第8章数字示波器1

第第 8 章章 数字存储示波器数字存储示波器 （2 学时）学时） 本章主要内容 数字存储示波器的基本组成数字存储示波器的基本组成 数字存储示波器的原理分析数字存储示波器的原理分析 数字存储示波器的设计举例数字存储示波器的设计举例 8.1 概述概述 8.1.1 数字存储示波器的组成原理数字存储示波器的组成原理 8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标数字存储示波器的主要技术指标 1最大取样速率：最大取样速率：单位时间内完成的完整 AD 转换的最高次数称仪器的最大取样速率， 常以频率来表示。数字存储示波器在测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的 扫描时间因数(tdiv)来推算。其推算公式为 divt N f / 式中： N为每格的取样数; tdiv为扫描时间因数，即扫描一格所占用的时间。 例：扫描时间因数为 10s/div，每格取样数为 100 时，此时的取样速率等于 10MHz。 2存储带宽存储带宽 ：存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于 或等于信号频率的 2 倍，便可重现原信号波形。实际上，为保证显示波形的分辨率， 往往要求增加更多的取样点，一般取 410 倍或更多。 3分辨率：分辨率：分辨率是反映存储信号波形细节的综合特性，它包括垂直分辨率(电压 分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。垂直分辨率与 AD 转换器的分辨率相对应， 常以屏幕每格的分级数(级div)、或百分数来表示。示波管平面是一个二维平面， 般屏幕上的坐标刻度为 810 div，如果采用 8 位 AD 转换器(256 级)，则仪器 垂直分辨率表示为 32 级div，或用百分数来表示为 1/2560.39。水平分辨率由 存储器的容量来决定，常以屏幕每格合多少个取样点或以百分 数来表示。如果采 用容量为 lK(1024 个字节)的存储器，屏幕水平显格为 10 格，则仪器的水平分辨率 为 102410100 点/div，或用百分数表示为 ll0240.1。 4. 存储容量：存储容量：存储容量又称记录长度，它由采集存储器(主存储器)的最大存储容 量来表示，常以字(word)为单位。存储容量与水平分辨率在数值上有互为倒数的关 系。 5读出速度：读出速度：读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间) div 来表示。 8.1.3 数字存储示波器的特点数字存储示波器的特点 1. 对波形的采样和存储与显示可以分离：对波形的采样和存储与显示可以分离：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，其读出速度可以采取一个固定的速率，并不受取样速率的限制， 因而可以 获得清晰而稳定的波形。 2. 数字存储示波器能长时间地保存信号：数字存储示波器能长时间地保存信号：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。 3. 先进的触发功能先进的触发功能 ：数字存储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：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 AD 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，使大多数的数字存储 示波器的测量精度优于 1。 5. 很强的处理能力：很强的处理能力：这是由于数字存储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+，-，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。 6数字信号的输入输出功能：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。 8.2 数字存储示波器的原理分析数字存储示波器的原理分析 数字存储示波器按其工作原理可分为波形的取样与存储、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特定的取样和存储是存储示波器最基础 的工作。数字存储示波器的取样存储方式有实时取样和等效实时取样两种。 8.2.1 实时取样存储方式实时取样存储方式 基本概念：实时取样存储是指对波形进行等时间间隔取样，然后再按照取样先后的次序进基本概念：实时取样存储是指对波形进行等时间间隔取样，然后再按照取样先后的次序进 行行 AD 转换并存入存储器中。转换并存入存储器中。 一、取样与一、取样与 AD 转换转换 若想把波形用数字方式存储起来，首先要解决模拟波形离散化的问题。连续波形的若想把波形用数字方式存储起来，首先要解决模拟波形离散化的问题。连续波形的 离散化是通过取样的方法来完成，其原理可用图离散化是通过取样的方法来完成，其原理可用图 8-3 所示所示 二、扫描时间因数二、扫描时间因数 t/div 控制器控制器 扫描时间因数扫描时间因数 t/div 控制器实际上是一个时基分频器，用于控制控制器实际上是一个时基分频器，用于控制 A/D 转换采样速率以及存转换采样速率以及存 储器的写入速度，它应由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组储器的写入速度，它应由一个准确度、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。一个典型的合电路组成。一个典型的 tdiv 控制电路原理图见图控制电路原理图见图 84 所示。所示。 表表 8-2 时基时钟分频时基时钟分频 Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0编码时钟t/div *0020MHz 5us 11111101FD1010us 11111011FB520us 11111001F9250us 11110101F510.1ms 11110011F30.50.2ms 11110001F10.20.5ms 11100101E50.11ms 11100011E3502ms 11100001E1205ms 11000101C51010ms 11000011C3520ms 11000001C1250ms 100001018510.1S 10000011830.50.2S 10000001810.20.5S 00000101050.11S 0000001103502S 0000000101205S 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 AD 转换器的取样时钟的频率 相同。写地址计数器原理图见图 8-5 所示。 四、预置触发器四、预置触发器 预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。在数字存储示波器中可以通过 控制存储器的写操作过程来实现，并且正负延迟及延迟时间都可以进行预置。 8.2.3 等效实时取样存储方式等效实时取样存储方式 等效实时取样存储方式是先将周期性的高速信号经过取样变成波形与之形状相似的周期性 低频信号，然后再作进一步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。 8.2.3 波形的显示波形的显示 一、存储显示一、存储显示 显示波形是由一次触发捕捉到的信号片断，即在一次触发形成并完成信号数据存储显示波形是由一次触发捕捉到的信号片断，即在一次触发形成并完成信号数据存储 之后，通过控制存储器的地址依次将数据读出，再经之后，通过控制存储器的地址依次将数据读出，再经 D/A 转换稳定地显示在转换稳定地显示在 CRT 上。上。 1. CPU 控制方式的显示过程是将存储器中的数据按地址顺序取出，经输出指令送到控制方式的显示过程是将存储器中的数据按地址顺序取出，经输出指令送到 D/A 转换器转换，还原为模拟量送至转换器转换，还原为模拟量送至 Y 铀；将地址按同样顺序送出，经铀；将地址按同样顺序送出，经 D/A 转换器转换为阶梯转换器转换为阶梯 波送至波送至 CRT 的的 X 轴，就能把被测波形显示在轴，就能把被测波形显示在 CRT 屏幕上。如图屏幕上。如图 8-10 和图和图 8-11 所示。所示。 2. 直接控制方式的数据传送不经过直接控制方式的数据传送不经过 CPU 而直接对内存进行输入输出操作，如图而直接对内存进行输入输出操作，如图 8-12 所所 示。示。 二、双踪显示二、双踪显示 双踪显示与存储方式密切相关：双踪显示与存储方式密切相关： 存储时，为了使两条复现的波形在时间上保持原有的对应关系，常采用交替存储技术。存储时，为了使两条复现的波形在时间上保持原有的对应关系，常采用交替存储技术。 可以利用写地址的最低位可以利用写地址的最低位 A0 来控制通道开关，使取样和来控制通道开关，使取样和 A/D 转换电路轮流对两通道输入转换电路轮流对两通道输入 信号进行取样和转换，其存储方式见图信号进行取样和转换，其存储方式见图 8-13 所示。所示。 两个通道信号的波形分别显示于显示屏幕的上半部和下半部两个通道信号的波形分别显示于显示屏幕的上半部和下半部 将存入存储器中的数字序列将存入存储器中的数字序列 Y1n中的每一数据右移一位中的每一数据右移一位(即除以即除以 2)，再将，再将 Y1n中的中的 每一个数据的最高位每一个数据的最高位 MSB 置置“1”。 将存入存储器中的数字序列将存入存储器中的数字序列 Y2n右移一位，将右移一位，将 Y2n中的每一个数据的最高位中的每一个数据的最高位 MSB 保持保持 “0”。 可达到两通道信号分区域显示的效果。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。可达到两通道信号分区域显示的效果。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 三、锁存和半存显示三、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。 四、滚动显示四、滚动显示 被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。 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，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。不断更新，因而可以产生波形滚滚而来的滚动效果。 五、差值显示五、差值显示 所谓差值显示差值显示，即在波形上两个测试点数据间进行估值。数字示波器广泛采用矢量 插值法和正弦插值法两种方式。 矢量插值法矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点，当被测信号频率为采样信号频 率的 1/10 以下时，采用矢量插值效果好。 正弦插值法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，它能显示频率为采样 频率 1/2.5 以下的被测波形，如图 8-15 所示。 8.2.4 波形参数的测量与处理波形参数的测量与处理 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)以及时间差以及时间差 (t)测量、波形的前后沿时间测量、峰测量、波形的前后沿时间测量、峰-峰值测量、有效值测量、频率测量、现实峰值测量、有效值测量、频率测量、现实 波形的平均值处理、两波形的波形的平均值处理、两波形的+，-，运算、波形的频谱分析等。，运算、波形的频谱分析等。 一、一、U 和和 t 的测量的测量 智能数字示波器对波形上任意两点间的电位差智能数字示波器对波形上任意两点间的电位差(U)和时间差和时间差(t)的测量，一般采的测量，一般采 用加亮标志法或光标测量法。加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光用加亮标志法或光标测量法。加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光 标测量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。标测量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。 1加亮标志法加亮标志法 t 测量原理测量原理 设扫描线由 255 个点组成，当扫描时间因数确定之后，每两点之间的步进时间 T 便是确定的。若想测量波形某一部分的时间 t，只需把这一部分加亮，把加亮部分的点 数求出来，再用点数乘以步进时间 T 即可求出 t。 2加亮标志法加亮标志法 U 测量原理测量原理 在计算 U 的处理程序中，把存放 U 的 B 寄存器中的数作为地址，从该地址中取 出数据放在 D 寄存器中，把存放 U 的 C 寄存器中的数当作地址，从该寄存器中取出数据 放在 E 寄存器中，此时加亮波形起点与终点的相对幅度之差为 U=|E-D|*S