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微弱光信号前置放大电路设计

作者：李远明陈文涛

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。

1 、光电检测电路的基本构成

光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。

2 、光电二极管的工作模式与等效模型

2、1 光电二极管的工作模式

光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流)。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。

一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。

2、2 光电二极管的等效电路模型

工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，Il为二极管的漏电流；Isc为二极管的电流；Rpd为寄生电阻；Cpd为光电二极管的寄生电容；Epd为噪声源；Rs为串联电阻。

由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为Cpd和Rpd，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。Cpd是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。

与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容Cpd的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。

3 、电路设计

3、1 主放大器设计

众多需要检测的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2 V。然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图4所示。

该主放大器的放大倍数为A=1+R2/R1，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。

3、2 滤波器设计

为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：

B=f2-f1=f0/Q

式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。

有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。本设计选用了去除放大器来进行设计。

本设计选用了去除放大器来进行设计。

图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。

对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc；第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc。

4 、完整的检测电路设计

本光电检测系统设计的完整电路如图7所示。为方便表示，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的Rt、Rf。前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大。

5 、结束语

本文研究了光电检测系统的原理和设计方法。通过从经济和实用的角度对相关的光电转换器件和前置放大器进行了选择和电路设计，从而确定了关键元器件的参数。实际使用证明：该设计可以满足一般光电检测场合的需要。

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发表于:2008-5-16 18:26:30

标签：PHILIPS 107S4 显示器行管更换

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我学圈圈换PHILIPS 107S4显示器行管记

前几天，正热火朝天的跟MM聊天了，显示器突然开始罢工了，NND。先是图像变窄、变暗，用手拍拍好了，过了一会就直接黑屏了，郁闷中。。。所以只有关机睡觉。

第二天，上网搜索相关故障资料，偶想起去年在圈圈博客上看过的那篇文章，好像也是显示器坏了，后来修好了的事情，所以到圈圈博客翻出来仔细瞅瞅。不看不知道，一看吓一跳！圈圈那时候的症状跟我现在的一样，毕竟圈圈是牛人嘛，我可不敢保证会是同样的原因引起的。抱着试试的态度（关键是你拿给别人去修，银子哗哗的就没了，可怜啊。。。。），花了一下午时间打开机壳，取出电路板，按照网上说的那排查显示器故障的方法开始来，咋一看没有什么特殊的地方，但是灰可不少，那家伙,拿来刷子刷干净。按照圈圈的方法查看了一下行管BU2527AF（对于我这种菜鸟来说，看到这显示器主板，就跟狗见了刺猬一样----无从下手），果然击穿了！！！再看看其他的，好像没什么征兆，网上也说故障问题行管击穿的可能性是比较打的，姑且这么认为吧，先不管了。

到网上查BU2527AF相关资料，真强悍！1500V、12A、45W。。。担心这东西不好买，所以又选了几个替代品：C5411、C5929等。隔天买了块新的行管BU2527AF（没想到还比较好买），花了我6.5块（如果成功的话，算下来还是很划算的哦），整回来装好，又重新把其他焊点补焊了一遍，装上其他东西，开机。。。。

决定命运的时刻到啦~~~~都说这显示器里面的高压包厉害的很，怕出事故，旁边的几个兄弟都躲得远远的，哈哈。开机。。。。。哈哈。。。。好啦！终于松了一口气！

在此感谢电脑圈圈、感谢EDN，感谢所有的朋友们！让我的显示器又重获新生！！

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发表于:2008-5-15 22:33:37

标签：示波器基础知识

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示波器基础：数字存储示波器之二

2、2 DSO的功能和控制机构
　　 DSO有许多新的特性，这就使得DSO有许多模拟示波器没有的控制机构，下面我们将介绍若干最常见的控制机构。

预触发和后触发

　　在第一章中我们谈到，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的。这样一来我们就只通用性研究观察触发时刻以后的信号变化情况。
　　在很多应用场合，我们感兴趣的波形部分并不紧跟在引起稳定触发的信号部位的后面，而是在触发以后一段时间，或者甚至可能在触发这前。
　　例如，当一个半导体器件被打开时，其输出信事情的幅度可能很大，我们可以用它来触发示波器，但是，如果我们要研究该半导体器件开始导通的很小的输入信号时，我们就会发现，。这个信号太小因而不能准确的触发示波器。这就要求示波器具有所谓的预触发观察能力：即由一个信号（这里指那个大的输出信号）来触发示波器，而示波器显示触动发时刻之前的信号的能力，这就使得示波器能用多通道的波形详细地显示出一个系统的输入和输出信号，从而看出系统响应的因果关系。
　　在另一些情况下，你可能想要详细地研究触发事件之后一段时间发生的信号有关部分。例如在研究一个方波的抖动的大小，就可以使用一台具有后触发延迟或后触发观察能力的示波器。这时可以使用方波的一个沿来触发示波器，而把时基设置成很高的速度以显示抖动，其做法是：在示波器探测到触发事件时，启动一个后触发延迟计数器。将此计数器的计数时间设置成大约等于一个信号周期的时间。当此预先设计的定时时间结束以后，示波器就开始从方波的下一个上升沿好将开始的时刻开始采集。
　　由于延迟计数器是一个非常稳定的石英晶体控制的数字时钟，它与被测信号无关、独立工作，所以被没方波信号的抖动就会表现为示波器上采集到的上升沿位置的不稳定性。也就是说在各次采集过程中，方波的上升沿将会在相对于触发事件卡拉奇不同时刻（即屏幕上的不同位置）出现。

触发位置

　　具有预触发或后触发延迟能力的示波器必须具有某种方法来控制延迟时间的大小，这可以用触发位置控制机构来完成。这个控制机构可以舍不得触发位置在屏幕上或者在采集记录中移动。
　　在有些示波器中，触发位置只能设置为几个预先规定的数值，例如在采集的信号记录的开关、中间和结尾。但如示波器具有很宽的触发位置控制范围，使用起来将会是很方便的。因此PM3394A示波器就允许用户将触发时刻设置在整个采集记录中的任何位置，并且触发位置还是连续可变的。

毛刺捕捉

　　图29所示的是一个带有快速的毛刺或尖峰的失真正弦波。产生这种波形的原因可能是由于其它电路的干扰，也可能是由于连线离被测系统过近的缘故。这些毛刺常常会引起系统发生误动作。那么，我们能用示波器来发现这些毛刺吗？

图29 叠加了毛刺的正弦波

如果我们使用模拟示波器来观察，只有当毛刺信号是重复性的并且和主信号（即这个例子中的正弦波）同步时，我们才能看到毛刺信号。或者，如果我们的运气好，出现了很多的毛刺的朦胧形象。
　　由于毛刺源于其它的电路系统，所以这些毛刺通常只是偶尔发生，并且和主信号不同步。
　　那么，如果DSO，我们能发能这些毛刺吗？未必，首先我们必须确保示波器已准备好去捕捉这些快速毛刺。
　　我们知道，DSO在特定时刻对输入信号进行采样，如本章开头所述，采样点之间的时间间隔取决于时基设置。如果毛刺的宽度比示波器的时间分辨率还要小，那么能否捕捉到毛刺就看运气如何了。为了能够捕捉到毛，我们的办法就是峰值检测或毛刺捕捉。
　　彩峰值检测的方法时，示波器将对信号波形的幅度连续地进行监测，并由正负峰值检测器将信号的峰值幅度暂地存贮起来。当示波器要显示采样点的时候，示波器就将正或负峰值检测器保存的峰值进行数字化，并将该峰值检测器清零。这样在示波器上就用检测到的信号的正，负峰值代替了原来的采样点数值。因此，峰值检测的方法能够帮助我们发现由于使用的采样速率过低而丢失的信号或者由于假象而引起失真的信号。峰值检测的方法对于捕捉调制信号，例如图30所示的AM波形，也是非常有用的。为了显示这类信号，必须将示波器的时基设置得和调制信号在频率相配合，而在这种信号中，调制信号的频率通常在音频范围但载波频率通常为455KHz或者更高。在这种情况下，不使用行刺捕捉功能，就不能正确地采集信号，而使用了毛刺捕捉功能就可以看到类似模拟示波器所显示的波形。

图30 使用和不使用峰值检测模式两种情况下捕捉到AM调制信号波形

示波器上的峰值检测功能是通过硬件（模拟）峰值检测器的方法或者快速采样的方法来实现的，模拟峰值检测器是一个专门的硬件电路，它以电容上电压的形式存贮信号的峰值，这种缺点是速度比较慢，它通常只能存贮宽度大于几个微秒且具有相当幅度的毛刺。
　　数字式峰值检测器围绕ADC而构成，这时ADC将以可能的最高采样速率连续对信号进行采样，然后将峰值存贮在一个专用的存储器中，当要显示采样点的值时，贮存的峰值就作为该时刻的采样值来使用。数字式峰值检测器的优点是其速度和数字化过程的速度一样快，本书中用作示例的示波器PM3394A就能够在很低的时基速率设置下，如1秒/格，以正确的幅度采集到窄至5ns的毛刺。

滚动模式

　　至此，我们已经知道DSO能用和模拟示波器类似的方式显示波形，从触发事件开始，标波器采集信号的采样点，并将其存于采集在储器中的连续位置中。一旦新的数据已将存储器的最后一个单元填满以后，采集过程既告结束，示波器就将采集存储器中的波形数据复制到显示存储器中去在此时期示波器不再采集新的数据，就像模拟示波器在时基复位期间不能显示波形扫迹一样。
　　对于低频应用的场合，信号的变化周期可达分钟量级而远不只是微秒的量级，这时DSO可以应用于一种全连续的显示方式：滚动模式。而这种背后的极样点显示于屏幕的右面，屏幕上已有的波形则向左滚动（见图31）。老的采样点一旦移动到屏幕的左面即行消失。这样一来示波器屏幕上显示的波形总是反映出最新信号对时间变化的情况。

图31 滚动模式

由于有了这种滚动模式，我们就可以用示波器来代替图表记录仪来显示慢变化的现象，诸如化学过程、电池的充放电周期或温度对系统性能的影响等。

显示放大

　　在模拟示波器中，可以将进基放大10倍，以便详细观察信事情的细节。在DSO中显示的波形可以按大小不同的步进值放大，通常进基放大按2的幂次倍数放大，即按x2,x4,x8,x16,等倍数放大。
　　一旦波形已经采集并存入存储器，例如单次波形采集的情况，使用垂直放大功能代替提高垂直灵敏度来放大波形也是很方便的。

特殊的触发方式

　 DSO的存贮功能使它成为捕捉十分罕见、甚至于只发生一次的信号，例如单次事件或者系统闭锁等情况的极为有用的工具。为捕捉这些信号就要求示波器具有各种各样的触发方式去探测这些特殊的条件，以便启动波形采集。这实惠这一目的，只有边缘触发方式往往是不够的，为此又开发了若干附加的触动发能力。我们在此讨论其中的几种。

图形触发

　　在逻辑硬件电路各，信号是由许多并行的线来传送的，整个硬件的瞬时状态则是由在给定时刻时这些线上的状态来表示的。为了识别硬件状态，就需要有一种仪器来检测这些线的状态。使用图形触发功能可以监视多条，例如4条线的状态，当探测到用户规定的图形（例如HHLH）或字时，示波器就被触发。由于图形触妇的设计是和数字逻辑配合使用的，因此，可以用来监视各条线的状态是为高（H）、低（L）、或者任意（X）。

状态触发

　逻辑硬件通常是围绕着一个中央时钟系统来构成的。其中的所有硬件都在时钟系统的指令之下来存贮其输入信号，因此我们的测试仪器也应依据同样的原则工作。当使用状态触发时。输入信号怕自理方法和图形触发时一样，只不过一在要把其中的一个输入信号当作时钟信号。如果示波器在时钟上升沿或下降沿时存贮的其余三条线的输入字和用户规定的触发定一致，则示波器新触发。

毛刺触发

　　使用毛刺触发时，能引起系统误动作的窄脉冲，如毛刺、类峰等可以引起示波器触发。
　　如果一个系统是设计在DC到某一频率信号下工作的，那么由于线路走线可能会使系统引入比此范围更高的频率信号，例如来自其它线路的干扰或吸收大功率的瞬变信号等，可以把示波器设置为当被测脉冲的宽度小于允许的最高频率信号之周期的一半时触发。国为我们可以认为，在正常工作的情况下，这样窄的脉冲是不会发生的。
　　毛刺触发的另一个应用场合是逻辑硬件，这时硬件电路的逻辑状态都是和系统时钟同步变化的。结果，这种硬件电路中的脉冲宽度都应为系统时钟周期的整倍数。在这种系统中，故障的发生常常和脉冲宽度异常有关，为了探测故障，我们现在可以把示波器的角发条件设置为在脉冲宽小于一个时钟周期时触发。

图32　毛刺触发

时间限定触发

　　这种触发方式使得示波器在满足一定的时间长度要求的条件下，可以按上述任何一种方式触发。这种时间长度要求可以是要注某一最小时间长度（如果时间长于某值则为有效），要求某一最大时间长度或者要求某一个从最小值到最大值的时间范围。时间限定触发对于按照系统不能满足正常工作条件来触发以对系统进行检测时非常肜的。还可有用这种触方式来探测连续工作信号发生的中断现象。

事件延迟

　　这种触发方式使示波器多个信号的情况来触发，而其中的一个入号，用来延迟采集的超始点。触发周期是由一个主信号，通常为多个信号通道之一启动的。接收到主触发信号以后，示波器就开始检查第二个信号（这也可能还是那个主触发信号，但取不同的电平），并对这个信号上的触发事件进行计数，当达到预先规定的触发事件数时，示波器就开始采集波形，见图33。

图33 事件延迟

典型应用实例为串行数据线、控制系统及机械环境等。

N次周期

　　这种功能可以用来从输入信号中选出每个第N次出现的波形，然后将这种选出的信号加到正常触发系统来使示波器触发。当一个信号受到它的谐波的影响而失真，也就是说这个信号是周期性的但其各个周期并不完全相同，这种情况下，N次周期触发方式特别有用。例如，其一系统按一固定频率运行，但是每过12个脉冲，脉冲宽度就变得宽一些。这时可以选择“N=周期=12”，这样示波器就只对这些变宽的脉冲作出响应，引起触发。

图34 N次周期触发

波形存贮

　　被测信号的波形形存入存储器以后，可以将其复制到所谓的后备存储器或寄存器中，供以后进行分析或作参考及比较的目的使用，DSO中通常装有多个这种存储器可以按扫迹存储器的方式设置，这时示波器多通道采集的每一条扫迹将分别存贮，也可将后务存储器设置为记录存储器，这时示波器将多通道采集所有数据同时存贮了所有有关的时间信息。
　　示波器配备大量的后备存储器对于在现场工作的工程师是很方便的。这时工程师可以把现场测量期间所有有关的波形都存贮下来，以便以后生成硬考贝，或将这些波形传往计算机再作进一步的分析。

显示算法，内插和点连接

　　我们在DSO屏幕上看到的波形是由存储器中的采样点重建出来的信号波形。这时示波器在屏幕上显示出这些采样点，并在这些采样点之间画出连线，这种波形显示的工作可以按几种方法来作，最简单的方法是在各个采样点之间用直线连接，这种京都我为线性内差，只要各采样点之间告得很近，例如每格50个采样点，用这种方法就能获得足够的重建波形，如果在信号跳变沿前后都采集了采样点，那么用这种方法就可以观察领事的沿，如果将显示的波形在水平方向放大，使得采集的采样点之间的距离变大，那么示波器屏幕上信号波形的亮度就会降低，所以，示波器是通过计算出内插的或显示的采样值来保持屏幕上显示的采样点数足够高，当屏幕上的波形在水平方向放大得很大时，在屏幕上显示出一条通过各采样点的连续的曲线就比在采点之间用直线连接要好得多，为此可用使用正弦内插法。采用这种方法时，在屏幕上将各个采集的采样点用幅度和频率均为可变的最佳正弦拟合曲线连接直来。采用了内插的方法以后，既使当屏幕上每格的采样点数较少时也能得到和模拟示波器显示波形类似的自然平滑的重建波形。
　　为了察看真正的采样点，示波器通常设有点显示方式，在此方式之下，不使用任何内插方法。选择这种方式以后，我们在屏幕上只能看到用离散亮点表示采样点，而在这些点之间没有任何连线。

窗口模式

　　当我们进行信号比较时，例如将一新采集的波形和以前存贮的信号波形比较时，把这两个波形扫迹显示在示波器屏幕的不同区域会是很有用处的。为此，示波器又设有窗口模式，这个模式将示波器屏幕分成两个或多个区域以显示不同的扫迹，由于减小了显示波形幅度的情况下，还能获得优化的测量准确度，

2、3 自动测量和处理

自动测量

　　示波器用来显示信号的波形，并对诸如：峰〈一〉峰值幅度，RMS幅度、DC电平、频率、脉冲宽度、上升时间等波形参数进行测量。对于任何波形来说，这些波表参数都可以使用大家熟知的数学方法来测量计算，我们将在第六章对此进行介绍。
　　在使用模拟示波器的时候，用户只能进行手动测量，例如对屏幕上显示的波形曲线进行解释分析、在屏幕上计算格数以求出波形幅度和时间间隔，殖民地用数学定义算出测量结果，对于西藏的波形来说，这种方法虽然只能获得中等的准确度，但方法是可行的。而对于更加复杂的波形来说，使用这方法要困难得多，并且可能需要进行某些推测。
　　当使用DSO时，只要示波器已经采集了信号波形，就获得了所有的波形信息数据，根据这些数据就能自动计算出要测量的参数，得到更加准确，可靠的结果，整个过程极为迅速，简便。
　　多数DSO都能对一个或多个通道上的输入信号同时进行两个或我个参数的测量，困此可以用来进行信号间的比较，例如比较一个放大器或衰减器的输入和输出信号。
　　另外，如果示波器对存贮的波形和新采集的波形都能进行能进行参数测量，那将会是非常方便的。这就使我们能对实际信号的性能和标准信号的性能进行比较，也使我们可以观察时间对信号的响应变化或者对系统修改后的变化影响。
　　示波器上最完全的参数测量功能还应包括用统计形式给出测量结果，这就是说，在一个较长的波形采集期间中的任何时刻，示波器应给出某一特定测量参数的最小值，最大值和平均值，使用这一功能我们就可以发现一个系统性能变化的趋势而而无须连续监视示波器屏幕显示的内容。
　　应当记住，任何示波器的参数测量都是通过对采集的数据进行分析来进行的，所以，参数测量的结果都源于在示波器中存贮的采集到的波形，这就意味着，示波器的设置情况对参数测量和结果会有影响，例如，如果示波器的时基速度设置得比较慢，比如说设置为1ms/格，而要对一个估计为50ns至100ns的上升沿进行上升时间测量，那么由于采集过程中时间分辩集约的限制，我们就无法测出正确的结果，为了进行这项参数测量，我们应当把示波器的时基设置得足够快，例如设置为50ns/格以便以足够细的时间分辨率显示出被测波形的上升沿。

图35 用统计的格式给出峰〈-〉峰值电压和频率测量值的屏幕显示情况。
其中给出了这两个参数的的最小值，平均值和最大值随时间的变化

在第六章我们将详细讨论各种不同参数的定义、测量方法以及如何用手动和自动的方式进行这些参数的测量。

数字处理

　　示波器所采集的波形数据中包含了非常丰富的信息，用来显示这些数据的一种非常有用的形式就是波形显示，即用垂直坐标轴表示电压、用水平坐标轴表示时间。这就是Y-t显示方式。
　　另一种显示波形数据的方法是用两上通道的波形数据来画图。这时对显示的每个数据点来说，其水平位置代表一个通道的数据值，而其垂直位置则表示另一个通道的数据值，这种显示模式称为X对Y模式，或简称为X-Y模式，用这种模式，用户可以观察频率相关联的两个信号之间的相位或时间关系，X-Y模式对于测试相移器和滤波器极为有用，还可以和运动传感器配合使用来检查运动系统的振动情况。
　　在X-Y模式下，DSO比模拟示波器优越地地方在于这时DSO的带宽为示波器的全部采集带宽，而在X-Y模式下DSO显示的是在某一单个记录中所包含的采样点数据。这些数据只能表示在一个有限的时间期间（该记录的时间长度）的波形，而在X-Y模式下模拟示波器给出的是一个连续的，活的显示图形。
　　此外还有很多其它的方法用来从波形数据据中提取宝贵的信息，或者对数据进行运算以便用更加有用的格式来表示娄据中所包含的信息，这种运算通常称为波形的数学处理，这咱处理往往是由计算机来完成的，这就是说把采集到的波形传送给计算机，然后再作进一步的处理。
　　更新颖的DSO已经把这种数学处理能力装在了示波器内部，这可以靠示波器的主处理器或者另一个附加的数字信号处理器（DSP）来实现的。

采用平均的方法来提高分辨率

　　平均的方法是把连续的各次波形采集的结果组合在一起，采用平均的方法可以减少叠加在信号上的噪音，经过平均处理以后的波形的第一个采样点都是由各次连续采集的波形上相同位置的采样值通过平均运算而获得的。
　　由于噪音的本质所决定，噪音对每次新的采集来说都是不同的，所以各次连续采集波形的采样值就会略有不同，通过平均减少了这种差别，获得了更加平滑的波形，但是并不影响带宽，然而，当使用平均的方法时，示波器要用更长的时间才能响应信息的变化。多数DSO的垂直分辨率为8比特。这就是说，采集的波形完全由256个不同的电压电平来表示，通过对各次连续采集的波形进行平均可以提高分辨率，进行平均计算时所用的连续采集波形数越多，垂直分辨率就越高。每当所用的连续采集波形数增加一倍时，垂直分辨率就增加一个比特。

包络模式

　　当被测信号随着时间变化时，例如要观察信事情的幅度变化或者抖动现象时，观测在多次休集过程中波形记录中每个采样点位置的最小值和最大值都存贮下来，并以此构成波形显示，这样获得的显示波形表现了信号长期变化的积累效果，使得我们可以进行长时间的抖动测量或者长时间的幅度变化测量。

图36　使用和不使用包络模式两种情况下的抖动脉冲

数字滤波　

　对波形进行滤波是一种通过对采集的波形数据进行数学处理以咸小波形带宽的得理过程。“滤波”一词说明这种处理功能和在示波器的输入端加入低通滤波器具有相同的效果。
　　数字滤波是通过把波形记录中的每个采样点和同一波表记录中与该点相邻的若干采样点进行平均来实现的。这样作的结果减小了信号的噪音，但同时也减少了带宽的目的是为了减小噪音。数字滤波也可用于单次信号的情况，而平均的方法却要求对重复性信号进行多次波形采集。

波形比较，样板测试

　　示波器中存贮的波形可以和新采集的波形同时进行显示，例如，我们可以把一个已知好的设备的波形特性和有故障的设备的波形特性进行比较，在很多情况下，进行这种信号比较的目的在于检查该系统的性能是否符合其技术指标。在设备生产测试过程中，我们常常会遇到这种情况，使用具有“通过/不通过”测试能力的示波器我们可以非常容易地，全自动地进行这种信号比较工作，。首先，我们把标准信号及其允许的极限范围存贮在示波器的寄存器中，这些存贮的信息称为样板，接着示波器就从被测系统采集信号，并将每个新采集的信号和该样板进行比较。，如果采集的信号在样板的范围之内，则示波器指示“通过”，反之，则示波大就会报出“不通过”。

图37 信号的波形及其频率变换

快速付里叶变换（FFT）

　　快速付里叶变换是一种数学运算方法。它从被测信号中提取信号所包含的各个频率分量，并将各个频率分量的幅度显示出来。
　　 FFT对于发现信号失真的大小，确认复杂波形中包含的频率万分或者寻找系统间的相互干扰等工作都是非常有用的。

波表相乘

　　此功能最重要的应用是测量电功率，因为电功率的定义就是电流和电压的数学乘积，为了进行功率的测量，示波器就要同时采集电压和电流的小辈形，并将二者相乘，相乘后获得的波形则表示随时间变化的瞬时功率值。这种功率测量工作对于测试电源，功率放大器以及稳压器等都是非常重要的，因为在这些场合电流都比较大，而这些部件承受的功率大小都是很关键的指标。

积分

　　积分可以给出一条曲线下的面保佑，使我们能够观察信号随着时间积累的总体效果，例如，连续充电过程对于电容器上的电荷量的总体效果，或者一个元件耗散功率的总体效果。
　　在测量机械系统时，如使用输出电压和系统加速度成正比的传感器，则此信号的积分映出的就是速度。

微分

　　微分表示的是信号变化的速率，例如，一个电信号的摆动率（Slew rate)就是信号随时间变化曲线的微分。

功率及损耗的测量

　　下面叙述的功率耗损测量是示波器处理能力的一个实际例子。
　　一个元件可以承受一定的功率，此功率的定义为跨过元件两端的电压和流过元件的电流的乘积。在元件的设计中通常要对元件随功率的能力规定一个极限值，此极限值是由该功率在一定的时间里引起的元件温升来确定的。元件耗散的热量（即能量）是曲其瞬时功率和时间来决定的。
　　元件产生的热量可以通过测量其电压和电流值并将二者相乘来决定，两者相乘后获得的是以瓦特为单位的任一时刻的瞬时功率值，接着可以使用第二个数学处理功能进行积分，这样就可以得到以瓦秒为单位的总的功率耗损值，而3600000瓦秒等于1kwh这样通过换算我们就可以把元件的功耗值换算成我们日常付电费时常用的单位来表示。

2、4 接口

接口

　　在很多情况下，我们需要把示波器中的信号传往PC机，而在另一些情况下，我们可能希望用PC机来对示波器进行控制，这两种情况都要求示波器具有通讯能力。也就是说，示波器必须装有通讯硬件及其支持软件。我们称此通讯用软硬件为“接口”。常用的接口有两种，好RS-232接口和通用接口总线（GPIB），后者又称为IEEE-488总线，对多数示波器来说，这些通讯接口都是选件。
　　 RS-232接口是一种串行接口，这种接口在PC机上一般用来通过调制解调器进行通讯，还用来连接鼠标器，打印机等设备。连接到PC机上的每个设备都需要单独占用PC机上的一个RS-232接口，也就是说在一台PC机上只能连接有限个设备，常常只能连接一个。
　　很多软件包都使用串行通讯方式，因为这种通讯方式要求对PC机的改动最小，并且可以使用比较简单的电缆，所以在示波器上配备这种软件比较容易。我们只要使用一台PC机就可以存贮示波器采集的波形以作后备之用。GPIB总线是一种为在仪器系统中使用而设计的的并行总线，这种总线允许多台仪器同时连至同一总线。这种总线还允许各仪器在测试协议之下随时（例如，当某台仪器在测量发生错误时）请求控制器给予注意，按GPIB总线的计算机可以是专用的GPIB控制器，但当今最常用的还是配有GPIB插卡的标准的PC机，由于GPIB插卡不是PC机的标准配置，所以必须另外加配。
　　供GPIB使用的软件通常都在计算机上生成一个完整的测试环境，将我台仪器集成为一个单独的测试系统。

打印机、绘图仪，硬考贝

　　在很多现场测试的场合，工程技术人员都需要获得某种形式的测量结果的硬拷贝，以便以后作为参考资料使用，或者设备报告发生错误动作时都需要查看以往的资料。
　　多数DSO都能使用一般PC机用的数字绘图仪或打印机来制作硬拷贝。有的DSO还能带动图表记录仪，因为在很多实验室中还在使用这种记录仪。示波器的硬拷贝功能通常是通过上述两种之一的标准配置或选件配置的接口来提供的。
　　如果在进行测量时工作现场没有打印机或绘图仪，那么示波器中最好配备比较多的存储器，以便把所有需要的信息都存贮下来留待以后再制作硬拷贝。

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发表于:2008-5-14 15:14:39

标签：示波器数字存储基础知识

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示波器基础：数字存储示波器之一

2、1 数字存储

　　你可能还记得，第一章中我们谈到，普通模拟示波器CRT上的P31荧光物质的余辉时间小于1ms。在有些情况下，使用P7荧光物质的CRT能给出大约300ms的余辉时间。只要有信号照射荧光CRT就将不断显示信号波形。而当信号去掉以后使用P31材料的CET上扫迹迅速变暗，而使用P7材料的CRT上扫迹停留时间稍长一些。
　　那么，如果信号在一秒钟内只有几次，或者信号的周期为数秒至珍长，甚至于信号只发生一次，那又将会怎么样呢？在这种情况下，使用我们上面介绍过的模拟示波器则几乎乃至于完全不能观察这些信号。
　　因此我们需要找到在荧光物质上保持信事情轨迹的方法。为达到这一目的而采用的一种老式方法是使用一种称为存储示波管的特殊CRT。这种示波管的荧光物质后面装有栅网，通过在栅网上充载电荷的方法存贮电子束的路径。这种示波管价格很昂贵又比较脆弱，并且只能耐有限的时间内保持轨迹。

　　数字存储的方法克服了所有这些缺点，并且还带来了很多附加的特色，下面列出部分特点：
　　·可以显示大量的预触发信息。
　　·可通通过使用光标和不使用光标的方法进行全自动的测量。
　　·可以长期贮存波形。
　　·可以在打印机或绘图仪上制作硬考贝以供编制文件之用。
　　·可以反新采集的波形和操作人员手工或示波器全自动采集的参考波形进行比较。
　　·可以按通过/不通过的原则进行判断。
　　·波形信息可用数学进行处理。

何谓数字存储

　　从字意上不难看出，所谓数字存储就是在示波器中以数字编码的形式来贮存信号。
　　当信号进入数字存储示波器，或称DSO以后，在信号到达CRT的偏转电路之前（图18），示波器将按一定的时间间隔对信号电压进行采样。然后用一个模/数变换器（ADC）对这些瞬时值或采样值进行变换从而生成代表每一个采样电压的二进制字。这个过程称为数字化。

图18 数字存储示波器的方框图

获得的二进制数值贮存在存储器中。对输入信号进行采样的速度称为彩样速率。采样速率由采样时钟控制。对于一般使用情况来说，采样速率的范围从每秒20兆次（20MS/s）到200MS/s。
　　存储器中贮存的数据用来在示波器的屏幕上重建信号波形。
　　所以，在DSO中的输入信号接头和示波器CRT之间的电路不只是仅有模拟电路。输入信号的波形在CRT上获得显示之前先要存贮到存储器中去我们在示波器屏幕上看到的波形总是由所采集到数据重建的波形，而不是输入连接端上所加信号的立即的、连接的波形显示。

采样和数字化

　数字存储分两步来实现。第一步，获取输入电压的采样值。这是通过采样及保持电路来完成的，见图19。

图19 基本的采样保持电路

当开关S闭合时，输入放大器A1，通过开关S对保持电容进行充放电，而当开关S断开时保持电容上的电压就不再变化，缓冲放大器A2将此采样值送往模/数变换器（ADC），ADC则测量此采样电压值，并用数字的“字”的形式表示出来。
　　模/数字变换器围绕一组比较器而构成，见图20，每一个比较器都检查输入睬样电压是高于或低于其参考电压。如果高于其参考电压则该比较器的输出为有效；反之则输出为无效。

图20 模数变换器基本电路

各个比较器的参考电压彼此略有不同，这此参考电压都是用一个电阻链从一个基准电压源而得到的。对于某一采样电压值来说，若干个比较器输出为有效，而其余的比较器输出为无效，接着ADC中的编码变换器就把该采样电压值变为一个“数字”，并将其送往数字存储器。
　　这种类型的ADC称为闪其速式（flash)模/数字变换器。因为它能在“一闪”间把一个模拟输入电压变换为一个“数字”。除此之外，还可以使用其它类型的模/数变换器，。其模/数变换是由几步动作来完成的，但是其缺点是完成一个采样压的变换所需时间较长。

模/数变换器和垂直分辨率

　　ADC通过把采样电压和许多参考电压进行比较来确定采样电压的幅度。构成ADC所用的比较器越多，其电阻链越长，ADC可以识别的电压层次也赵多。这个特性称为垂直分辨率，垂直分辨率越高，则示波器上的波形中可以看到的信号细节越小（见图21）。

图21 垂直分辨对显示波形的影响

垂直分辨率用比特来表示，垂直分辨率就是构成输出的字的总比特数（即数字输出字的长度大小）。
　　这样ADC可以识别并进行编码的电压层次数可以用下式来计算：

　　层次数=2比特数

　　多数示波器使用比特的模/数变换器，所以能够按28=256个不同的电压层次来表示信号电平，这样就能够提供足够的细节以便研究信号和进行测量，在这种垂直分辨率下，可以显示的最小分辩率号步进值大约和CRT屏幕上光点的直径大小相同，代表采样电压值的一个ADC输出字包含8个比特，并称为一个字节。
　　在现实当中，增加垂直分辨率的限制因素之一是成本问题，在制造ADC时，输出字每多增加一个比特，就需要将所用的比较器数增加一倍并使用更大的编码变换器，这样一来就使得ADC电路在电路板上占据大一倍的芯片空间，并消耗多一倍的功率（这又将进一步影响周围电路）结果，增加垂直分辨率又带了价格的提高。

时基和水平的分辨率

　　在数字存储示波器中，水平系统的作用是确保对输入信号采集足够数量的采样值，并且每个采样值取自正确的时刻，和模拟示波器一样，水平偏转的速度取决于时基的设置（s/格）。
　　构成一个波形的组全部的采样叫作一个记录，用一个记录可以重建一个或多个屏莫的波形，一个示波器可以贮存的采样点数称为记录长度或采集长度，记录长度用字节或千字节来表示，1千字节（1KB）等于1024个采样点。
　　通常，示波器沿着水平轴显示512采样点，为了便于使用，这些采样点以每格50个采样点的水平分辨率来进行显示，这就是说水平轴的长为512/50=10.24格。
　　据此，两个采样之间的时间间隔可按下式计算：
　　采样间隔=时基设置（s/格）/采样点数
　　若时基设置为1ms/格，且生格有50个采样，则可以计算出采样间隔为：采样间隔=1ms/50=20us
　　采样速率是采样间隔的倒数：采样速率=1/采样间隔
　　通常示波器可以显示的采样点数是固定的，时基设置的改变是通过改变采样速率来实现的，因此一台特定的示波器所给出的采样速率只有在某一特定的时时设置之下才是有效的。在较低的时基设置之下，示波器使用的采样速率也比较低。
　　设有一台示波器，其最大采样速率为100MS/s那么示波器实际使用这一采样的速率的时基设置值应为
时基设置值=50样点×采样间隔
　　　　　=50/采样速率
　　　　　=50/（100×106)
　　　　　=500ns/格
　　了解这一时基设置值是非常重要的，因为这个值是示波器采集非重复性信号时的最快的时基设置，使用这个时基设置时示波器能给出其可能的最好的时间分辨率。
　　此时基设置值称为“最大单次扫描时基设置值”，在这个设置值之下示波器使用“最大实进采样速率”进行工作。这个采样速率也就是在示波器的技术指标中所给出的采样速率。

实用上升时间

　　在很多示波器应用场合，都要进行信叼开关我的测量，即测量上升时间和下降时间。
　　从第一章我们已经知道，示波器的上升时间决定了该示波器能够精密进行测量的最快瞬变我对于模拟示波器来说，上升时间特性。对于模拟示波器来说，上升时间特性完全取决于示波器的模拟电路。
　　如果DSO，则示波器可以采集到的最快的瞬变特性不仅取决于其模拟电路，也取决于其时间分辨率。为了正确的进行上升时间的测量，必须在我们关心的信号边缘上采集到足够的细节信息，这就是说，在瞬变期间必须采集很多采样点。这个上升时间称为DSO的有用上升时间。并且其时间值是时基设置值的函数。
　　我们将在本书的练习部分（第六章）更详细的讨论上升时间测量的问题。

最大捕捉频率及香农(Shannon)采样准则

　　当人们最初探索将信号进行数字化的时候研究工作就已揭示，为了很好的恢复原来的信号，在进行信号数字化的时候就要求采样时钟的频率至少应为信号本身所包含的最高频率的两倍，这个要求通常称为香农采样定理。
　　然而，这项研究工作是针对通信应用领域而并非针对示波器为进行的，现在来看图22。从图中看出。当使用两倍于信号频率的采样时钟时。信号频率确实可以恢复。使用恰当的波形重建装置我们就可可得到和原始的波形十分相象的波形。但是问题睦的是这样简单吗？
　　现在我们设想在进行波形的数字化时仍然使用相同的采样时钟，但是将采样点选在和原来略为不同的时刻，不定在信号的峰值点，这样一来，信号的幅度信息就会严重失误，甚至可能完全丢失，事实上。如果采样点准确地取在信号地过零零碎碎点（见图22下图）那么由于所有的采样取到的采值均为零零碎碎，我们将完全观测不到信号。

图22 用两倍于信号频率的采样速率对正弦波进行采样

分别示出采样点位于信号峰值点和采样点接近信号过零零碎碎点两种情况

示波器是用来研究信号的，为了很好的研究主事情不仅要求正确的表示信号频率并且还要求准确地表示信号波形的幅度。从图23可以看出，如果每个周期用三个采样点对信号进行采样。则再现的波形也会发生很大的失真。

图23 以每周期约三个采样点进行采样的信号波形

根据经验通常认为每周期最小要了十个采样点才能给出足够的信号细节。在有些情况下，对信号怕细节要求低一些，这时每周期取五个样点可能就足以给出有关信号的特性（见图24）。这样，对于一个最大样率为200Ms/s的示波器来说，能够准确采集的最大信号频率即为20于40MHz。在这种情况下，还可以使用特殊的显示系统来提高显示波开有的保真度。其方法是通过各个采样点画出最佳拟合的正弦曲线。这种方法称为正弦内插。

图24 以每周期五个采样点进行采样的信号波形

假象（Aliasing)现象

　　我们已经知道，为了重建一个波形，至少需要一定数量的采样点，而且在任何情况下采样时钟的频率都必须比信号频率高五至十倍。
　　如果采样时钟频率比信号频率代，那么我们将会得到不可预料的结果。
　　让我来看一下图25所示的情况。如图所示，我们从信号波形的不同周期连续获到采样点，然而。每一个新的采样点的采集都发生在相对信号过零点的时间间隔略为长一点的时刻。如果我们现在来显示这些采样点并用它来重建信号波形，则显示出的仍然是一个正弦波。但是这个正弦波的频率和原来输入信号的频率完全不同。这种现象称为假象信号或者不正确频率的幻影信号。然而，它却可能表示出正确的波形形状，而且往往还具有正确的波度幅度。

图25 假象信号正弦波

多数现代示波器都调用有所谓自动设置功能，一旦输入信号连好以后，示波器就能自动地造反适当的偏转系数和时基设置值。这种自动设置功能也能帮助避免假象现象。
　　在有些情况下，信号的频率变化得非常快，以致于在某一时刻选定的时基设置是正确的，而在另一时刻（或者对于信号的另一部分而言）示波器又显示出假象信事情，这时可以用峰值检测功能（见2.2节）来发现任何时刻信号的真正幅值。
　　为了获得这种复杂信号的起初波形，建议使用组合示波器的模拟方式来观察信号，归要结底，模拟方式是不可能发生假象现象的。

实时采样和等效时间采样

　　到现在为止我们所介绍的波形数字化方法称为实时采样。这时所有的采样点都是按照一个固定的次序来采集的。这个波形采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作。
　　在很多多应有和场合，实时采样方式所提供的时间分辨率仍然不能满足工作的要求，在这些应用场合中，要观察的信号常常是重复性的，即相同的信号图形按有规则的时间间隔重复地出现。

图26 实时采样

对于这些信号来说，示波器可以从若干连续的信号周期中采集到的多组采样点来构成波形，第一组新的采样点都是由一个新的触发事件来启动采集的。这称为等效时间采样，在这种模式下，一个触发事伯到来以后，示波器就采集信号波形的一部分，例如采集五个采样点并将它们存入存储器。另一个触发事件则用来采集另外的五个采样点，并将其存贮在同一存储器的不同位置，如此进行下去经过若干次触发事伯以后，存储器内存贮的足够的采样点，就可以在屏幕上重建一个完整的波形，等效时间采样使得示波器在高时基设置值之下给出很高的时间分离率，这样一来，就好象示波器具有了比共实际要样速率要高得多的一个虚拟采样速率或称等效时间采样速率。

等效时间采样速率

　　等效时间采样的方法采用从重复性信号的不同的周期取得采样点来重建这个重复性信号的波形，这样就提高了示波器的时间分辨率。
　　举例来说，有一台DSO的时基设置值为5ns/格，每格显示50个采样点，则可以求出等效时间采样速率为：等效时间采样速率=50/5ns=50/5*10^-9=10000MS/s
　　等效时间采样速率是在高进基设置之下表示示波器不平分辨率的一种间接的方法.它也表明假如使用实时采样的方法要获得相同的时间分辩集约所需要的采样速率,等效时间采样速率比现今能够达到的实时采样速率要高得多。
　　可以采用两种不同的技术来实现等效时间采样,即顺序采样和随机采样.

顺序采样

　　采用顺序采样时,采样点的采集是按一个固定的次序进行的,即在屏幕以上左向右的进行采集.每到来一个新的触发事件就采集一个采样点。为了填满一个完整的波形记录,记录中有多少个存储位置就需要朋多少个触发事件,(见图27)。

图27 顺序采样时显示波形的构成情况

当第一个触发事件到来以后就立即采集第一个采样点,并将其存入存储器.第二个触发事件则用来超动一个定时系统。此定时系统将产生一个很小的时间延迟Δt,经过这个Δt的延迟时间以后，再采集第二个采样点，在扫迹存储器中的时间分辨率就等于这个小的延迟时间Δt，其值可能小于50微微秒。第三个触发事件到来后，该定时系统则产生2Δt的延迟时间。此延迟时间过后再采集第三个采样，并这样进行下去。
　　这就是说第n个新的采样点的采集是在相对于类似的触发事件延迟了（n-1）Δt的时间以后进行的。
　　其结果是示波器上显示的波形是由按固定次序出现的采样点而构成的。即第一个采样点在屏幕的最左边，接着各采样点集资向右构成显示波形。
　　在顺序采样模式下，采集波形的周期数，即触发事件数等于存储器器的记录长度。顺序采样可以实现后触发延迟功能，但是不能提供预触发信息。在快速时基设置之下，填满一个存储器记录所需的时间是很有限的。其速度比随机采产要快得多。

随机采样

　　在使用随机采样的示波器中，第一组采样点是在随机的时刻采集的，而与触发事件无关，这些采样点之间的时间隔为一已知的时间，由采样时钟来确定，当示波器在在等待触发事件到来时，其内部就在连续的进行采样并将结果贮存起来。当一个触发事件到来时示波器内的一个定时系统就从这一时刻开始直到下一个采点时刻进行时间测量。由于采样间隔是固定的，因此示波器就能够从此测量的时间计算出所有采集的采样点在存储器中的位置（见图28）。当第一次采集的所有采样点存贮完毕以后，就开始采集一组新的采样点并等待新的触发事件，新触发事件到来以后，计时系统双进行新的时间测量并计算出这些新的采产点位置。这些新的采样点落在一次采集的采产点填充位置之间的未填充位置，用这种方法，波形扫迹就由在X轴上的随机位置上出现的一组组采样点所构成。

图28 随机采样时扫迹的构成情况

在最快的时基设置之下，使用随机采样的方法填满一个完�

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