电子测量与仪器 第四章 时域测量-电子示波器

.,4.6数字存储示波器,数字示波器，又称数字存储示波器(DSO,DigitalStorageOsilloscope)。数字存贮示波器采用数字电路，将输入信号先经过A/D变换器，将模拟波形变换成数字信息，存贮于数字存贮器中。需要显示时，再从存贮器中读出，通过D/A变换器，将数字信息变换成模拟波形显示在示波管上，或是直接将数字信号显示于LCD屏上。特点：A/D+RAM+D/A+CPU优点：存贮时间长；能捕捉触发前的信号；可与计算机相连接；可分析复杂的单次瞬变信号。,仪器科学与工程系,.,一、数字示波器的组成原理:（不同时期的DSO）1、模拟+数字存储示波器(早期),能在数字、模拟两种工作方式下工作。在Y通道中插入数字元件A/D、RAM、D/A，X通道仍产生锯齿波。功能、性能受限制，静电偏转示波管带宽有限。,.,2、单处理器数字示波器(较早前),能在数字、模拟两种工作方式下工作,.,组成：取样通道、X通道、Y通道、示波管、CPU、GPIB。CPU控制采样、存储、读出、显示等，信息通道总线交换。控制部分：键盘+CPU+程序ROM。ROM内写有仪器的工作程序，通过键盘进行参数设定，测试等。采样通道：模拟信号A/D数字信号存储于RAM。此过程受CPU控制。读出显示：Y通道将RAM中的数字信号重新恢复成模拟信号；X通道产生阶梯扫描电压。X、Y通道同时加在示波管CRT上把波形沿水平方向展开。,.,思考：如何确定采样频率fs？,.,3、多处理器数字示波器(较新)提高采集速度、带宽，反混迭失真模拟通道：包括多个模拟通道，信号经衰减器、前置放大、S/H、后置放大器后送入A/D转换。前置放大器的信号同时送入触发选择器。采集处理器：示波器中使用随机-重复采样技术，采样处理器根据采样与触发的对应关系来确定数据在波形存储器中的位置，以便重构波形。波形翻译器：专用的处理器。将数据点与时间值按时间顺序对应，翻译成与显示器Y、X相对应的水平像素位置。CRTD/A，光栅，LCD不需要D/A主微处理器：人机接口，软件操作系统，增强功能,.,HP54600(三个处理器),.,LeCroy(USA),突出了DSP及软件功能,.,二、信号采集处理技术1、早期数字示波器的缺点,屏幕更新率低.更新率指每秒钟可以捕获波形的数目。单CPU示波器无法满足实时要求，存在死区时间。即信号经“A/D存储处理D/A显示”至下一次波形的采集会产生时间间隔。提高更新率，400k幅的更新率数字实时存储示波器有混迭失真造成混迭失真的原因是欠采样。采样定理避免措施：提高采样速率；峰值检测，以峰值为基本采样点，加上其它采样点，则不会产生失真。抗混叠技术,.,欠采样生成的混迭失真,.,2、采样方式实时采样：满足采样定理，内插显示(45)BW，不内插10BW。高速A/D及RAM价格比较高，对于重复信号，以较低的采样频率获得较高的采样带宽。随机采样：每个周期采集一定数量的样点，经多个周期的样点恢复出波形。信号与采样时钟非同步，采样触发点与下一个采样点的时间间隔是随机的，信号为周期信号，每个周期的采样，等效为对“同一波形”的(欠)采样。顺序采样：满每一周期采一个样点。所需要时间长，不能观测单次信号,.,3、采样速率采样速率又称数字化速率。描述方式：单位时间内的采样次数，20Msps采样频率描述，20MHz信息率描述，单位时间内储存多少bit/byte.160Mb/s采样速率可以提高DSO带宽，但采集速率还受采集存储器容量的限制。一般在不同扫描时，采样速率是不一样的，但存储容量是相同的，如存储10000点。,.,4、采集器件主要是指A/D器件。高速的A/D技术，目前已有10Gsps.。高速的A/D技术有两种类型：并联比较式A/D转换器同时通过多个A/D交叉复用，控制时钟依次叉开，可进一步成倍提高采样速率。这种组合方式降低了对A/D的速率及RAM的存储速度的要求。,.,并联比较式A/D-最快的A/D转换器缺点:器件复杂,需要2n个比较器.,.,多个A/D交叉复用，可使采样速率成倍提高.,DDR:DoubleDataRate,.,CCD+A/D技术CCD：高速模拟存储2.5GspsA/D：低速数字化处理,缺点:CCD记录长度有限.,.,5、采样存储器速度要求：多个低速存储器分时轮流写入。要求精确定时。数据更新：具有循环存储功能。,6、触发功能负延迟触发：可以观测触发点之前的信号。正延迟触发：是指可以观测触发点以后的信号。距离触发点的延迟时间可以由程序设定。负延迟在模拟示波器中无法实现。,.,采样存储器结构循环存储,触发功能,触发后推进=总长-负延时N=L-M,.,触发源：内触发(各个通道皆可)，外触发，电源触发触发模式：自动，正常，单次触发类型：边缘触发，脉冲触发，延迟触发，毛刺触发,毛刺触发用途：识别尖峰干扰,.,7、采样速率与记录长度采样速率与记录长度有以下关系：L(p)=fs(sps)S(t/div)10(div),早期DSO，扫速与采样速率联动。（现在这样的DSO也常用）。即改变A/D转换速率。缺点：记录长度太短，10000个点，不能完整记录一个较复杂的信号。不便同时观测快慢信号。如电视信号中含有快慢的波形(图6.64)。快扫，慢扫都不利。发展方向：增加记录长度，设计超快、超长的采集存储器。波形快速缩放技术(波形显示也是很有意思地),扫速与采样速率联动.,.,例：A的最高采样率为1GS/s，存储深度为1MB；B的最高采样率为200MS/s，存储深度为1KB。问当扫速从10ns/div变化到1000ms/div时，试计算采样率的变化情况.,.,8、有效比特分辨率分辨率都较低，8bit，受信号频率，存储数据量，干扰等限制。,三、波形显示技术1、点显示技术：用较少的点构成波形：视觉混淆2、数据点内插技术线性内插正弦内插：专用于正弦信号3、有效存储带宽：正弦条件下，USB=fsmax/k.(单次带宽)USB与采样速率和波形重组方法有关4、显示屏：CRT、LCD（光栅扫描）,.,四、示波器的技术指标1、带宽（BW）：幅度随频率变化下跌3dB时的频率宽度重复带宽：采用非实时取样技术，可做到很宽，几十GHz单次带宽：有效存储带宽，与采样速率，波形重组方法有关2、上升时间(RiseTime)：与模拟示波器的不同.扫速（采样间隔）2点or3点？3、垂直灵敏度:V/div1-2-5步进(与校准信号比较得到误差)4、垂直分辨率:与A/D比特数有关,.,5、采样速率（SampleRate）：A/D的最高采样速率，现代DSO可达20GS/s以上。采样速率fs，每格样点数N/div，扫速t/divfs=N/(t/div)6、记录长度(存储深度)：7、扫速：t/div1-2-5步进(与校准信号比较得到误差)8、水平分辨率：精密触发内插器N,分辨率1/Nfs9、触发灵敏度：能够触发同步的最小信号幅度触发晃动：同步的良好程度,.,