《数字存储示波器》PPT课件.ppt

9.1 概述 9.2 数字示波器的采样方式 9.3 数字示波器的组成原理 9.4 数字示波器的设计,第9章 数字示波器,数字示波器是 20 世纪 70 年代初发展起来的一种新型示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。,9.1.1 数字存储示波器的组成原理,9.1 概述,典型的数字存储示波器原理框图如图所示,9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析,定义：单位时间内对模拟输入信号的采样次数，单位为MS/s（兆次/秒）等。 DSO给出的采样速率指标是指DSO所能达到的最高采样速率，由A/D转换器的最高转换速率决定。最高采样速率表示了仪器捕捉信号在时间轴上细节的能力。,1 采样速率 fs,示波器不能总以最高采样速率工作，为了能在屏幕上清晰的观测不同频率的信号，DSO设置了多挡扫描速度（亦称扫描时间因数），以对应不同的采样速率。 DSO的最高扫描速度挡与其最高采样速率相对应。,定义：用记录一帧波形数据所占有的存储容量来表示，单位为KB或MB等。记录长度表示DSO能够连续存入采样点的最大字节数。 记录长度又称存储容量或存储深度，,2记录长度 L,记录长度越长，水平分辨率就越高，就允许用户捕捉更长时间内的事件，就能为复杂波形提供更好的描述。一般说来，记录长度越长越好，但是由于高速存储器制造技术的限制，目前DSO记录长度的长度是有限的。 需要指出的是，对于某个DSO，其记录长度是个确定的值，但实际测试使用的存储容量可以是变化的。,定义：当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的信号幅度下降3dB时所对应的输入信号上、下限频率之差，称为示波器的频带宽度，单位为MHz或GHz。,3 存储带宽 BW,数字示波器有模拟带宽和存储带宽两种表达方式。 模拟带宽：指采样电路以前模拟信号通道电路的频带宽度 实时带宽： 存储带宽 等效带宽：,采用实时采样方式时所具有的存储带宽,工作在等效采样工作方式下测量周期信号时所表现出来的频带宽度。,3 存储带宽 BW,存储带宽：存储带宽按采样方式不同又分实时带宽与等效带宽两种。 实时带宽是指数字示波器采用实时采样方式时所具有的存储带宽，主要取决于A/D转换器的采样速率和显示所采用的内插技术。 根据取样定理，如果采样速率大于等于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。在数字示波器设计中，为保证显示分辨率，要求增加更多的取样点。采用点显示方式时，每周期采样点数 k 一般取2025。采用插值技术可以降低对示波器 fs的要求，采用矢量内插方式时，一般取k=10；当采用正弦内插方式时，一般取k=2.5。 等效带宽是指DSO工作在等效采样工作方式下测量周期信号时所表现出来的频带宽度。在等效采样方式下，要求信号必须是周期重复的，DSO一般要经过多个采样周期，并对采集的样品进行重新组合，才能重显被测波形。等效带宽可以做的很宽，有的DSO的等效带宽可达到几十GHz以上。,模拟带宽：指采样电路以前模拟信号通道电路的频带宽度，主要由Y通道电路的幅频特性和X偏转系统的频率响应决定。如不特殊说明，数字示波器的频带宽度一般是指其模拟带宽。,垂直分辨率又称电压分辨率，它由采用的A/D转换器的分辨率来决定，常以A/D转换器的位数来表示，单位为bit。例如，某DSO采用了8位的A/D转换器，则称该DSO的垂直分辨率为8bit。 垂直分辨率也可用（级数/div）来表示。设某DSO采用8bit的A/D转换器，屏幕垂直方向的刻度为8div，则称该DSO的垂直分辨率为32级/div。,4分辨率,水平分辨率又称时间间隔分辨率，常以DSO在进行T测量时所能分辨的最小时间间隔值来表示。如果不加内插，当DSO的采样速率为 fs 时，定定义DSO的时间间隔分辨率为1/ fs ；如果加了内插算法，且内插器的增益为N，定义DSO的时间间隔分辨率为1/N fs 。 早期示波器也常用（点/div）表示。例如，某DSO的记录长度为1KB，屏幕水平方向的刻度有10div,则该DSO的水平分辨率为100点/div。,分辨率是指示信号波形细节的综合指标，包括垂直分辨率和水平分辨率。,分辨率与测量准确度紧密相关，但分辨率并非是测量准确度，而是理想情况下测量准确度的上线。,5.垂直灵敏度及误差,垂直灵敏度是指DSO显示在垂直方向（Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以V/div、mV/div表示。根据模拟示波器的习惯，DSO也按1-2-5步进方式分挡，每挡也可以细调。 垂直灵敏度表明了示波器测量最大和最小信号幅度的能力。,垂直灵敏度误差是指DSO测量信号幅度的准确度，一般用规定频率的标准幅度脉冲信号作校验信号，其计算公式如下 e = 100 式中,e为垂直灵敏度误差，V1为测量读数值（V），V2为校准信号每格电压值（V），D为校准信号幅度（div）。,扫描速度（又称扫描时间因数，简称为扫速）定义为示波器光点在屏幕水平方向上移动一格所占用的时间，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div等表示。扫描速度表明了示波器能测量信号频率的范围。 沿用模拟示波器的习惯，也按1-2-5步进方式分挡，每挡也能细调。 扫描速度取决于A/D转换器的转换速率及记录长度（存储容量），其值为相邻两个取样点的时间间隔与每格取样点数N的乘积，即 ,6.扫描速度及误差,扫描速度误差是指DSO测量时间间隔的准确度。一般用具有标准周期时间的脉冲信号作为校验信号，其计算公式如下式 e = 100 式中,e为扫描误差；t为校准信号周期时间测量读数值；T0为校准信号周期时间值。,扫描速度（又称扫描时间因数，简称为扫速）定义为示波器光点在屏幕水平方向上移动一格所占用的时间，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div等表示。扫描速度表明了示波器能测量信号频率的范围。 沿用模拟示波器的习惯，也按1-2-5步进方式分挡，每挡也能细调。 扫描速度取决于A/D转换器的转换速率及记录长度（存储容量），其值为相邻两个取样点的时间间隔与每格取样点数N的乘积，即 ,6.扫描速度及误差,扫描速度误差是指DSO测量时间间隔的准确度。一般用具有标准周期时间的脉冲信号作为校验信号，其计算公式如下式 e = 100 式中,e为扫描误差；t为校准信号周期时间测量读数值；T0为校准信号周期时间值。,例如，对于一个21万像素（575368）的显示屏幕，水平方向应显示500个点（相当于50点/div）。为了保持这个时间分辨率，较简单的设计方案是：以显示窗口的最高水平分辨率来确定DSO的记录长度，并根据所选的扫描速度来决定采样速率。 当扫描速度选择1s/div，就应提供50MS/s的采样速率，正好保证水平方向有500个采样点。如果选择的采样速率太低，采样点少，就不能保证水平分辨率；如果选择的采样速率过高，则采样点过多，采样存储器又会溢出。,9.1.2 数字示波器的主要技术指标及分析,二 记录长度与采样速率的关系,简易DSO的记录长度与显示器水平方向的分辨率在数值上是一致的。其 记录长度L 、采样速率fs和扫描速度t/div存在以下关系式 L = fst/div10 式中, 10表示显示屏幕水平方向的刻度为10格。上式表明，当L确定之后（由硬件确定，不能改变），DSO的采样速率fs与扫描速度t/div成反比。,二 记录长度与采样速率的关系,简易DSO的记录长度与显示器水平方向的分辨率在数值上是一致的。其 记录长度L 、采样速率fs和扫描速度t/div存在以下关系式 L = fst/div10,这种简易DSO的设计存在以下两个缺点。 1由于记录长度是以显示窗口的最高水平分辨率来设计的，DSO的记录长度不可能太长（一般在500B左右或1 000B左右），因此，很难完整地记录并显示一个较复杂的信号。 2不便观测一个同时含有高频和低频成分的信号波形。例如，要求显示一行含有行同步信号的电视信号，若以低频的行频信号调整扫描速度，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中高频的电视信号调整扫速，则又看不到一行完整的信号。,要想观察到又长又复杂波形的细节，就需要在较高采样速率情况下进行较长时间的记录，,二 记录长度与采样速率的关系,目前现代DSO记录长度已能做到多达48MB的超长存储深度，从而支持在高采样率情况下对复杂波形的捕获。 增加记录长度后，一次捕捉的波形样点多了。但是屏幕水平方向一般只有500点左右的像素，只能看到波形中的某一部分。为此，不少厂家又提出“窗口放大”或“波形移动”等功能，使用户通过多次放大或左右移动，既可看到波形的全貌又可看到局部细节。图给出了采用“窗口放大” 的示意图。,9.1.3 数字示波器的特点,(1) 数字示波器在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶段，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获得清晰而稳定的波形。 可以无闪烁地观察频率很低的信号，这是模拟示波器无能为力的。 对于观测频率很高的信号来说，模拟示波器必须选择带宽很高的阴极射线示波管，这就使造价上升，并且显示精度和稳定性都较低。而数字存储示波器采用了一个固定的相对较低的速率显示，从而可以使用低带宽、高分辨率、高可靠性而低造价的光栅扫描式示波管，这就从根本上解决了上述问题。若采用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息.,数字示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。,(3) 具有先进的触发功能。数字示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间，这对材料强度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具。除此之外，数字存储示波器还可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能，方便、准确地对电信号进行分析。,(4) 测量精度高。模拟示波器水平精度由锯齿波的线性度决定，故很难实现较高的时间精度，一般限制在3%5%。而数字存储示波器由于使用晶振作高稳定时钟，有很高的测时精度。采用多位A/D转换器也使幅度测量精度大大提高。尤其是能够自动测量直接读数，有效地克服示波管对测量精度的影响，使大多数的数字示波器的测量精度优于1%。,(2) 数字示波器能长时间地保存信号。这种特性对观察单次出现的瞬变信号尤为有利。 有些信号，如单次冲击波、放电现象等都是在短暂的一瞬间产生，在示波器的屏幕上一闪而过，很难观察。数字存储示波器问世以前，屏幕照相是“存储”波形采取的主要方法。数字示波器把波形以数字方式存储起来，因而操作方便，且其存储时间在理论上可以是无限长的。,(6) 具有数字信号的输入/输出功能， 所以可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算或分析处理。同时还可以通过GPIB 接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。,(5) 具有很强的处理能力，这是由于数字示波器内含微处理器， 因而能自动实现多种波形参数的测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、频率、峰峰值等参数的测量与显示。能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘等运算处理。同时还能使仪器具有许多自动操作功能，例如自检与自校等功能，使仪器使用很方便。,数字示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换器最大转换速率等因素的影响，数字示波器目前还不能用于观测频率较高的信号。,9.2 数字示波器的采样方式,数字示波器按其工作原理可分为波形的采集（采样与存储）、波形的显示、波形的测量与波形的处理等几部分。 对被测信号的波形进行采样与存储是DSO最基础的工作。 数字示波器的采样方式有实时采样和非实时的等效采样两种，等效采样又可分为顺序采样和随机采样。,9.2 数字示波器的采样方式,波形的采集 波形的显示 波形的测量 波形的处理,9.2.1 实时采样方式的原理与实现 9.2.2 顺序等效采样方式的原理与实现 9.2.3 随机等效采样方式的原理与实现,实时采样 等效采样,顺序采样 随机采样,9.2.1 实时采样方式的采集原理,实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A/D转换并存入存储器中。 典型实时取样方式的采集电路如图。,本节重点分析： 一、 取样与A/D转换 二、 t/div 控制器 三、 写地址计数器 四、 采样与存储电路,9.2.1 实时采样方式的采集原理,一、 取样与A/D转换,取样即连续波形的离散化，其方法可用右图说明。把模拟波形送到加有反偏的取样门的a点，在c点加入等间隔取样脉冲，则对应时间 tn(n1，2，3，) 取样脉冲打开取样门的瞬间，在b点就得到相应的模拟量an(n1，2，3，)，这个模拟量an 就是取样后得到的离散化的模拟量。,、取样,一、 取样与A/D转换,9.2.1 实时采样方式的采集原理,、取样,2、A/D转换,若把an中的每一个离散模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量。 例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H； a7 A/D01H。 如果把这些数字量按序存放在存储器中， 就相当于把一幅模拟波形以数字量的形式存储起来,A/D转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储带宽以及垂直分辨率等多项指标。目前存储示波器采用的A/D转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型以及CCD器件与A/D转换器相配合的形式等。 并联比较式A/D转换器的转换速度可以做得较高，但价格也较贵，是数字存储示波器采用最多的一种形式 。,9.2.1 实时采样方式的采集原理,二、扫描速度t/div 控制器,扫描速度t/div控制器实际上是一个时基分频器，用于控制A/D 转换速率以及存储器的写入速度，它由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合电路组成。典型的t/div控制电路原理如图,三、 写地址计数器,写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器的计数频率应该与控制A/D转换器的取样时钟的频率相同。写地址计数器原理图如图示。,四、采样与存储电路,这种采样方法是在信号经历的实际时间内对信号进行采样，因而称之为实时采样方式。 实时采样方式对观测单次出现的信号非常有效，是数字示波器必须具备的采样方式，但由于该方式受到A/D转换器最高转换速率的限制，使被测信号的频带宽度受到了限制。,9.2.2 顺序采样方式的采集原理,波形的采集,实时采样 等效采样,顺序采样 随机采样,顺序采样方式是一种非实时的等效采样方式，它是在模拟取样示波器技术基础上进行数字化而发展起来的。它每次触发只在周期信号波形上取一个样点，但每次取样的时间都较上次取样点延迟一个已知的，多次取样后就可精确地重现被测波形。 顺序等效采样方式将周期性的高频信号变换成波形与其相似的周期性低频信号，因而可以可用速度较慢的A/D转换器（但仍需要高速取样器）获得很宽的频带宽度。顺序等效采样仅限于处理重复性的周期信号。,一个典型的采用顺序采样方式的采集系统如图所示。 ,设原信号周期为T，取满一个信号周期需要采样n次，则经过采样变换后，原信号周期增大的倍数为 q = n = 如果每间隔m个信号周期采样一次，那么经过采样变换后，原信号周期增大的倍数为 q = mn =,9.2.2 顺序采样方式的采集原理,步进系统在顺序采样方式中起了关键性的作用，步进系统的电路原理框图如图所示。,9.2.3 随机采样方式的采集原理,随机采样在每个采样周期可以采集多个采样点，并且每个采样周期第一个采样点的时间（t1、t2、t3 时刻）是随机的。随机采样方式的示意图如图。,随机采样方式的实现 关键的技术：短时间间隔的测量和波形重建。,1、短时间测量 短时间测量即测出每次采样周期触发点与其后的第一个采样点时刻之间的时间间隔。这些时间间隔极短，很难直接测量，一般采用精密的模拟内插器进行扩展后再进行测量。,模拟内插器主要包括： 相位检测、时间展宽、方波转换、时间测量四个部分。,相位检测部分主要完成在进行随机采样时，将触发到来时刻与触发到来后第一个采样点之间的时间间隔转换成脉冲宽度为Tx的窄脉冲；时间展宽部分主要完成将相位检测到的窄脉冲按照一定的比例展宽成锯齿波，展宽比由时间展宽电路中放电电流与充电电流之比来决定；方波转换部分完成将时间展宽后得到的锯齿波信号转换成脉冲信号，作为计数的闸门信号；时间测量部分完成对闸门信号的宽度进行测量（用计数方式），测量出的计数结果送给CPU进行处理。,1、短时间测量 ,2波形重构与随机排序算法 波形重构就即以触发点为基准，按照TX1、TX2、TX3 大小摆正每次触发后采集的数据在时间轴上的位置，以重构被测信号波形。 为了便于理解，以下图所示的采用随机采样方式的 DSO 为例进行分析。,2波形重构与随机排序算法,该系统主要由信号调理部分，高速A/D转换器，小容量的高速缓存RAM1（采样RAM），大容量高速缓存RAM2（显示RAM），CPLD控制电路，采集处理器等电路组成。 等效采样数据的排序算法由采集处理器完成，排序后的结果存放于RAM2，并通过接口随时将RAM2中的数据上传到主处理器完成波形显示的处理。,2波形重构与随机排序算法,扫描速度 实时速率 等效速率 等效倍数M 每轮有效长度L 1000ns/div 40 MS/s 40 MS/s 1 8192 B 500 ns/div 40 MS/s 100 MS/s 2.5 3276 B 200 ns/div 40 MS/s 200 MS/s 5 1638 B 100 ns/div 40 MS/s 400 MS/s 10 819 B 50 ns/div 40 MS/s 1 GS/s 25 327 B 20 ns/div 40 MS/s 2 GS/s 50 163 B 10 ns/div 40 MS/s 4 GS/s 100 81 B,该DSO最高采样速率为40MS/s，记录长度为8kB，则在不同的扫描速度状态下，关系如表所示。,2波形重构与随机排序算法,扫描速度 实时速率 等效速率 等效倍数M 每轮有效长度L 1000ns/div 40 MS/s 40 MS/s 1 8192 B 500 ns/div 40 MS/s 100 MS/s 2.5 3276 B 200 ns/div 40 MS/s 200 MS/s 5 1638 B 100 ns/div 40 MS/s 400 MS/s 10 819 B 50 ns/div 40 MS/s 1 GS/s 25 327 B 20 ns/div 40 MS/s 2 GS/s 50 163 B 10 ns/div 40 MS/s 4 GS/s 100 81 B,从表中可以看出，等效采样速率越高， 波形恢复所需要的采样次数 M 就越多，每轮采样的数据个数 L就越少。,2波形重构与随机排序算法,在进行随机采样时，每轮采样结束后，采集处理器首先从RAM1中读出触发点对应的单元地址Xi；然后从短时间测量电路中读取触发信号与第一个采样点之间的时间间隔Tx（Tx的最大值为实时采样的周期T）；最后将T分成等长度的M段，每一段映射一个0M1间的整数值 I，通过查表的方法得出Tx对应的I值。有了Xi，I，M和L这四个值，采集处理器就能对采样存储器（RAM1）中的数据按照排序算法进行排序，然后按照排序规则把采样RAM1中的数据写入到显示RAM2中。,2波形重构与随机排序算法,将数据写入到显示RAM2中的具体过程是：采集处理器从采样存储器的地址单元Xi前后各取连续的L/2个单元的数据（即本次采样的有效点数），以触发点（基地址）为中点，以I为地址偏移量，以M为地址步长，把数据从采样RAM1中写入到显示RAM2中。排序算法的公式为 ADD = BASE +I+KM 式中，ADD为某个数据写入RAM2中对应单元的地址，K为从RAM1中顺序读取的数据的次序值，K的范围是-L到+L-1，ASE为触发点对应在显示RAM中的地址，这里该地址取4096，从而保证触发点前后各取4KB个数据。,随机采样方式与顺序采样方式的比较,随机采样方式容许在触发信号之前采样，可以提供预触发信息；而顺序采样方式的全部采样必须在触发信号之后产生，不能提供预触发信息。因而，随机采样方式已在很大的范围内取代了顺序采样方式。目前，多数的数字示波器都具备实时采样和随机采样两种采样方式。 微波频率段信号的示波器通常还是采用顺序采样方式，这是因为示波器在微波频率上的时间分度很小，因而有效的随机采样出现的概率就很小，想要获得整个波形的所有采样，将会花去很长的时间。顺序采样方式可迫使采样点发生在所需的时间窗口内，因此易于很快获得整个波形。例如，某采用顺序采样方式制作的微波数字示波器，其等效带宽为50GHz，其中A/D转换器的最高转换率仅为10KS/s。如果采用实时采样方式达到这个带宽，将要求A/D转换器的最高转换率达到100GS/s以上，这样高速的A/D转换器目前还不能实现；如果采用随机采样方式，由于被测信号的最小周期仅为0.01ns，在如此小时间窗口中进行随机采样，若要获得恢复整个波形所需要的全部采样点，将会花去很长的时间。 无论是随机采样方式还是顺序采样方式，它们只适用于周期性信号。对于非周期性信号，只能采用实时采样方式,9.3 数字示波器组成原理,9.3.1 数字示波器的一般组成,9.3 数字示波器组成原理,9.3.2 输入通道电路,任务:在被测信号不确定的情况下，通过放大（或衰减），电平调理，将被测信号实时地不失真地设置到最佳电平，满足A/D数字化变换的最佳线性和最佳分辨率要求。 数字示波器的频带宽度、垂直灵敏度及其误差等重要技术指标的优劣主要取决于输入通道电路。,由阻抗变换电路 N1、程控步进衰减及前置放大电路 N2、差分驱动放大器 N3 三电路组成 频带宽度为DC500MHz（50输入阻抗时） 垂直灵敏度量程范围为2mV/div5V/div(共设11档量程) 垂直灵敏度误差 （3%+1个像素） ,YB54500数字示波器输入通道框图：,阻抗变换电路（N1）原理框图,输入信号经过1/40高阻衰减器网络后分为两路： 一路是高频信号分量通路，经过C3等到达高阻源级跟随电路； 另一路是低频信号分量通路，经R4、R5组成的分压器和C4、S4组成的AC/DC选择开关，加到运放同相输入端，运放反相输入端用于加入位移电平调节信号。反馈电容C5保证合成后的信号具有平坦的幅频特性。运放输出的低频信号再经10M电阻R7在源级跟随电路与高频信号合成，并经过源级跟随电路输出。,N2电路中的调理，传输都应按50阻抗匹配网络进行设计。 IC1、IC2是可程控微波频率（to 3GHz）模拟开关，在程控码控制下完成输入信号/基准零电平/精密校准电平的切换输入； IC3和IC4是特性阻抗为50的六组精密电压衰减阵列，完成0.5/1/2/4/8/16dB的衰减。最大程度地满足系统线性动态响应，以及垂直通道信号从2mV/div5V/div11档量程切换。 IC5是一级高带宽、低噪声、低漂移、低输出阻抗，有较强高频率电流输出能力的运算放大器，提供5倍增益信号放大，并在程控信号管理下提供12.5倍的扩展放大功能。 在进行电路调试时，由于IC3、IC4本身存在传输损耗，IC3、IC4、IC5电气联接存在适配条件下固有损耗，N2电路应由程控软件精确调试到4倍增益。,步进衰减网络/前量放大电路 N2的设计,N3的任务：将单端输入信号转换成对称输出信号；驱动A/D转换器并向触发电路系统提供内触发信号。 N3的输出应有极低的高频输出阻抗以适应长线传输的电容和电感负载，为了减小容性和感性负载，在工艺上采用50适配插头座和50微波电缆传输，PCB传输引线采用“微带”效应布线。 N3由2级运算放大器组成，提供约10倍的总增益，以适应A/D转换器（AT84AD004）500mVP-P满度数字化转换的电平要求。此外，N3还承担50低阻输入状态下信号位移调节的任务。,差分驱动放大器 N3 的设计,目前，国内外的A/D转换器技术已经非常成熟，通用型8bit A/D转换器的转换速率已经超过 2GS/s ,并且片内集成了采样-保持电路、基准参考电压、编码电路等，只需外加少量器件，即可组成完整的数字化电路，给DSO设计带来了很大de方便。,9.3.3 数据采集与存储电路,为了进一步提高示波器的最高采样速率以及降低对采样存储器读写速度的要求，DSO还广泛采用了并行交错采样、输出数据降速处理 等技术。,9.3.3 数据采集与存储电路,所谓并行交错采样技术，就是利用多片A/D转换器并行对同一个模拟信号进行交序采样，从而提高DSO最高采样率。该技术关键技术是高精度多相时钟电路设计。 并行交错采样技术的实现将在 AT84AD001 高速A/D转换器中说明，,并行交错采样技术,输出数据降速处理技术主要是解决高速的A/D转换器输出数据流与较慢速的采样存储器读写速度之间的矛盾。 DSO通常采用“串-并转换”实现分时存储的方法来降低输出数据流的速度。 例如，某DSO采用的A/D转换器的最高采样率为1000MS/s，分辨率为8bit。而采样存储器的最高读写频率为266MHz，宽度是32bits的SDRAM。由于SDRAM的最高读写频率为266MHz，所以必须将A/D数字化后的数据频率降到266MHz以下。,输出数据降速处理技术,采用串-并转换方法，降低 A/D 转换器输出数据的示意图,A/D转换器的输出D0D7并行送入8个4位移位寄存器，当移位寄存器移满后，再由锁存器锁存并送到采样存储器SDRAM 。 A/D转换器输出数据最大速度为1 000MHz，因此，移位寄存器最大工作频率选为1 200MHz。移位4次后才向锁存器锁存一次，因此，锁存和输出数据频率只要为1 000/4250MHz，从而满足SDRAM读写最高频率（266MHz）的要求。 上述降速过程相当于访问一次SDRAM就写入了4个8位数据，因此可以使数据传输速度降低4倍。,9.3.3 数据采集与存储电路,并行交错采样和输出数据降速的处理需要增加许多射频元件，这不仅给实际制作带来许多困难，而且也使性能的进一步提高受到限制。 目前，一些器件厂家生产了一种集成度很高的A/D转换器，该器件不仅含有多路（两路或四路）高速A/D转换器，还提供了支持交错工作方式和输出数据降速（两倍或四倍）处理的电路。因而，不需要在片外增加电路，便可同时实现并行交错工作方式的数据采集和低速数据输出等问题。 Atmel公司生产的AT84AD001就是一种具备上述功能的高速A/D转换器，,AT84AD001高速A/D转换器简介,9.3.3 数据采集与存储电路,AT84AD001高速A/D转换器简介,9.3.3 数据采集与存储电路,该器件在同一芯片上集成了两路（I和Q）独立的A/D转换器，每个通道都具有l GS/s的采样率，8 bit分辨精度。 为了实现高速率的数据采集，该器件提供了支持交错工作方式的电路，在该模式下，双路A/D转换器并行采样的最高采样率可以达到2 GS/s。 为了降低输出数据流的速度，该器件在内部集成了11和12可选的数据多路分离器（DMUX），当选择DMUX在1：2时，可以使输出数据流的速度降低2倍。从而可以在芯片内部方便地实现高速率的数据采集和输出数据的降速处理。,AT84AD001高速A/D转换器简介,系统初始化时，设置 A/D 转换器工作在并行交替工作模式，DMUX设置为12模式。 模拟输入信号经过前置放大滤波电路，再经过一个射频变压器TP101将单端信号转换为差分信号，送入AT84AD001的I通道模拟输入端。 Q通道的模拟输入端无需加入输入信号，A/D转换器的输出为4路8bit500MS/s LVDS逻辑的数据。,基于“AT84AD001”的2GHz数据采集系统,AT84AD001输出4路8bit500MS/s的数据，而且采用LVDS逻辑，对其输出接口器件的性能提出了较高的要求。 本系统接口器件选用Stratix2系列的FPGA EP2S60F1020芯片，该芯片具有84个专用LVDS差分逻辑接收通道，每个LVDS通道数据传输速率最高可达640MS/s。因而，可直接与A/D转换器相连。且一片EP2S60F1020即可满足系统的需要。,基于“AT84AD001”的2GHz数据采集系统,9.3.4 触发电路系统,触发电路系统作用是为采集控制电路提供一个触发参考点，以使DOS的每次采集都发生在被测信号特定的相位点上，使每一次捕获的波形相重叠，以达到稳定显示波形的目的。 触发电路系统一般由外触发信号通道电路、触发源选择和触发电路组成，其中触发电路应包括触发耦合方式选择、触发比较器、触发释抑电路等部分。,外触发信号通道电路和输入信号通道电路一样，也应具备阻抗变换、AC/DC耦合选择及放大等电路。 示波器一般设置有内触发、外触发和电源触发触发源。触发源选择电路功能是，根据用户设定从中选择其一作触发源。 内触发采用被测信号作为触发源；外触发采用外接与被测信号有同步关系的信号作为触发源，常用于被测信号不适于作触发信号时使用；电源触发采用50Hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信号。,触发耦合方式选择电路的功能是，根据用户的设定从中选择一种合适的耦合方式。示波器一般设置有直流耦合、交流耦合、低频抑制耦合、高频抑制耦合等多种触发耦合方式。 直流耦合方式使触发信号通过，用于接入直流、或缓慢变化、或频率较低并含有直流分量的信号；交流耦合方式使触发信号通过电容耦合，用于观察交流信号；低频抑制耦合方式使触发信号通过高通滤波器，对显示含电源交流噪声的信号很有用；高频抑制耦合方式使触发信号通过低通滤波器，即使低频信号中包含高频噪声，仍能使其按低频信号触发。,触发电路系统一般由外触发信号通道电路、触发源选择和触发电路组成，其中触发电路应包括触发耦合方式选择、触发比较器、触发释抑电路等部分。,高性能示波器的触发比较按触发条件可划分为：边沿触发、视屏触发、毛刺触发、状态触发等。此外，数字示波器还具有基于触发点的预触发功能。 边沿触发是最基本的触发，它要求在输入信号边沿的触发阈值上产生触发。 视频触发通过视频同步分离器提取视频信号中的场同步信号或者行同步信号作为触发信号，视频触发又可分为场同步触发和行同步触发两种。 毛刺触发采用了单次触发的模式，无毛刺出现时示波器不显示，处于“监视”状态；当触发器发现毛刺时，则产生触发信号并显示毛刺尖峰出现前后的波形。毛刺触发电路可根据脉冲的宽度来确定触发时刻，当被测信号为DC到某一频率之间的信号，可以将脉冲宽度设置为小于被测信号最高频率分量周期的一半，在正常情况下，这样的窄脉冲是不会产生的。若被测信号是数字系统，由于数字系统的信号一般为系统时钟周期的整数倍，我们可以把示波器的触发条件设置为小于系统时钟周期的脉冲宽度。 状态触发采用状态字作触发信号，状态触发要求设置多条并行检测线来监测这些线上的状态，当检测到用户规定的状态字（如HLHH）时，示波器就产生触发。,9.3.4 触发电路系统,触发释抑电路用以在每一次触发后，产生一段闭锁（Hold off）时间，示波器在这段闭锁时间内将停止触发响应，以避免不希望的触发产生，从而使DSO在每次触发之后显示的波形都一样，达到稳定显示的目的。,触发电路系统一般由外触发信号通道电路、触发源选择和触发电路组成，其中触发电路应包括触发耦合方式选择、触发比较器、触发释抑电路等部分。,9.3.4 触发电路系统,边沿触发方式,边沿触发方式是指信号边沿达到某一设定的触发阈值而产生的一种触发方式，触发阈值电平可以调节，这是一种最基础的触发方式。边沿触发又分为上升沿触发和下降沿触发两种。 边沿触发电路一般采用双输入端的比较电路（比较器），一端接输入信号，另一端接阈值电平，当两个输入端信号之差达到某一值时，比较电路翻转。若将两个输入端相互交换，则可改变触发极性；若改变接在比较端的阈值电平值，就可实现触发阈值电平的调节，从而可以选择在信号波形的上升沿或下降沿的某一电平上产生触发。,触发极性选择/触发阈值电平调节示意图,在DSO中，比较器阈值电平由D/A转换器提供，一旦触发信号超过由D/A转换器设定的触发阈值电平，扫描即被触发。 触发极性选择开关S1用来选择触发信号的极性。当选择开关S1拨在“+”位置上时，在信号增加方向上，当触发信号超过设定的触发阈值电平时就产生触发。当拨在“-”位置上时，在信号减少方向上，当触发信号超过触发阈值电平时就产生触发。 触发极性和触发阈值电平共同决定触发信号的触发点。,该触发电路既要选择触发极性选择开关，又要调节触发阈值电平，使用不够方便。现代示波器中的自动触发电路，能使触发点自动调整在最佳触发电平上。,边沿触发的最终目的是产生一个稳定的快沿脉冲，并以此刻作为对被测信号进行采样的开始时间。很显然，这一快沿脉冲的不稳定将直接导致对信号采样时间的不确定性，造成波形在显示时会出现水平方向的抖动（称触发抖动）。触发抖动严重时将无法观察和精确测量信号的时间参量，触发抖动是DSO的一项重要的技术指标。 造成触发抖动的主要原因是：触发比较器的延时误差建立时间和触发通道噪声等。因此，触发通道电路应选择低噪声、低漂移、高带宽的运算放大器、模拟开关及相关元器件，并注意布线的合理，电源退耦及地线处理得当，高频信号传输电路引线走直线并尽量短。除此之外，还需要对比较器施加滞后措施，即将比较器接成施密特电路的形式（,预置触发功能,预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。并且正负延迟及延迟时间都可以进行预置。 在数字存储示波器中预置触发可以通过控制存储器的写操作过程来实现。,9.3.4 触发电路系统,预置触发功能,当被测信号大于预置电平时，触发电路便产生触发信号，于是存储器就从零地址开始写入采集的数据，设示波器的存储容量为1024，则当写满1 024个单元后便停止写操作。显示也从零地址开始读数据，则对应示波器屏幕上显示的信号便是触发点开始后的波形。,在常态触发状态下，,在正延迟时(即显示延迟触发点 N 个取样点时间)，触发信号到来后，存储器不立即写入数据，而是延迟 N 次取样之后才开始写入。这样当显示时，示波器屏幕上显示的信号便是触发点之后 N 个取样点的波形。这等效于示波器的时间窗口右移。,在正延迟时,在负延迟时(即显示超前触发点 N 个取样点时间)，触发信号到来前， 存储器信号便就一直处于01 023单元不断循环写入的过程中，当写满1 024个单元之后，新内容将覆盖旧内容继续写入。当触发信号到来后，使存储器再写入 1 024 N 个取样点之后停止写操作。显示时，不是从零地址读数据， 而是从停止写操作时地址的下一个地址作为显示首地址连续读 1 024 个单元的内容。这样，示波器屏幕上显示的便是触发点之前 N 次取样点为起点的波形，这等于示波器的时间窗口左移。,在负延迟时,预置触发功能,预置触发功能,DSO的显示电路大部分采用两种显示方式。 随机扫描显示方式。 光栅扫描两种显示方式。 这两种显示方式的基本原理在本书 3.4 已做过讨论。,9.3.5 显示系统,DSO显示系统的组成,显示系统的任务是：显示采集的波形，显示经内插或滤波处理后的波形，显示测量的结果以及显示人机交互信息等。,显示地址计数器在显示时钟的驱动下产生了连续的地址信号，这些地址信号分为两路：一路提供给采样RAM作为读地址，依次将采样RAM中的波形数据读出送至D/A转换器，然后经D/A转换器将数据恢复为模拟信号送至CRT的 Y 轴；另一路直接送给另一个D/A转换器而形成阶梯波，然后送至CRT的 X 轴作同步的扫描信号。由于从采样RAM中读出并恢复的模拟信号与形成的阶梯波是同步的，根据模拟示波器的显示原理，CRT屏幕上便能生成存储的模拟波形，,1、随机扫描显示方式。,DSO显示系统的组成,随机扫描显示方式的原理直观，电路简单，较易实现，但随机扫描显示方式在实现人机交互等方面不够方便，主要应用于一些较简单的数字示波器的设计中。,1、随机扫描显示方式。,现代数字示波器的显示电路较多采用光栅扫描显示方式。该方式不采用DA转换器，而是采用一个专用的CRT控制器（CRTC），直接将波形数据变换成屏幕上的图像。 光栅扫描显示方式能提供友好的人机交互界面，也能支持较高的屏幕刷新率。,2、光栅扫描显示方式,典型光栅扫描显示方式举例,典型光栅扫描显示方式举例,该显示电路使用MC6845作CRTC，上电后主处理器通过数据总线对MC6845的内部寄存器初始化，如屏幕范围、显示区域、起始行位置等。初始化后，MC6845便独立自动产生显示器的行、场扫描，刷新信号，无须占用主处理器的时间，这样，主处理器可以有更多的时间处理数据和对波形区数据的送显，提高了资源的利用率。,显示方式,点显示就是在屏幕上以间隔点的形式将采集的信号波形显示出来。由于这些点之间没有任何连线，每个信号周期必须要有足够的点才能正确地重新构成信号波形，一般要求每个正弦信号周期显示2025个点。 在点显示的情况下，当被观察的信号在一周期内采样点数较少时会引起视觉上的混淆现象。为了有效地克服视觉的混淆现象，同时又不降低带宽指标，数字示波器往往采用插值显示。,1、 点显示与插值显示,点显示：,插值显示即利用插值技术在波形的两个采样点数据间补充一些数据。插值显示可以降低对DSO采样速率的要求。 数字示波器广泛采用矢量插值法和正弦插值法两种方式。 矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点，由于矢量插值法仅仅是以直线形式加到数据点中，因而如果采样的数据点没有落在信号波形顶部时，就会造成顶尖幅度误差。一般情况下，当被测信号频率为采样频率的十分之一以下时，矢量插值法就可以得到满意的效果。 正弦插值法是以正弦规律，用曲线连接各数据点的显示方式，一般情况下，每个周期使用2.5个数据字就能够构成一个较完整的正弦波形。正弦插入法对阶跃波显示会产生副作用。,插值显示：,显示方式,基本显示方式又称刷新显示方式，其工作过程是：每当满足触发条件时，就对信号进行采集并存到存储器中，然后将存储器中的波形数据复制到显示存储器中去，从而使得屏幕的显示内容不断随着信号的变化而更新。 这种连续触发显示的方式与模拟示波器的基本显示方式类似，是最常使用的一种显示方式。,2、 基本显示与单次触发显示,基本显示：,显示方式,所谓单次触发显示就是：当满足触发条件时，就对信号进行连续地采集并将其存在存储器中的连续地址单元中，一旦数据将存储器的最后一个单元填满以后，采集过程即告结束，然后不断地将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。 这种采集与显示方式对观测单次出现的信号非常有效。也是模拟示波器达不到的显示方式。,2、 基本显示与单次触发显示,单次触发显示 ：,3、 滚动显示,滚动显示的表现形式是：被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。示波器犹如一台图形记录仪，记录笔在屏幕的右端，记录纸由右向左移动，当发现欲研究的波形部分时，还可将波形存储或固定在屏幕上，以作细微的观察与分析。,滚动显示方式的机理是：每当采集到一个新的数据时，就把已存在存储器中的所有数据都向前移动一个单元，即将第一个单元的数据冲掉，其他单元的内容依次向前递进，然后再在最后一个单元中存入新采集的数据。每写入一个数据，就进行一次读过程，读出和写入的内容不断更新，因而可以产生波形滚滚而来的滚动效果。 滚动显示主要适于缓慢变化的信号。,4、 存储/调出显示,“存储”功能即当采集的信号波形数据存入存储器以后，将这些波形数据以及面板参数一起复制到后备非易失存储器中，以供以后进行分析或参考及比较使用。后备非易失存储器的容量通常可以容纳多幅波形数据及面板参数。使用时，只要按下“SAVE“键和一个数字键，示波器会自动把当前的波形数据和参数存到对应编号的非易失存储器区域中。 “调出“是把已存储的波形调出并显示。使用时，只要按下“RECALL“键和一个数字键，示波器会把对应编号的波形数据和参数调出，并显示在屏幕上。“调出“是“存储“的逆过程。,存储/调出显示功能对于在现场工作的工程师是很方便的。工程师可以把现场测量期间所有的有关波形存储下来，以便以后分析，或将这些波形传往计算机再作进一步的处理。,5、 锁存和半存显示,锁存显示就是把一幅波形数据存入存储器之后，只允许从存储器中读出数据进行显示，不准新数据再写入。,半存显示是指波形被存储之后，允许存储器奇数(或偶数)地址中的内容更新，但偶数(或奇数)地址中的内容保持不变。于是屏幕上便出现两个波形，一个是已存储的波形信号，另一个是实时测量的波形信号。 这种显示方法可以实现将现行波形与过去存储下来的波形进行比较的功能。,显示方式,几乎所有微机化的数字示波器都充分地利用内部微处理器系统以及A/D 转换器等硬件，构成多种测量及数据处理能力，使数字示波器成为一台功能很强大的测量仪器。 数字示波器的测量及处理功能包括：波形上任意两点间的电位差（U）以及时间差（t）的测量、波形的前后沿时间测量、峰-峰值测量、有效值测量、频率测量、显示波形平均值处理、两波形的加、减、乘运算、波形的频谱分析等。,9.3.6 波形参数的测量与处理,本节以U与t测量、两波形相加处理为代表，讨论波形参数的测量与处理的一般原理及方法。,一、 U 、t 的测量,波形上任意两点间的电位差(U)和时间差(t)的测量 一般采用加亮标志法或光标标志法。 加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光标标志法是通过设置两条水平光标线或两条垂直光标线对波形被测部分进行标志。 波形加亮部分的起点和终点，或者光标线的位置，可通过面板相应按键的控制下作步进式的移动，波形加亮部分的起点和终点或光标线与波形的交点，对应于信号存储器中的相应数据，当设置不同的测量项目时，仪器即可在测量程序控制下实现不同的测量目的，并将测量结果直接显示在CRT上。,为了测量U、t的大小， 通常应将扫描时间因数 (t/div) 和灵敏度(m/div)分挡编成代码，并与波形代码一起存入存储器，如表93和表94所示。,表9-3为扫描时间因数代码表，表中的每挡扫描时间因数都用相应的代码表示，当扫描时间因数总数为30挡时，用5位二进制代码即可。,表9-4为灵敏度代码