示波器知识百问四 示波器是如何工作的

20． 在用泰克的示波器时，如何理解Holdoff这个参数？ 

答：Holdoff（触发释抑）的含义是暂时将示波器的触发电路封闭一段时间（即释抑时间），在这段时间内，即使有满足触发条件的信号波形点示波器也不会触发。在数字示波器中也会用百分比来表示，意义是整个记录长度或者整个屏幕的百分比。 


示波器的触发部分的作用就是稳定的显示波形，触发释抑也是为了稳定显示波形而设置的功能。主要针对大周期重复而在大周期内有很多满足触发条件的不重复的波形点而专门设置的。比如图中所示，图中红色的点都可以满足触发条件，如果不用释抑功能，触发点将不固定，造成显示不稳定，使用触发释抑后，每次都在同一个点触发，因此可以稳定显示。 

此外，对于调幅信号等也一样要使用触发释抑。详情请参见泰克文章《示波器XYZ》。 

21． 关于holdoff，所谓触发与非触发，示波器对采集信号的处理有什么区别？ 

答：对于数字示波器，不论是否触发，示波器实际上都是在不断地采集波形，但是如果只有稳定的触发才能有稳定的显示。也会出现这种状况，示波器触发电路的模式出于“自动”模式，即不论是否满足触发条件都进行波形显示。如果使用“通常”Normal模式，不满足触发条件就不会显示波形。 

22． 关于holdoff，如果在水平时间分辨率不变的前提下，是否百分比设置越大（对应信号显示逐渐稳定）那么就意味着信号的周期越长？ 

答：是的，百分比越大，释抑时间越长。 


23． 如何使用示波器测量差分信号？ 

答：可以的方法是选用差分探头，这时测到的信号较为真实客观；若没有差分探头，可使用两个差分探头接到示波器的两个通道上(如Ci, Ch2)，然后用数学运算，得到ci-ch2的波形并进行分析，这时尽量保持两根探头完全一样，示波器两个通道的Vertical scale ( 每格多少伏)设置一样，否则，误差会较大。 

24． 怎样用示波器测量出USB总线上的差分信号？ 

答：USB 信号的测试分为2种情况： 

第一种是需要进行符合USB组织定义USB1.1/2.0总线的物理层测试规范，只有通过USB一致性测试后方可打上USB标识。USB物理层一致性测试分为很多个测试项目,主要是考察USB信号的信号质量如何，象 

Signal Quality Test 

Droop & Drop Test 

Inrush Current Test 

HS Specific Tests 

Chirp Test 

Monotonic Test 

Receiver sensitivity Test 

Impedance Test (TDR) 等等。 

第二种情况是仅观测USB总线上的信号，可以选择合适的差分探头连接到D+, D-，直接进行USB信号的观测。USB2.0信号速度比较快，上升时间为几百皮秒，为了保证信号的包真度测试，需要选择大于2GHz的示波器和差分探头进行测试。  1 引言

虚拟仪器(VI-ViItuaIInstrument)是指通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可通过友好的图形界面操作计算机，就像在操作自己定义、自己设计的单个仪器一样，从而完成对被测量的采集、处理、分析、判断、显示、数据存储等。在这种仪器系统中，各种复杂测试功能、数据分析和结果显示都完全由计算机软件完成，在很多方面较传统仪器有无法比拟的优点，如使用灵活方便、测试功能丰富、价格低廉、一机多用等，这些使得虚拟仪器成为未来电子测量仪器发展的主要方向之一。

当今虚拟仪器系统开发采用的总线包括传统的Rs232串行总线、GPIB通用接口总线、VXI总线、PCI总线和IEEE 1394总线即Firewire(也叫做火线)。

本文介绍基于PCI总线接口的CompuS,cope82G型高速数据采集卡和Visual C++编程工具的快速虚拟示波器试验系统，该系统集波形采集、数据分析、输出、显示为一体。为了保证数据采集和波形显示的实时性，设计中还采用了多线程技术。


2 系统组成和采集卡的硬件结构

2．1 系统组成

虚拟示波器系统主要由数据采集卡、计算机和专用软件组成，其中，数据采集卡完成对输入测量信号的调理采集和缓存，并通过计算机PCI总线送入内存；计算机在应用程序控制下对数据进行处理、运算，最后完成各种电量测试并在屏幕上用图形或数据形式显示。这一切均在人机交互方式下完成。

2．2 数据采集卡的硬件结构

本虚拟示波器采用Gage公司的CompuScope82G型高速数据采集卡作为PCI接口。采集卡的硬件结构如图1所示。

该数据采集卡主要由前置滤波器、可程控衰减器、可程控模拟放大电路、A／D转换器、D／A转换器、计数，定时电路、振荡电路、时序控制电路及PCI接口电路组成，其功能电路由数字控制逻辑电路统一控制。该卡是具有2个模拟量输入通道的标准的PCI总线插卡，卡上集成的2个高速8位ADC的工作频率高达IGHz，在单通道工作模式下，2个ADC同时工作，分别在脉冲的上升沿和下降沿进行转换，所以最高采样频率可以达到2GHz。卡上配置有16M的高速存储器，解决了高采样率和相对较低PCI总线数据传输速率的匹配问题。在使用之前必须对采集卡的硬件进行配置，这些控制程序用到相应的底层DAQ驱动程序。通过采集卡自带的DLL可以在程序中灵活地对硬件进行控制，比如输入阻抗、输入电压范围、放大器增益、采样频率、每次采样点数等。

3 系统的软件设计

3．1 虚拟示波器的软件开发环境

虚拟仪器较为重要的技术是软件技术。目前，用于虚拟仪器开发的软件开发平台主要有二大类：一类是通用的可视化软件编程环境，主要有Microsoft公司的Visual C++和Visual Basic、Inprise公司的Delphi和C++Builder等；另一类是一些公司推出的专用于虚拟仪器开发软件的编程环境，主要有NI公司的图形化编程环境LabView及文本编程环境IabWindows／CVI、Agilent公司的图形化编程环境Agilent VEE。考虑到软件的灵活性、高效性和可移植性，本设计中采用visual C++作为虚拟示波器的开发环境。

3．2 软件功能模块

该虚拟示波器有5大功能模块：信号采集、用户界面、频谱分析、数字滤波、波形显示。

3．2．1信号采集模块

信号采集模块主要完成数据的采集，根据采集信号的不同选用不同的采样频率。该模块中的应用程序通过采集卡的驱动程序和硬件进行通信，如果把该模块放在程序主线程中实现，那么，当应用程序与驱动程序进行数据通信时主界面就会冻结。为了解决这个问题，本文直接创建一种子线程来单独完成与驱动程序的通信任务，让主界面专用于响应视窗界面的信息。在子线程中通过调用gage_start_capture()函数进行数据的采集。图2示出数据采集流程。数据采集的主要代码如下：

3．2．2用户界面模块

界面主要切分为3个视图：主视图基类为ScrollView，用于显示波形；2个视图基类为For-mView，1个用于动态显示采集数据的特征参数，另1个用于对示波器进行操作。整个软件的主界面设计如图3所示。

3．2．3频谱分析模块

本软件利用快速傅里叶变换(FFT)进行频谱分析。频谱分析采用按时间抽取FFT算法，然后将幅值频谱分析结果在用户界面上以坐标曲线形式显示。进行FFT时可以选择点数，有1024、2048、4096 3种选择，如果点数不够，程序自动补零。

3．2．4数宇滤波模块

本软件可以对所采集的信号进行低通和高通滤波。首先根据给定通带截止频率、阻带截止频率、通带衰减和阻带衰减设计出巴特沃思(Butter-worth)模拟滤波器，再用双线性变换法设计出数字滤波器。

3．2．5波形显示模块

虚拟示波器的工作原理是对信号波形进行高速采样，采样值被数字化后存储起来，当重建波形时便从缓冲区取数，然后用清晰、均匀一致的轨迹映像在屏幕上。由于采集的模拟波形经数字化后成为一串离散数据，因此，如何重建信号波形是虚拟示波器设计中的关键问题之一。当前的波形显示主要有分段显示和滚动显示。这里采用滚动显示，并且提出一种新的滚动显示算法，突破了滚动显示只能观察变化缓慢的信号的限制。算法核心思想如下：

(1)得到所采集数据块的第1个和最后1个数据点的横坐标m_xMin和rn_xMax，m_xMax-m_xMin为波形的逻辑宽度。

(2)m_xMax-m_xMin的值为逻辑坐标，把它转化为设备坐标cx，用cx设定整个滚动视图的宽度。

(3)为了提高画图的效率，只需画出滚动视图可视部分的图形，也就是剪裁区的图形，因此要得到剪裁区。

(4)画出坐标及剪裁区内的一段波形。

(5)利用CSplitterWnd::DoSerollBy()函数，根据采样间隔的大小决定断滚动视图速度的快慢。这样视图滚动以后相应的剪裁区也会发生改变，促使动态画出新的波形。

主要代码如下：

4 实验与讨论

在实验中使用该系统对正弦信号和锯齿波信号进行了采集，并对2个通道的信号分别进行了频谱分析。实验时示波器参数设置如下：采样模式为双通道，其中通道1对正弦信号进行采样，通道2对锯齿波信号进行采样；采样率为120Ms／s；采样深度为16 000点；触发源为软件触发；触发时间极限为20ms；输入信号电压范围为~5V。实验结果如图4所示。达到了预定的效果。

本文基于Gage公司的CompuScope 82G型高速数据采集卡，用Visual C++编程工具设计出一种快速虚拟示波器试验系统，实现了高速数据的采集和动态波形的显示。同时提出一种新的波形滚动算法，大大改观了滚动波形的动态显示效果。在此基础上实现了传统示波器无法实现的频谱分析和数字滤波功能。采用Visual c++作为仪器编程语言使得编写的程序通用性和可移植性强。

示波器的使用技巧

　　1、示波器使用前一定要进行校准和补偿。　　校准主要是为了使当前的测量值处于比较优化的，不受外界温度环境等的影响。校准的方法是调用示波器里面自行加载的校准文件进行校准，基本上就是按下校准键就可以了。　　补偿是为了使输入示波器的信号不会因为阻抗不匹配而发生信号完整性问题。补偿的方法是将探头接到示波器的方波发生信号引脚（这个引脚示波器都会有的，主要就是用来进行补偿校准的），用小螺丝刀调整探头的松紧，使方波信号呈现正确的形状。补偿过度会使波形上下冲，补偿不足会使波形过缓。　　2、调节示波器的量程，时基，观察中心点坐标等使波形达到较佳观测状态。　　3、电源文波的测量　　电源文波测量的正确方法：　　（1）将探头的套帽摘掉以减少探头引入的寄生电感　　（2）将地线回路尽可能减小，地线缠绕在探头上，或直接使用地线夹（很多示波器厂商都有，eg、R&W）　　（3）在测量端并入一个10uF和一个0、1uF的电容，同时将示波器的带宽限制在20MHz，起到低通滤波的作用，防止高频信号串扰使测量值不准　　（4）根据奈奎斯特采样率，时基选择要使得测量频率是开关频率的2倍以上，（5）测试点要远离干扰源。　　4、变压器的原边用差分探头，副边用普通探头，不能同时用不同探头，因为普通探头之间的地是相通的，但是主副边的地是有电压差的，这样会使示波器的地之间被短路，有烧坏示波器的风险。

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