第四章-电子示波器(下)..ppt

1 4 6高速和取样示波器 一般示波器在观察ns ps级脉冲波形时 会引入很大的畸变甚至会显示出面目全非的波形 产生畸变的主要因素是 示波器偏转板电容C与引线电感L的影响 图4 6 1分布参数的影响 第四章示波器及示波测量 2 4 6高速和取样示波器 示波器偏转板电容C与引线电感L的影响 当测量高频信号时 偏转板电容C与引线电感L构成的谐振回路 将使阶跃信号产生畸变 在上升沿处 形成过阻尼 临界阻尼和欠阻尼三种情况 过阻尼使得上升沿变坏 欠阻尼情况 在上升沿顶部叠加振荡信号 其等效电路及波形情况如下图所示 图4 6 1分布参数的影响 第四章示波器及示波测量 3 图4 6 1分布参数的影响 为了减小分布参数的影响 应尽量减小L和C 快速示波管的偏转板从旁边引出以减短其长度 从而减小了引线电感 同时增大偏转板间距可减小C 但这样又会使偏转灵敏度降低 第四章示波器及示波测量 4 电子渡越时间的影响 当电子束通过偏转板时 偏转板上的电压不变 那么电子束的偏转量正比于偏转电压 普通示波管电子渡越时间为1 10ns量级 如果显示波形或脉宽比它大的多 则可以认为在波形显示期间 偏转板上的电压不变 第四章示波器及示波测量 5 对高频信号会因电子通过偏转板期间偏转板上的电压有明显变化 所显示的波形会有很大的失真 对应正弦波会使得波形振幅变小 且引入相位差 对脉冲波形 表现为上升沿和下降沿均变慢 甚至畸变为三角形波 第四章示波器及示波测量 6 Y偏转放大器的带宽不足 放大器高频截止频率不够高 高频信号前后沿失真 扫描速度不够快 显示高频信号时 要有足够高的扫描速度 普通示波器无法达到 亮度不够 对于高速脉冲 其亮度很低 对于高频信号的显示必须采用更好的高速示波器和取样示波器 第四章示波器及示波测量 7 高速示波器显示ns ps级的脉冲或微波信号 它不同于普通示波器的关键是示波管 Y放大器 时基发生器 4 6 1 高速示波器 100MHz 1GHz 1 示波管 高速示波管的偏转系统接线要短 偏转板间距离d要大 以使分布电容小 加速电压要高 以减小电子渡越时间 因而偏转灵敏度将很低 为了保证示波器灵敏度 则要求Y轴放大器必须有更大的放大倍数 这无疑增加了Y轴放大器实现上的困难 因此 在要求更高速度时 采用行波示波管 第四章示波器及示波测量 8 2 放大器 Y放大器是宽带放大器 目前集成电路放大器带宽可达到1000MHz以上 3 时基发生器 由于高速示波管的偏转灵敏度很低 限制了被测脉冲的最高重复频率 第四章示波器及示波测量 4 6 1 高速示波器 100MHz 1GHz 9 4 6 2 取样示波器 1GHz 20GHz 将高频 一般为1000MHz以上 的重复性的周期信号 经过取样 取样速率可调 变换成低频的重复性的周期信号 再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示波器取样示波器经过频率转换 是一种 非实时取样 示波器 第四章示波器及示波测量 10 4 6 2 取样示波器 1GHz 20GHz 非实时取样技术把一个高频或超高频的信号经过跨周期的取样 形成一个波形和相位完全相同 幅度相等或成某种严格比例的低频 或中频 信号 对低频信号的测量 要比对高频信号的测量在技术上成熟得多 测量精度也宜于保证 取样装置加普通示波器就是取样示波器的结构 取样装置可将频率上限扩展到十几个GHz 例如HP1811A型取样示波器的频宽为18GHz 第四章示波器及示波测量 11 对取样脉冲 取样脉冲的间隔为T t T为输入信号Ui t 的周期 每次取样相当于前一个取样点时间延迟 t 经过多次取样 最后将被测信号的波形展宽显示出来 图4 6 3非实时取样过程 第四章示波器及示波测量 1 非实时取样原理 被测高频信号 取样脉冲 采样信号 输出的量化信号 12 如图 c 和 d 所示 c 为采样值 d 是经过保持及延长后形成的量化信号 通过若干周期对波形的不同点的采样 将高频信号转换成低频信号 以通用示波器显示uy t 的包络波形来反映和表现被测的实际高频信号波形 图4 6 3非实时取样过程 第四章示波器及示波测量 1 非实时取样原理 被测高频信号 取样脉冲 采样信号 输出的量化信号 13 2 取样示波器组成 图4 6 4取样示波器框图 被测信号通过取样门后 变成窄脉冲信号 经放大后 送入延长电路 形成信号包络 Y通道由取样门 放大电路及延长电路组成 延长电路由保持电容及直流放大器构成 以便将窄脉冲取样信号Us t 展宽 得到量化的包络信号 第四章示波器及示波测量 14 取样信号波形由不连续的亮点构成 须采用阶梯波作扫描电压 其波形对应关系如下图 在量化信号 a 与阶梯扫描信号 b 共同的作用下 就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图 c 所示 当取样点足够密时 即图 c 中亮点足够密时 该波形便能无失真的表现出被测高频波形 图4 6 5显示过程 第四章示波器及示波测量 15 取样示波器是一种非实时取样过程 它只能观测重复信号 对非重复的高频信号或单次信号 只能用高速示波器进行观测 第四章示波器及示波测量 时基单元功能 产生阶梯波电压产生与扫描电压同步的延迟脉冲 16 4 7记忆示波器与存贮示波器 从通用示波器到取样示波器 主要解决了示波器的带宽问题 取样示波器最高带宽已经达到50GHz 但是 这些示波器没有存储功能 只有当被测信号存在时 才能进行观测研究 第四章示波器及示波测量 17 存储示波器是将被测信号先存贮在某种介质上 以便后来用于观测 存储和显示是分开进行的 目前对信号的存贮有两种方法 即模拟存储和数字存储 记忆示波器与存贮示波器分别利用模拟存贮技术和数字存贮技术 将信息进行存贮 当需要显示时 再在荧光屏上进行显示 这两种示波器主要用于记录瞬变的单次信号 由于存贮技术与示波技术的结合 给研究单次瞬变信号的波形带来了极大的方便 第四章示波器及示波测量 18 4 7 1 记忆示波器 记忆示波器的记忆功能是由记忆示波管完成的 利用具有记忆能力的材料制成的示波管结合相应的电子线路 就形成了记忆示波器 由于数字技术的迅猛发展 数字存贮示波器的出现 使得记忆示波器的发展受到一定的影响 第四章示波器及示波测量 19 4 7 2 数字存储示波器 1 数字存储显示基本原理 在数字存储示波器中用于存储数字化波形的器件是数据存储器 RAM 以下简称存储器 由于大多数被测信号是模拟量 必须通过量化之后才能存入RAM 因此信号的存储过程如图4 7 4所示 图4 7 4模拟信号的量化和存储 第四章示波器及示波测量 20 模数转换器 A D 对模拟信号进行量化 量化后的离散量值与 A D 的位数及编码方式有关 A D的位数越多 测量分辨力越高 而量化值就越接近模拟来量 测量误差也越小 A D的位数是存储示波器的一项重要技术指标 第四章示波器及示波测量 21 转换速率是存储示波器的另一项重要技术指标 根据采样定理 A D的转换速率必须高于被测信号最高频率分量的两倍 第四章示波器及示波测量 22 在示波器中为了在屏幕上再现被测信号波形 需要依次从RAM中读出数据 并经过A D 数模转换器 和Y放大器恢复为模拟信号再作用于示波管的Y偏转板 4 7 5数字存储示波器原理框图 第四章示波器及示波测量 23 为了能在屏幕上将测量信号展现出来 还需要对X偏转板加扫电压 由于Y偏转信号是时间离散的幅值 因此X偏转电压不是用锯齿波发生器产生 而是用数码经A D产生的阶梯波 数字存储示波器的基本组成如下图所示 4 7 5数字存储示波器原理框图 第四章示波器及示波测量 24 由于被测信号已经被存储 波形的显示和存储可以分开进行 因此与宽带示波器相比 DSO对其显示功能的速度要求不高 只要选择一个适合人们观察的速度即可 此外 对于变化极慢的信号 由于采用了合适的显示速度 也不会给人以闪烁的感觉 第四章示波器及示波测量 25 2 数字存储显示的特点及发展前景 1 数字存储示波器的特点 由于数字存储示波器是以通用示波器为基础 并采用计算机和大规模集成电路等先进技术 因此具有如下特点 第四章示波器及示波测量 26 1 使用方便 早期数字存储示波器的操作几乎和传统示波器一样 由于面板上众多的微调旋钮 控制开关 一不小心就会操作失误 得不到正确测量结果 第四章示波器及示波测量 27 1 使用方便 现今的DSO可以提供操作菜单 利用键盘通过人机对话进行各种选择 而仪器面板仅有少数调节元件和开关 操作十分方便 而且不易出错 屏幕上除了显示波形之外 还用文字表示测量结果 如前所述的读出示波器一样 第四章示波器及示波测量 28 2 测量精度高 传统示波器的扫描速度是由扫描发生器决定的 精度和稳定性均不高 DSO的扫速取决于单位时基长度的取样点数 每一点的时间决定于采样时钟速率 第四章示波器及示波测量 29 2 测量精度高 由于采样时钟来源于晶体振荡器 所以DSO具有很高的测时精度和稳定性 其次 由于DSO采用高分辩力A D和高稳定度基准源 A D的位数越多 量化间隔越小 测量精度也高 通常DSO的测量精度达1 左右 而通用示波器一般为3 5 第四章示波器及示波测量 30 3 信号处理和显示分开进行 信号处理是指模拟信号的处理及数据存储 包括信号调理 采样 A D转换以及数据存储等电路 信号显示主要包括CRT X Y通道的数模转换及X Y放大器 信号的显示与处理可以分别进行 可以分别设计 第四章示波器及示波测量 31 3 信号处理和显示分开进行 信号处理部分必须根据被测信号的变化速率进行设计 尤其是对于高速信号设计的难度较大 对显示部分的速度要求不是太高 可以采用大屏幕 磁偏转 彩色显示器 液晶 发光二极管等器件 有助于减小仪器体积 降低功耗 第四章示波器及示波测量 32 3 信号处理和显示分开进行 对于变化极慢的信号 消除了模拟示波器的闪烁现象 因为在DSO中可以以较慢的速度进行信号采集 存储 而显示速度仍可较快 使之无闪烁感 第四章示波器及示波测量 33 4 多种触发方式 DSO的信号通道在不断进行采样 量化 存储器已经存满也可以不断地以新的数据取代原有的数据 即先进先出 触发信号出现的时刻仅作为停止存储的一种标志 因此 DSO中有正延时触发 也有负延时触发 第四章示波器及示波测量 34 4 多种触发方式 正延时触发指可以观测触发点以后的被测信号 负延时触发可以观测触发点之前的信号 给波形分析带来很大方便 负延时触发功能在通用模拟示波器中是无法实现的 因为它只能在触发点之后产生扫描 显示被测信号 不可能观测到触发前的信号 第四章示波器及示波测量 35 5 多种显示方式 由于显示的信号波形是取自存储器的数据 因此DSO具有多种波形显示方式 基本显示方式是从存储器中读出已有的数据进行显示 刷新显示方式是不断从存储器中读取当前采集存储的数据 使得屏幕显示不断更新 滚动显示方式是指信号波形在屏幕上从右向左滚动 相当于对信号观察的窗口从左至右移动 第四章示波器及示波测量 36 6 便于进行多波形分析比较 数字存储示波器不仅像传统的双踪示波器那样对当前的两个信号波形进行比较 而且还可以对已经存储的波形之间进行比较 以及对当前波形和已经存储的波形之间进行比较 第四章示波器及示波测量 37 7 便于波形数据的分析处理 数字存储示波器内含计算机 或者通过标准总线将信号数据送到外部计算机 能很方便地进行数据处理 得到被测信号的周期 脉冲前后沿时间 信号幅度的最大值 最小值 有效值及信号任何一个部位的电压和时间等量值 还可以进一步计算信号的频谱 方差等 第四章示波器及示波测量 38 7 便于波形数据的分析处理 DSO的数据处理能力在某种程度上可以起到硬件作用 例如前述高灵敏示波器为了实现低噪声 低漂移 必须在电路设计上下很大功夫 而在DSO中借助软件运算功能就可以克服噪声 漂移对测量的影响 减轻对硬件的要求 第四章示波器及示波测量 39 8 可以实现永久性存储 只要存储器不断电 其数据将会长期存储 如果将这些数据转存磁盘 光盘等其他存储介质亦可永久存储 通用示波器是没有这种存储能力 即使是记忆示波器也只能存储一个星期的时间 第四章示波器及示波测量 40 2 发展前景 目前DSO和宽带示波器的带宽不仅具有同等水平 1GHz 而且HP公司的54720D型数字存储示波器带宽已经达到2GHz 超过模拟示波器的水平 DSO还在不断吸收模拟示波器的某些有关技术 因此 DSO取代模拟示波器的时间已经指日可待了 第四章示波器及示波测量 41 3 数字存储示波器的主要技术指标 1 最高采样速率 指单位时间获取被测信号的采样点数 目前 在DSO的Y通道中限制最高采样速率的因素主要是A D的转换速度 在DSO中采样速率可以根据示波器的时基因数 t div 进行选择 当t div确定之后 采样速率fs为 fs n t 式中n为每格 div 的采样点数 因此 DSO的最高采样速率fsmax相应于示波器最快扫描速度档位 例如 最快时基因数为1ns div时 则fsmax应该是100点 1纳秒 或者为1011点 s 第四章示波器及示波测量 42 2 存储带宽 模拟示波器的带宽是以3db带宽定义的 而DSO则根据采样定理 定义其带宽为最高采样速率 fsmax 的一半 即 fh 0 5fsmax式中fh为带宽的上限频率 第四章示波器及示波测量 43 2 存储带宽 通常 示波器的实际带宽不可能达到fh 0 5fsmax 它只是DSO带宽的理论值 通常用有效存储带宽 BWa 表征DSO的实际带宽 其定义为BWa fsmax k 式中k为带宽因子 例如HP公司的54720D示波器的采样速率为8Gs s时 相应带宽为2GHz 即带宽因子k 4 第四章示波器及示波测量 44 3 存储长度 表示一次采样 存储过程中获取被测信号长度的能力 A D转换所得数据写入存储器 存储长度是以存储器的存储字的最大数量表示的 第四章示波器及示波测量 45 3 存储长度 一个存储字相应于一个采样点的量化数据 如果A D是8位 则一个字为8位二进制数码 占8位存储器的一个单元 即存储长度为1 为了有较长的存储长度 在多通道示波器中 有时只有一个通道工作 这时将原属于各个通道的存储器叠加使用 第四章示波器及示波测量 46 4 测量分辨力和测量精度 目前DSO的电压分辩力为8位 时间分辩力达10位 1 电压分辨力 或称垂直分辨力 主要取决于量化器 A D 的位数 通常以量化结果最低有效位 1LSB 所对应的电压表示其分辨力的高低 例如 当测量的满度值为10V时 8位A D测量分辨力 V为 V Vf 28 10 256 40mV A D的位数越多 DSO的分辨力越高 分辩力越高测量精度也相应提高 A D的量化误差为1 2LSB 第四章示波器及示波测量 47 4 测量分辨力和测量精度 目前DSO的电压分辩力为8位 时间分辩力达10位 1 电压分辨力 或称垂直分辨力 主要取决于量化器 A D 的位数 通常以量化结果最低有效位 1LSB 所对应的电压表示其分辨力的高低 第四章示波器及示波测量 48 分辨力也与Y通道的偏转因数Dy有关 例如 A D为10位 当Dy为1V div时 电压分辨力 V为 V 1V div 210 10div 0 01V 如果Dy为0 1V div 这时的分辨力为 V 0 001V 1mV 在模拟示波器中要从0 1V div的偏转因数中辩认出1mV的电压差异是困难的 而在DSO中则可以方便地实现 第四章示波器及示波测量 49 2 时间分辨力 或称水平分辩力 是指示波器X坐标上相邻两样点之间的时间间隔 t的大小 在示波器中X方向有10点 而10位D A则有1024点 相当于100点 div 其测量分辨力可以达到0 01div 而在模拟示波器中要能读出0 01div的差别是很难的 第四章示波器及示波测量 50 2 时间分辨力 或称水平分辩力 在DSO中 时间测量的分辨力也与时基因数Dx有关 例如当Dx为10ms div时 时间分辨力 t 10ms 100 0 1ms 用10位D A 如果Dx为0 1ms div则 t 1 s 所以DSO的扫描速度越高则测量的时间分辨力就越高 时间测量精度主要与D A所用基准电压源以及控制时钟的精度有关 而在模拟示波器扫描非线性是测量误差的主要因素 相比之下DSO的测时精度要比模拟示波器高得多 第四章示波器及示波测量 51 4 数字存储示波器的主要部件及要求 从数字存储示波器的组成来说 与模拟存储示波器的主要差别在于采用了A D D A 存储器以及控制系统等部件 尤其是宽带DSO对这些部件的要求很高 1 高速模数转换器 DSO采用了A D和D A转换器 D A的转换速度要能适应宽带DSO的要求 宽带示波器中的A D主要是并行比较式和并串比较式两大类 第四章示波器及示波测量 52 1 并行比较式A D 并行比较式A D的转换速率高达几百兆赫 待转换的信号Vi同时作用于若干个比较器的输入端 这些比较器具有不同的比较电平 对于n位A D而言 一共用 2n 1 个比较器 与 2n 1 个量化等级相对应 每一个比较器的比较电平从基准电压 Vr Vr经分压而得 它们依次相差1LSB 第四章示波器及示波测量 图4 7 6并行比较式A D原理图 53 1 并行比较式A D 当信号Vi大于某个比较电平 则该比较器输出高态 1 反之则为低 0 这些比较结果经编码逻辑电路得n位二进制码 送至输出寄存器 即为模数转换结果 第四章示波器及示波测量 图4 7 6并行比较式A D原理图 54 下图电路是在采样时钟的作用下工作的 当信号Vi作用于输入端时 比较器的输出就跟踪Vi的变化 只有在采样时钟为有效时 比较器的结果才被保持 输出 图4 7 6并行比较式A D原理图 第四章示波器及示波测量 1 并行比较式A D 55 由于并行比较式A D的各个比较器同时进行比较 其转换速度只取决于比较器 编码器 寄存器的响应速度 所以转换速度快 图4 7 6并行比较式A D原理图 第四章示波器及示波测量 1 并行比较式A D 56 2 并串式A D 目前 并行式A D的转换速度最快 但是 电路结构却很复杂 例如前述AD9006六位并行式A D需要26 1 63个比较器 如果8位A D 将需要255个比较器 电路实现的难度很大 因此人们提出了并串式A D 图4 7 7并串式A D原理图 第四章示波器及示波测量 57 图中以6位A D为例说明其组成结构 由两片并行比较式A D 一片为4位 另一片为2位 4位D A转换器 减法放大器及其他电路组成 比较过程分两步 第一步是4位二进制数码经D A对信号Vi进行转换 得4位二进制转换结果 b6 b3 第四章示波器及示波测量 2 并串式A D 58 第二步是将所得4位数码经D A 也是4位 转换得输出电压V1并作用于减法放大器反相端 Vi和V1相减并放大后作用于2位A D的输入端 得2位二制码转换结果 b2 b1 转换结束后共得6位二进制码 其中4位A D的二进制码为高4位 而2位二进制码为低2位 其结果显示为b6b5b4b3b2b1 第四章示波器及示波测量 2 并串式A D 59 并串式A D所需比较器的个数为 24 1 22 1 18 而6位并行式A D则需要63个 前者所用比较器的数量显著减少 电路也简单 但是要花两步才能完成一次转换过程 转换速度要比并行式的慢一些 因此 在选用模数转换器时必须对电路结构和转换速度作出选择 第四章示波器及示波测量 60 2 存储器 从DSO的要求看存储应该是高速大容量的 在存储速度不够高的情况下也可以将高速采集的数据分路变为低速数据进行存储 图4 7 8高速数据的分路存储 第四章示波器及示波测量 61 2 存储器 图中将A D转换所得的高速数据经过寄存器后分为2路 分时存入RAM1和RAM2 有时还可以分为更多路进行存储 例如4路 这时对存储器的速度要求可以降低到1 2或1 4 就可采用廉价的慢速存储器存储高速信号 图4 7 8高速数据的分路存储 第四章示波器及示波测量 62 3 控制系统 1 单处理器系统 DSO在控制器的管理下完成各项测量任务 而控制的核心是微处理器 有时CPU的速度还不能满足高速数采集和存储的要求 必须有独立的高速时钟电路在CPU的管理下进行工作 第四章示波器及示波测量 63 3 控制系统 2 多处理系统 DSO的控制系统不仅要进行数据采集 还要实现数据处理 显示 人机控制等功能 如果用一个CPU很难及时完成这些任务 因此 现代DSO出现多CPU系统 第四章示波器及示波测量 64 3 控制系统 在电子仪器的多CPU系统中 通常一个CPU为主CPU 具有相应的存储器 RAM ROM 输入输出接口 I O 和外设 例如键盘 显示器等等 执行管理整个仪器的软件 其他为从CPU 在主CPU的管理之下完成某一部分工作 例如在DSO中一个CPU用于数据采集 一个CPU用于显示 一个CPU用于数据处理等 第四章示波器及示波测量 65 5 高速信号采集技术 目前 世界各大仪器公司的高速A D不断问世 例如美国LeCroy公司的A D转换速率为10Gs s HP的为8Gs s Tek的为4Gs s 但是 这些A D还不能商品化 或者价格昂贵 对于一般用户可望不可及 能否用低速器件采集和存储高速信号呢 现有如下4种方案供参考 第四章示波器及示波测量 66 1 CCD器和A D相结合采集高速信号 其特点是重复取样和实时取样相结合 模拟存储和数字存储相结合 首先对被测信号进行重复非实时取样 实现从高频至低频的频率搬移 并借助电荷耦合器件 ChargeCoupleDevice 简写为CCD 进行信号的模拟存储 然后将CCD中存储的信号读出并进行A D转换 其数字化结果存入RAM 这是数字存储 第四章示波器及示波测量 67 2 扫描交换管和A D相结合采集高速信号 这种采集过程是将高速信号存储在扫描变换管的靶面上 然后通过电子扫描靶面以图像信号输出的形式取出存储信号 并经A D转换将数字化结果存入存储器 由于靶面存储信号的时间可以维持30s时间 所以对A D转换器及存储器的速率要求都可以放低 第四章示波器及示波测量 6