Возможность наблюдения формы исследуемого сигнала с одновременным измерением его параметров выдвинула электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов, занимающей среди многообразия измерительной техники, особое место.

Совсем недавно осциллограф представлял собой аналоговое устройство реального масштаба времени без преобразования  сигналов  в цифровую форму для последующего анализа. Во многих случаях отображения интересующего изображения  на экране недостаточно. В некоторых ситуациях необходимо исследовать форму сигнала до момента запуска и провести анализ или выполнить вычислительные операции. Прогресс в сфере цифровой электронике и внедрение средств вычислительной техники в измерительную аппаратуру создали условия для цифровой обработки исследуемых сигналов. Этим увеличилась точность измерений, повысился уровень автоматизации.

До появления цифровых моделей основной характеристикой являлась ширина полосы частот. Она определяла предельную частоту сигнала, отображаемую с ослаблением не более 3 дц, и зависела  от частотной характеристики канала вертикального отклонения. Цифровой осциллограф регистрирует сигналы путем измерения мгновенных значений аналогового сигнала  на входе в установленные моменты времени. Эти значения преобразуются в цифровую форму и хранятся в памяти. Исходная форма сигнала может быть восстановлена по содержимой в памяти информации о выборках. Поэтому  частотные возможности цифрового осциллографа зависят от нескольких факторов: метода преобразования сигнала; частоты выборки; полосы пропускания входного усилителя.

Принцип действия осциллографа основан на дискретизации исследуемого сигнала, квантовании каждой выборки по амплитуде, их запоминания с последующем отображении на экране осциллографа в координатах “амплитуда-время”. Выборки соответствуют мгновенным значениям  непрерывного исследуемого сигнала в моменты времени, задаваемыми тактовыми импульсами стробирования, поступающими с выхода формирователя временного масштаба. Квантование выборок сигнала по амплитуде производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), с выхода которого цифровые коды поступают на вход запоминающего устройства выборок. При этом каждый цифровой код с выхода АЦП запоминается в отдельной ячейке. Переключение ячеек осуществляется при помощи адресного счетчика, входящего в состав запоминающего устройства и происходит в режиме записи сигнала синхронно с появлением каждой новой выборки под воздействием тех же импульсов, которыми стробируют АЦП. Нарастающий по значению выходной код адресного счетчика выполняет ту же роль, что и пилообразное напряжение в развертке. После заполнения запоминающего устройства оно переключается  в режим считывания  и информация о сигнале переписывается в память отображения. Таким образом, запоминающее устройство служит для сопряжения, в соответствии с длительностью исследуемого сигнала, временного масштаба развертки с неизменным временным масштабом устройства отображения.

 Изображение исследуемого сигнала на экране является результатом последовательного опроса ячеек памяти устройства отображения и формирования на экране яркостной точки, соответствующей каждой ячейки. Положение точки по вертикали определяется значением цифрового кода, записанного в соответствующей ячейке памяти. По горизонтали – значение цифрового кода адреса этой ячейки. Опрос памяти в устройстве отображения происходит с постоянной частотой и выбирается таким образом, чтобы обеспечить отсутствие мерцания изображения на экране. Поэтому качество изображения не зависит от частоты повторения исследуемого сигнала.

 Существуют два основных метода дискретизации сигнала по времени.

1.                  Выборка в реальном времени. Это достигается при осуществлении скоростной выборки в реальном масштабе времени путем получения ряда выборочных значений в пределах одного периода сигнала и построения исходного сигнала по этим значениям.

2.                  Повторная  выборка (в эквивалентном масштабе времени). Если частота периодического сигнала слишком велика для регистрации в режиме однократного анализа, используется метод повторной выборки, при котором вместо регистрации всех отсчетов за один цикл сигнала осциллограф выполняет один или несколько отсчетов из большого числа периодов и объединяет все данные, синтезируя истинную форму колебания.

    Известны два способа реализации повторных выборок: рандомизированный и последовательный. Наибольшее распространение получила рандомизированная выборка, поскольку она допускает возможность наблюдения сигнала до момента запуска. Суть ее состоит в том, что отсчеты выходного сигнала формируются и в памяти через фиксированные интервалы времени независимо от формы входного колебания и работы схемы запуска. В каждом цикле развертки измеряется временной интервал между моментом запуска и следующим отсчетом. Зная тактовую частоту дискретизации, можно вычислить моменты, соответствующие всем остальным отсчетам до и после запуска, реконструировать сигнал. Осуществление рандомивированной дискретизации сигналов с частотой порядка 10 ГГц связаны с такой проблемой, как измерение задержек с требуемым субпикосекундным шагом. В этих случаях для обработки высокочастотных  сигналов используется метод, получивший название последовательной дискретизации.

  При повторной последовательной дискретизации каждая последующая выборка берется в момент, когда  начало нового периода, запускает схему  цифрового осциллографа (ЦО) плюс, увеличивающийся с каждым периодом интервал времени. Таким образом, выборки стробируются вдоль сигнала в той последовательности, в какой сигнал поступает в осциллограф. Поскольку выборки “запускаются” сигналом, поэтому скорость выборки устанавливается автоматически. 

  В обоих случаях  повторной выборки максимальная частота периодического сигнала,  зафиксированного осциллографом , определяется частотной характеристикой усилителей вертикального отклонения, а не скоростью выборки. Разрешающая способность любого осциллографа характеризует его  способность воспроизводить мелкие детали изображения. Высокая разрешающая способность ЦО достигается благодаря большому объему памяти и открывает широкие возможности при исследовании сложного однократного сигнала. Есть возможность выделить на полном изображении сигнала интересующий участок и растянуть его для наблюдения мелких деталей на весь экран (“лупа времени”). При исследовании сильно зашумленных сигналов удобен режим “усреднения”, имеющийся во многих моделях ЦО. Выводимый на экран сигнал сформирован как среднее значение из нескольких зарегистрированных в памяти сигналов.

  Удобный режим во многих моделях ЦО предусматривает автоматический поиск сигналов (автоматический выбор масштаба). В этом режиме прибор автоматически устанавливает масштабы по вертикальной и горизонтальной осям, выбирает момент запуска для стабильного отображения сигнала.