波形显示与数据记录仪的原理与基本功能详解

智能控件化波形显示与记录仪（又称记忆示波器）必须符合传统示波器的规范和主要的功能指标，需在以下几个方面和传统示波器的保持一致。

1.带宽

正弦输入信号衰减3dB所对应的频率范围称为示波器的带宽。相当于30%的垂直幅度误差所限定的频率范围。要使测量精度优于2%，所需的示波器带宽可由检测信号中的最高频率乘以5加以确定。

2.采样

要求A/D量化后的数据和真实信号高度一致。可以从采样频率和频率分辨率两个方面予以保证。虚拟式示波器利用所采集的离散样点来恢复输入信号。显然，采样频率越高，采样点数越多，所恢复出的信号失真越小，重现的波形越接近实际的波形。一般而言，在测量重复信号时，不一定需要快速采样，因为波形可以通过几次采集而重新形成。但在进行单次测量中，采样频率较快，采样点之间信息丢失的可能性就小。

3.存储及输出功能

这是数字示波器的重要特征，它保证了数字示波器具有记忆功能，能够重构波形。对于虚拟式示波器，可以在硬盘上存储波形数据。

4.触发功能

触发功能决定何时和如何进行采样。由于测量信号千差万别，有的信号按一定规律重复出现，有的杂乱无章地变动，有的只偶尔出现一次，而示波器不可能无休止地采样，必须采用不同的触发方式，捕捉到宝贵的有用信号。示波器常用的触发方式有：

1）边沿：任何通道或前面板辅助输入上的正斜率或负斜率。

2）视频：触发NTSC、PAL、SECAM、模拟HDTV和非标准视频制式。

3）毛刺：触发或抑制正极或负极或正负极的毛刺。最小毛刺宽度为1.0ns，分辨率为200ps。

4）欠幅脉冲：触发超过一个门限、但在再次超过第一个门限之前未能超过第二个门限的脉冲。事件可以是符合时间或逻辑条件的事件（仅四通道型号上有逻辑条件）。

5）窗口：触发进入或退出通过两个用户可调节门限定义的窗口的事件。事件可以是符合时间或逻辑条件的事件。

6）超时：触发在特定时间内一直很高、很低或两者之一的事件。

7）跳变：触发高于或低于指定速率的脉冲边沿速率。斜率可为正可为负。

8）建立/保持：触发任意两条输入通道上出现的时钟和数据之间的设置时间和保持时间。

9）模式：在指定时间内，在模式变为假或一直为真时触发。

5.分析功能

仅在时域里观察波形往往发现不了或者不能准确发现信号中隐蔽的信息，需将原始信号进行一定的处理，从不同的侧面理解信息，发现问题。数字示波器已经具有很强大的运算和分析处理功能，智能控件化波形显示与记录仪应该在继承传统仪器的基础上，扩展新的功能。

和其他大多数虚拟仪器一样，智能控件化波形显示与记录仪由计算机、数据采集卡和分析处理软件构成。其功能结构如图14-1所示。主要分为以下几部分：

1）数据采集硬件部分：由数据采集卡和相应的驱动程序组成。(www.xing528.com)

2）数据采集过程：由驱动程序实现对数据采集硬件的设定，包括量程、信号通道、采样频率、触发控制、时基控制和对采样数据的读取及海量存储。

3）数据预处理：对采集数据进行数字滤波、零均值化、基本特征量统计、数据拟合等处理。

4）图形显示：以动态曲线、直方图、数字等形式将信息显示在显示屏上。

5）数据分析处理包：包括抖动分析、FFT变换、峰值搜索及积分、微分等运算，这也是虚拟示波器显著的优势。

6）数据输出：将显示数据或采集数据以磁盘文件形式存储或打印输出。

7）操作控制过程：操作人员通过控制软面板发出控制信号，控制硬件和软件模块作相应的处理。

8）显示参数设置：操作人员可通过改变显示参数来设置显示图像的线宽、线的颜色等。

智能控件化波形显示与记录仪应该具有如下独特的技术特征和功能。

图14-1 智能控件化波形显示与记录仪的功能结构图

（1）存储和提取波形参数 计算机提供了多种存储方式，如内存、硬盘、可擦写光盘等，为示波器提供了记忆存储的条件。数字化波形存储便于波形复现和进行计算机分析处理，尤其是在现场和野外测试，可以将测试结果带回实验室进行细致的分析和数据处理。因此具备两种工作状态：采样状态和回放状态。当示波器处于采样状态时，数据来自A/D转换器，此时实时显示输入端的电压波形。当示波器处于回放状态时，数据来自计算机内存，可显示已采集的数据或读出原先保存的历史数据。

（2）数学运算 示波器应可以进行波形的加、减、乘、除、微分、积分、对数、指数、代数表达式运算等，以便发现信号或信号间的微妙关系。而且还可以将复杂信号经FFT变换转换到频域中观察分析，用于判断放大器及滤波器的频响、测量信号源的噪声、通信的调制分析等。

（3）丰富的显示 示波器具有多种动态曲线显示方法、对信号缩小或局部放大等功能，还具有直方图、XY显示功能。信号的直方图分析已成为高档示波器的一个共同特点，主要用于：提供对批量测量数据的分布显示、检验产品的质量、查出间歇性故障的原因、追踪测量数据的变化趋势。虚拟式示波器可提供三种直方图分析方法，即波形统计处理、波形参数结果的统计处理及电压直方图显示。XY图描述两组信号的相互关系，当两通道都处于选通状态时，使用此模式来显示图形、测量相位差或频率，还可以同时显示时域波形和频谱，以及对功能选择、运行状态和测量结果的全屏幕注释。

（4）光标读数 通常虚拟式示波器有四条测量光标，两条电压光标（水平）和两条时间光标（垂直）。它们分别用来在屏幕上标出所测量的电压差ΔV和时间差Δt。若电压光标Ⅰ处于零电平，则电压光标Ⅱ的位置就是对零电平的电压V，在显示屏上显示出其电压数值、极性和单位等信息。这种情形在应用中使用最多，且电压光标Ⅰ一般不显示，也就是常说的单光标。时间光标的情况和电压光标相似。

（5）测量和自动测量 具有的测量参数主要包括：

1）振幅：最大值、最小值、峰-峰值、均值、均方根值（RMS）、正过冲、负过冲等。

2）时间：上升时间、下降时间、正脉宽、负脉宽、正工作周期、负工作周期、时间、频率和延迟等。

3）组合：区域包括周期区域、相位、脉冲宽度等。

4）直方图相关测量包括：波形数、框单击数、最高单击数、中值、最大值、最小值、峰-峰值和平均值等。

5）借助光标与数字显示 可以按程序自动完成对示波器的参数设定和波形的显示，包括时间轴扫描参数和电压轴数值范围的设定、仪器本身的自动校准，以及波形参数的计算与数字化测量等。

（6）“滚动”与“单次捕获”对输入波形的控制不仅有存储、运算等操作，而且还具有“滚动”、“单次捕获”与“包络”功能等。“滚动”功能用于观察慢速信号，按下“滚动”键，“信息流”自显示屏的一侧连续移动到另一侧，当发现需要捕捉或是所要研究的信号波形时，立即利用“锁存”锁定。“单次捕获”功能用于捕捉、观测单次瞬变波形。“包络”功能即由采样点的正/负峰值数据构成的包络。