电子测量教案chapter.ppt

第 6 章 时域测量,1. 引言 2. 模拟示波器 3. 数字存储示波器的基本原理 4. 数字存储示波器的组成和关键技术 5. 示波器的技术参数 6. 示波器的使用,1 引 言,示波器经历了从低频到高频、从模拟到数字的渐进发展过程。,1934年，基于CRT的137型示波器 1957年，记忆示波器研制成功 1958年通用示波器的带宽达到了100MHz 1959年，出现了采样示波器 1969年，通用示波器的带宽达到300MHz 20世纪70年代以后，示波器的带宽提高到1GHz,模拟示波器,1980年，HP公司发明了第一台数字存储示波器 20世纪90年代为以来，其带宽由诞生之初的50MHz发展700MHz1GHz，甚至出现了带宽超过10GHz的超宽带实时示波器 20世纪90年代初，业界还推出了混合信号示波器(Mixed Signal Oscilloscope, MSO)，出现了PC示波器、手持式示波表等形式的示波器,数字示波器,Agilent公司的一种四通道数字存储示波器,PC示波器,手持式示波表,2 模拟示波器,图6-2-1 模拟示波器的原理框图,模拟示波器的主要由阴极射线管CRT、垂直通道、水平通道、电源和标准信号发生器等部分组成.,2.1 模拟示波器的基本结构,图6-2-2 模拟示波器显示信号时域波形的基本过程,图6-2-2描述了模拟示波器显示电信号时域波形的基本过程。荧光屏上光点的Y和X坐标分别与这一瞬间的信号电压和扫描电压成正比。,图6-2-3 扫描正程和扫描回程,2.2 波形显示的基本原理,图6-2-4 边沿触发电路与扫描电路的工作波形,边沿触发电路可以在波形的正向过零点的位置产生触发脉冲，启动扫描锯齿波电压进行扫描。图中点均符合触发条件，但在这些点扫描过程未结束，因此这些点不能启动下一次扫描，是无效的。仅有这些点是有效的触发点。,2.3 触发电路,图6-2-5 边沿触发电路组成框图,主要由触发源选择开关、耦合方式选择开关、触发电平及极性选择器和放大整形电路等组成。,作用：产生触发脉冲的信号源 分类：内触发、外触发、电源触发（又称为线触发）,（1） 触发源,（2） 耦合方式,作用：选择触发源中哪个成分来产生触发脉冲 分类：DC、AC、AC（H）和HF,（3）触发放大和触发整形电路,作用: 对前级输出信号进行处理，产生符合一定脉冲宽度要求的、稳定可靠的触发脉冲。 实现：常采用双端输入的单稳电路来实现。,（4）触发电平及极性选择器,a）正极性、正电平 b）负极性、正电平 c）正极性、负电平 d）负极性、负电平,3 数字存储示波器的基本原理,3.1 数字存储示波器的基本原理,数字存储示波器的基本结构如下：,1、工作过程一般分为存储和显示两个大的阶段 2、具有“负延迟”触发功能 3、提供多种采集控制功能，实现峰值采集、过采样等采集模式 4、数字存储示波器有一些重要的技术指标: 模拟带宽、采样率、垂直分辨率、存储深度、死区时间、波形更新速率等,3.2 数字存储示波器的基本特点,4 数字存储示波器的组成和关键技术,主要由耦合方式选择、衰减器和前置放大器构成,（1）模拟前端,4.1 模拟前端与模拟带宽,1、耦合方式选择开关 一般有三个档位：DC、AC和GND（即接地耦合）。 2、输入阻抗选择开关 指示波器接入被测电路时模拟前端的等效阻抗 通常该阻值是 1兆欧姆或者50欧姆 它会和被测电阻构成并联关系。 3、前置放大器 对输入信号幅度进行进一步调节; 为触发电路提供大小合适的内触发信号源。,4、衰减器 衰减器用于对输入信号进行幅度调节。,满足R1Cl=R2C2时，衰减器具有平坦的幅频特性，且衰减比为R2/（R1R2）。,通常所说的示波器-3dB带宽，也称为模拟带宽BWa。,BWa的单位为“Hz”、“MHz”或“GHz”。 BWa的大小直接影响： 进入ADC的信号高次谐波分量的多少 影响到信号上升沿的变缓程度以及幅度的衰减程度。,（2）模拟带宽,（a）输入信号频率f=100MHz,（b）输入信号频率f=300MHz,（c）输入信号频率f=500MHz,计算被测信号的最高频率值 fmax,（3）如何选择合适的模拟带宽,根据测量精度需求确定模拟带宽,遗憾的是：在测量时可能并不知道信号的最高频率分量。 判断准则：将所测量的信号上升沿取倒数，判断是否与示波器的 模拟带宽很接近。,奈奎斯特定理（采样定理） 为了很好的恢复一个基带信号，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。,4.2 采样率与采样技术,fs2fmax,fs是采样率，fmax是信号本身所包含的最高频率,（1）采样与内插原理,采样率的单位：“GSa/S”、“MSa/S”； 带 宽的单位： “Hz”、“MHz”或“GHz”。,最小允许的采样率被称为奈奎斯特速率。 如果对一个正弦波，每个周期采样应多于两个点。 如果采样时钟频率不满足这一要求，将出现混叠信号或者不正确频率的假象信号。假象信号频率和原信号频率完全不同，但却可能有相同的波形形状，且往往还具有相同幅度。,图6-4-4 混叠现象,图6-4-5 以两倍于信号频率的采样率 对正弦波进行采样,图6-4-6 以2.7倍于信号频率的采样率 对正弦波进行采样,奈奎斯特速率仅是一个理论上的采样率值，要真实复现原始信号，需要更高的采样率。,fs 25fmax,内插技术： （1） 线性内插 在两个采样点之间插入数据点，且采样点和各插值点处于同一条直线上。可以使采样率从25fmax降低至10fmax。 （2） 正弦内插 对数据进行内插函数sinc(x)=sin(x)/x运算后,用曲线将各数据点连接起来。采样率可以降低为2.5fmax。,内插算法通常以数字滤波器的形式来实现。,1、实时采样（Single Shot Sampling） 最容易理解、最直观的一种采样方式，以足够高的采样率采集整个带宽内的信号，采样点均匀分布。,（2）采样方式,2、等效时间采样 等效时间采样（也称为非实时采样或重复采样）必须满足两个前提条件：信号必须是周期重复的；必须能产生稳定的触发条件。,(a) 顺序采样示意图,(b) 顺序采样的实现过程,采用顺序采样，能够以较低速的ADC来实现高频信号测量。但由于顺序采样的采样点都是在触发之后采集的，不能提供预触发信息。,随机采样可以克服顺序采样无法实现预触发的缺点，具有能够提供预触发信息、易于发现波形细节等优点。,1、数字实时带宽 在实时采样方式下，数字实时带宽定义为在单次（瞬态）信号测量中能够捕捉的最大信号带宽。 单次信号带宽与采样率之间的关系是： BWsfs/kR fs为采样率。kR 为与信号内插技术有关的内插系数 2、有效采样率 有效采样率feff是Teff的倒数。 Teff不取决于ADC的转换速率，而是取决于采样点相对于触发事件时间排列的精度。,（3）数字实时带宽和有效采样率,并行比较式ADC也称为FLASH型ADC，转换速率可达数百兆赫兹。采用直接比较的原理，n位ADC需要2n-1个比较器。,图6-4-11 3位FLASH型ADC,（4）数字存储示波器使用的ADC,并串行ADC通过将高位编码与低位编码串行比较，减少了比较器的数量。,图6-4-12 两阶N位并串行ADC,时间交织式ADC使用多个低速ADC交替工作来实现高速信号采集。,图6-4-13 1GSa/s的ADC实现框图(54111D ),采用四片采样率为250MSa/s的ADC，这四个ADC的工作周期都是4ns，通过精确定时电路，控制各ADC启动工作的时间依次间隔1ns,表6-4-2 ADC性能发展对比,ADC的采样速率在20年里增加了40倍,采样带宽增加了52倍,存储深度增加了250倍,维持在20W,Agilent公司的数字存储示波器多采用复合式的ADC技术。,波形存储器能够储存的采样点数称为存储深度。,4.3 存储深度与存储技术,（1）储存深度,记录时间存储深度/采样率=存储深度采样周期,（2）深存储带来的问题,导致死区时间增加、波形更新速率变慢、响应面板操作的时间增加等。,死区时间（dead-time）指从示波器完成前一次采集到开始下一次采集的时间间隔。,（3）存储技术,图6-4-17 早期数字存储示波器的存储过程,图6-4-18 MegaZoom 快响应深存储技术,触发方式,4.4 触发方式,边沿触发 毛刺触发 脉宽触发 矮脉冲触发 视频触发 模式触发 状态触发 延迟触发（预置触发）,两个重要的原因： 一是确定波形显示的时间参考点，稳定显示波形； 二是捕获感兴趣的信号波形。,（1）边沿触发 基本触发方式 （2）毛刺触发,脉宽触发出现在示波器检测到了一个正（负）极性脉冲，其脉冲宽度在设定脉宽门限之间或之外的情形。,图6-4-20 设定门限之间的脉宽触发,图6-4-21 设定门限之外的脉宽触发,（3）脉宽触发（Pulse-width Trigger）,在示波器检测到了一个正（负）极性脉冲，其上升（下降）沿穿越了低（高）门限电平，但在其下降（上升）沿重新穿越低（高）门限电平之前没有能穿越高（低）门限电平的情形。,（4）矮脉冲触发（Runt Trigger）,状态触发就是将触发通道中的某一路配置为触发系统的时钟，其他通道的状态是在时钟上升沿或者下降沿读取。,（5）视频触发（video trigger）,从视频输入信号中提取水平和垂直同步信号来作为触发信号。,（6）模式触发（pattern trigger）,模式触发提供了对多条信号线状态的监视功能，并能在信号线状态符合特定条件下产生触发。,（7）状态触发（State Trigger）,（8）延迟触发（预置触发）,延迟触发有“+”延迟触发和“-”延迟触发。,在一次触发产生之后迫使触发电路停止工作一段时间,如果触发是被抑制一段固定的时间，这种方式称为“时间抑制”。有些示波器还提供“事件抑制”的功能 。,触发抑制（Trigger Hold-off）,4.5 采集模式,（1）按采集启动的方式来分类，有三种采集模式：,1、单次采集 2、常规采集（normal acquisition） 任何时候出现有效的触发信号，示波器都采集一次新的波形。但在没有输入信号或者触发电平不适当时，示波器不采集，将出现黑屏。 3、自动采集（automatic acquisition）,在无触发信号持续超过一定时间（30ms）时，示波器将自动启动波形采集。,对应于存储器中的每个样点都需要进行一次采集，且样点没有经过任何处理。,图6-4-25 常规采集模式的示波器显示,如果信号中叠加的噪声比较大，显示出来的波形就比较差，影响对于信号幅度、频率的精确测量。,1、常规采集模式,（2）按采样率选择及样点存入存储器的方式来分：,使用高于常规采集模式的采样率来捕获信号，然后将相邻若干采样点的平均值作为一个采样点存入存储器。此模式仅适用于实时采样方式。,图6-4-26 过采样采集模式的示波器显示,2、过采样采集模式,峰值检测采集模式使用高于常规模式的采样率来捕获信号，然后将相邻若干采样点的最大值、最小值作为一个采样点存入存储器，仅适用于实时采样方式。,图6-4-27 峰值检测采集模式的示波器显示,3、峰值检测采集模式,在连续采集多个波形的基础上，仅将这些各时间点的平均值记录在存储器中，适用于实时和等效时间采样两种方式。,图6-4-28 平均采集模式的示波器显示,使用均值采集模式能够达到降低信号上叠加噪声的效果，但不会牺牲示波器测量带宽和上升时间.,4、均值采集模式,示波器连续采集多个波形，但仅将各时间点的最大值和最小值记录在存储器中。 用户可以设置用于包络计算的波形个数。 适用于实时采样和等效时间采样两种方式。,5、包络采集模式,通过显示保持算法，产生与传统模拟存储示波器相似的显示。 对于每一个显示点都在内存中对应有一个亮度值，给用户提供关于特定像素点被波形撞击的次数信息。,无限时间的显示保持,4.6 显示模式与显示技术,（1）显示保持模式（persistence mode）,利用示波器的深存储资源存储很长的一段波形数据，再用上、下两个窗口来观测信号。,这种显示模式既可以深度存储观察到波形的全貌，又可以对信号的某段局部进行细致观察，便于对信号进行深入地分析。,（2）延迟/缩放显示模式（Delayed/Zoom）,X-Y显示模式是一种改变示波器时基的显示方式。 在X-Y显示模式下，水平轴也用来测量输入信号的电压幅度。,（3）滚动模式,滚动模式在显示时从右绘制波形，在新的波形采样点不断出现时持续地向左“滚动”波形。,（4）X-Y显示,4.7 测量与分析功能,（1）波形参数的测量,例如： 实现串行数据测量中时钟恢复、眼图测量、抖动分析； 通过协议触发功能实现对于串行通信信号的捕捉和解码； 通信接口的兼容性测试等。,（2）函数计算,加、减、乘、积分、微分、FFT、滤波、统计分析等,（3）光标,光标是指示波器上的水平标记和垂直标记线。,（4）高级测量与分析功能,5 示波器的技术参数,表6-5-1 1GHz示波器主要技术参数,5.1 数字存储示波器,图6-5-1混合信号示波器,混合信号示波器（MSO）可看做是在一台通用示波器的基础上，增加了附加的数字信号测量通道而构成的。,5.2 混合信号示波器,屏幕最上方的两条波形是模拟信号，由两路模拟通道捕获。第一路信号是DAC的阶梯波输出，第二路是经模拟低通滤波器后的输出。屏幕下方的显示是从8数字通道捕获的数字信号波形，来自于DAC的数据线输出。,图6-5-2 混合信号示波器捕获MCU控制DAC的并行数字输入和模拟输出,6 示波器的使用,6.1 基本使用方法,1、在开始测量时，让示波器处于一个已知的状态，至少有些显示。 2、如果示波器设置完成后，被测波形可以显示出来，但不稳定，就需要使用触发控制旋钮来调节波形的显示。改变触发源、触发耦合方式，或者调整触发电平和触