取样数；t/div为扫描时间因数，即扫描一格所占用的时间，亦称扫描速度。
（2）分辨率。分辨率即存储信号波形细节的特性，包括垂直分辨率和水平分辨率；垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应，通常是以屏幕每格的分级数(级/div)表示；水平分辨率由RAM的容量来决定，通常以屏幕每格有多少个取样点(点/div)表示。
（3）存储带宽。存储带宽与取样速率密切相关，根据Nyquist取样定理，如果取样速率大于或等于信号最高频率分量的2倍，就能重现原信号波形。
（4）读出速度。读出速度指将存储的数据从RAM中读出的速度，常用(时间)/div表示。其中：时间即屏幕中每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期；使用时，应根据显示器或相关外部设备对速度的不同要求，选择不同的读出速度。
（5）存储容量。存储容量即记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示，常以字(word)为单位；存储容量与水平分辨率在数值上为倒数关系，存储容量愈大，水平分辨率就愈高；但是存储容量并非越大越好，受到DSO最高取样速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
以下，本文将尝试从DSO带宽和取样速率等角度，对其在工程应用中应注意的问题进行讨论。
2 采样速率对DSO带宽的影响
针对特定测量要求选择DSO时，首先考虑的因素往往是带宽需求问题，即需要多大的带宽才能较为精确地对信号进行测量。事实上，某台DSO上标称的额定带宽（如100MHz）只是给出了DSO输入电路所允许通过的最大带宽，而DSO的所能捕捉、存储和显示的信号则取决于带宽、取样速率和存取容量三者的关系。
在特定扫描时间因数(t/div)下，DSO的显示窗口大小都是固定的，不可能实现t和存储容量同时达到最大化；因此重要的是能够保持取样速率f，以使存储容量得到最大限度的利用。通过简单的计算可知，每波形点数=取样速率f×t/div×分区数目，所以如果存储容量足够大，就可以支持取样速率保持恒定；换言之，在特定的存储容量之下，必须降低取样速率才能获取测量的时间区间。
结合Nyquist定理不难得出，DSO带宽受限于其f，在较低的扫描时间因数(t/div)下f会降低，而增大存储容量可以推迟f开始下降时间。因此在选择和调试DSO时，对其带宽的选择就主要取决于我们需要观测的信号：对于单次瞬变信号，我们需要较快的取样速率，而对于调制信号或趋势信号，则需要较大存储容量的DSO。如果无法改变设备选型，则应考虑调整设备的t/div设置，利用较低的t/div分析趋势信号，利用较高的t/div设置分析瞬变信号。
3 DSO带宽对被测信号的影响
实践中，DSO的波形测量是由DSO/探头系统共同组成的，由于带宽的无线平坦只能在理论上实现，因此事实上带宽的增加并不会带来相应的输入脉冲增加，其陡峭程度的增加会逐渐趋缓；换言之，DSO自身的带宽会对被测信号产生影响：
其中DSO的时间常数在0.35-0.45之间，而显示信号的上升时间则比其实际上升时间要慢，因此在选用DSO及其探头时，必须考虑带宽和DSO的上升时间。一般而言，对正弦波选择示波器带宽应是被测正弦信号频率的3倍以上，采样率是带宽的4到5倍，也即实际上是信号的12到15倍。
4 DSO和PC-based Digitizer的选择
基于PC的数字化仪(PC-based Digitizer)也可以提供与DSO相似的波形测量功能。从原理上讲，DSO和PC-based Digitizer都是以A/D转化器为核心部件的波形测量设备，不同的是DSO的数据传输是基于外设线路，传输速度相对较慢，即便其自身加装了操作系统，也仍然是一个封闭的系统，无法向内集成其他硬件；而PC-based Digitizer则是内嵌在PC之内，可以实现PC环境操作。
具体而言，PC-based Digitizer的优势在于其可以在开放的PC环境中工作，即用户可以对波形测量系统进行个性化的设置，结合不同的测量需求，用户可以使用200Mbps的PCI总线将PC-based Digitizer与其所需的工具卡和磁阵相连，形成所谓的虚拟仪器，从而以高达每秒10k个波形的速度进行测量；而DSO的优势则在于波形的快速显示和刷新，同时提供较PC-based Digitizer更为宽泛的信号处理能力，利用不同类型的探头，DSO的测量范围往往可以延伸至几百伏特电压和超过10GHz的信号，目前较高的取样速率和输入带宽仍然只有DSO能够实现。总体上看，在对于被测信号的特性已经熟知，希望通过计算机搭建自动监测系统时，可以选用PC-based Digitizer；而对于未知信号和瞬时信号的探索，则还应倾向于选择DSO，特别是对于希发事件的测量，选用数字荧光显示的数字存储示波器仍然具有比较大的优势。
参考文献
[1] Phil Stearns.采样率对示波器带宽的影响[J].今日电子,2007(08).
[2] 郭海丽,王紫婷.数字存储示波器的研究与设计[J].电子元器件应用,2007(07).
[3] Andrew Dawson.如何选择合适的波形仪器[J].今日电子,2006(01).
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