电子仪器测量第6章时域测量

1、泰克：示波器的世界标准泰克：示波器的世界标准 第六章第六章 时域测量时域测量本章要点：本章要点： 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、信号采集处理技术、特性与功能特性与功能三种图示式仪器三种图示式仪器：时域时域示波器示波器、频域频域频谱仪、数据域频谱仪、数据域逻辑分析仪逻辑分析仪。 T T图图6.1 6.1 调频波频谱图调频波频谱图F FU U调制域调制域频域频域时域时域一一 基

2、础知识基础知识1 1 示波器的功用示波器的功用1. 1. 示波器是一种基本的、示波器是一种基本的、应用最广泛应用最广泛的时域测量仪器。的时域测量仪器。2. 2. 是一种是一种全息仪器全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。仪

3、器难以胜任的。 3. 3. 示波器从早期的示波器从早期的定性观测定性观测，已发展到可以进行，已发展到可以进行精确测量精确测量。4. 4. 示波器是其它示波器是其它图式仪器的基础图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用分析仪以及医用B B超等各种图示仪器就容易理解了。超等各种图示仪器就容易理解了。2 2 示波器的分类示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为：当前常用的示波器从技术原理上可分为： （1 1）模拟式模拟式通用示波器通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。最通用的示波器）。 （2 2）数字式数字

4、式数字存储示波器数字存储示波器（采用（采用A/DA/D、DSPDSP等技术实现等技术实现的数字化示波器）。的数字化示波器）。（1 1）中、低档示波器，带宽在中、低档示波器，带宽在60MHz60MHz以下以下。 （2 2）高档示波器，带宽在高档示波器，带宽在60MHz60MHz以上，大多在以上，大多在300MHz300MHz以下。以下。 更高档的有更高档的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。 从性能上，按示波器的带宽可分为：从性能上，按示波器的带宽可分为： 3 3 示波器的组成示波器的组成 Y Y（垂直）通道（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和：由探头、衰减器、前置放大器

5、、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。量灵敏度。X X（水平）通道（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏显示屏：主要由阴极射线管组成，：主要由阴极射线管组成，常以常以CRT (Cathode Ray Tube)CRT (Cathode Ray Tube)表示，通

6、常称为示波管。当前以表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（液晶显示屏（LCDLCD）已经应用于）已经应用于示波器了。示波器了。 Y(Y(垂直垂直) )通通 道道X(X(水平水平) )通通 道道电源电源图图6.2 6.2 示波器的基本组成示波器的基本组成显示屏显示屏二二 显示屏显示屏示波管示波管CRT静电偏转静电偏转：光点轨迹显示光点轨迹显示磁场偏转：光栅增辉显示显示磁场偏转：光栅增辉显示显示被动发光：被动发光： 液晶屏液晶屏L

7、CD+ +背光板背光板平板显示平板显示FPD主动发光主动发光液晶屏液晶屏TFT荧光屏荧光屏VFD等离子等离子PDP发光二极管发光二极管LED场致发射场致发射FED电致发光电致发光EL板板 显示屏的种类显示屏的种类 当前用于示波器的主要是：示波管、当前用于示波器的主要是：示波管、TFTTFT液晶屏及荧光屏液晶屏及荧光屏VFDVFD。本节着重介绍当前应用最广的。本节着重介绍当前应用最广的示波管示波管和和TFTTFT液晶屏液晶屏。 1 1 示波管（示波管（CRTCRT） 示波管属于电真空器件，又称为示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（阴极射线管（CRTCRT）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3

8、V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管Z Z轴轴兰色：电力线兰色：电力线红色：等位面红色：等位面（1 1） 电子枪电子枪电子枪的作用是电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：它由以下几部分组成： 1.1.灯丝灯丝FF在交流低压在交流低压( (如如6.3V)6.3V)下使钨丝烧热下使钨丝烧热, ,用于加热阴极。用于加热阴极。2.2.阴极阴极KK是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）

9、是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属的金属 3.3.第一栅极第一栅极G1G1调节调节G1G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。面板上供使用。 当控制信号加于当控制信号加于G1G1，其，其亮度亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z Z轴轴电路。电路。4.4.第二栅极第二栅极G2G2隔离开隔离开G1G1和和A1A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.5.第一阳极第一阳极A1A1与第二阳极与第二阳极A2A2构成一个电子透镜，

10、对电子束起构成一个电子透镜，对电子束起聚焦聚焦作用。作用。 6.6.第二阳极第二阳极A2A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1A1构成构成电子透镜。电子透镜。 7.7.第三阳极第三阳极A3A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速后加速阳极阳极。 （2 2）. . 偏转系统偏转系统1 1静电偏转静电偏转-光点法光点法-用干示波器用干示波器2.2.磁偏转磁偏转-光栅法光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。用于电视机、计算机显示器及示波器。2yyyaLsyUh UbU图图6.4 6.4 电

11、子束的偏转电子束的偏转L LS SY YU Uy yU Ua a屏幕屏幕电子束电子束A A2 22yyyaLsyUh UbU比例系数称为示波管的偏转比例系数称为示波管的偏转因数，单位为因数，单位为cm/Vcm/V，它的倒，它的倒数数DDy y1 1h hy y称为示波管的偏称为示波管的偏转灵敏度，单位为转灵敏度，单位为V/cmV/cm。偏。偏转灵敏度是示波管的重要参转灵敏度是示波管的重要参数数。（3 3） 荧光屏荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间

12、余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的的1010，所延续的时间称为余辉时间，所延续的时间称为余辉时间 小于小于10s10s的为极短余辉；的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：不同荧光材料余辉时间不一样：10s10s1ms1ms为短余辉（通常是为短余辉（通常是蓝色蓝色，便于摄影感光）；，便于摄影感光）；1ms1ms0.1s0.1s为中余辉（通常为为中余辉（通常为绿色绿色，眼睛不易疲劳）；，眼睛不易疲劳）； 0.1s0.1

13、s1s1s为长余辉（通常是为长余辉（通常是黄色黄色）；）；大于大于1s1s为极长余辉（通常是为极长余辉（通常是黄色黄色）。）。三、三、波形显示原理波形显示原理1 1 显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形 （1 1）. .光点扫描显示原理光点扫描显示原理 光点位置控制：光点位置控制：( (示波管荧光屏示波管荧光屏) )u uy yY Y1 1Y Y2 21 12 23 34 40 0t t1 13 30 02 2 4 4(a)(a)(b)(b)t tX X2 2X X1 10 00 0u ux xT Ts sT Tn n+ + + + + + +- - - - - - - - - - - -

14、 - -+ + + + + + +光点在合力作用下移动光点在合力作用下移动. .（2 2）. .信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步u uy y1 12 23 34 40 0t tT Ts su ux xu uy yu ux xX X1 1X X2 2Y Y1 1Y Y2 21 12 23 34 40 0t t0 0T Tn n1 12 23 34 40 0图图6.6 6.6 扫描过程扫描过程u uy yT Ts sT Tn nt t0 01 13 35 57 79 910108 86 64 42 20,80,81,91,95 53 37 7210210 4124126 68 81 1t

15、tu ux x2 25 57 79 91 12 23 33 34 44 45 56 66 67 710108 8图图6.7 6.7 扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测信号同步同步同步：T Tn n/T/TS S=n=nN=1N=1，2 2，波形稳定波形稳定若显示两个正弦波怎么办？若显示两个正弦波怎么办？（3 3）. .连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描连续扫描：一开机就有扫描线，一开机就有扫描线，来信号同步后波形来信号同步后波形才稳定。才稳定。触发扫描触发扫描：一开机没有扫描线，一开机没有扫描线，来信号触发后波形来信号触发后波形才稳定。才稳定。T Ts st tt tt tt tu

16、 uy yu ux xu ux xu ux xT Tn nT Tn n图图6.9 6.9 连续扫描和触发扫描的比较连续扫描和触发扫描的比较1mS1mS1S1S9999992 2 显示两个变量之间的关系显示两个变量之间的关系E EU UE EV V长度：饱和度长度：饱和度角度：色调角度：色调U Ux x和和U Uy y配合起来，即能够画出任意的波形。配合起来，即能够画出任意的波形。利用这种特点就可以把示波器变为一个利用这种特点就可以把示波器变为一个XYXY图示仪图示仪。1.1.李萨如图形：校准频率指示李萨如图形：校准频率指示2.2.逻辑分析仪：逻辑分析仪：0 0、1 1显示显示3.3.矢量示波器

17、：色坐标矢量示波器：色坐标四四 通用示波器通用示波器1 1 通用示波器的组成通用示波器的组成通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。波器。 图图6.19 6.19 通用示波器的主要组成框图通用示波器的主要组成框图6.4.2 6.4.2 示波器的示波器的Y(Y(垂直垂直) )通道通道示波器的示波器的Y Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管波管Y Y偏转板上。偏

18、转板上。 1.1.探头（探极）与耦合探头（探极）与耦合作用作用提高输入阻抗作用提高输入阻抗作用减小外界干扰减小外界干扰提高可测测电压幅度提高可测测电压幅度分类分类无源电压探头无源电压探头有源电压探头有源电压探头有源电流探头有源电流探头注意：注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则。否则300MHz300MHz带带宽的示波器可能不到宽的示波器可能不到50MHz50MHz的效果。的效果。 1)1)无源电压探头无源电压探头20pF20pF示波器示波器180pF180pF探头探头图图6.20 6.20 通用示波器探极原理图通用示波器探极原理图输入电阻：输入电阻：1M10

19、M1M10M输入电容：输入电容：180pF18pF180pF18pF展宽了频带展宽了频带分压比：分压比：10101 1扩展示波器的量程上限扩展示波器的量程上限附加一个附加一个RLCRLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了300300MHzMHz以上。以上。 图图6.22 6.22 带有阻抗匹配时的无源探头带有阻抗匹配时的无源探头图图6.23 6.23 源极跟随器式探头的基本电路源极跟随器式探头的基本电路2)2)耦合耦合c cACACDCDC50 50 1M1M1M1M地地20p20p730pf730pf. .1001001k1k10k10k100k100k

20、1M1Mf f1KHz1KHz 10K 10K 100K 100K 1M 1M 10M 10M 100M 100M 10M 10M 50 50 2.2.输入衰减器输入衰减器 图图6.24 6.24 输入衰减器原理示意图输入衰减器原理示意图u ui iu uo oC C1 1C C2 2R R1 1R R2 2对于直流或低频情况：对于直流或低频情况： 212oiuRuRR对于高频情况对于高频情况 212oiuZuZZ当满足当满足 R R1 1C C1 1= =R R2 2C C2 2 能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。 R R1 1C C1

21、1=R=R2 2C C2 2R R1 1C C1 1RR2 2C C2 2R R1 1C C1 1Rttb b（释抑放电时间大释抑放电时间大于回扫时间于回扫时间）图图6.32 6.32 比较和释抑电路的工作比较和释抑电路的工作U UP Pu uo ou ui it tp pt tw w实用中只要选定实用中只要选定s/cms/cm，扫描环则会自动扫出，扫描环则会自动扫出合适的时基线。（不必调合适的时基线。（不必调T Tn n/T/TS S=n=n同步了）同步了）图图6.33 6.33 在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作t t1 1t t2 2t t4 4

22、t t5 5t t1 1t t3 3C Ch h充充U Ur r5)5)连续扫描状连续扫描状态态予置：予置：E E0 0EE1 1环路自激环路自激C Ch h放电至放电至E E1 1打开闸门，扫描开始，打开闸门，扫描开始，到到U Up p ，C Ch h充电，到充电，到E E2 2扫描结束，扫描结束，C Ch h又放电。又放电。当有信号（当有信号（2 2号触发脉号触发脉冲）则环路被信号所冲）则环路被信号所同步。同步。6)6)结论：结论： E E0 0调节调节触发扫描：触发扫描：E E1 1E E0 0EE2 2-常态常态连续扫描：连续扫描：E E0 0EE1 1EE2 2-自动、高频自动、高频

23、外触发扫描：外触发扫描： E E0 0E30MHz30MHz120MHz120MHz20MHz 20MHz 3000MHz3000MHz6MHz6MHz38MHz38MHz501000MHz501000MHz500MHz 示波器示波器60MHz示波器示波器100MHz示波器示波器350MHz示波器示波器50MHz的方波实际上看起来是什么样呢的方波实际上看起来是什么样呢?没有足够带宽的影响没有足够带宽的影响:波形上升时间慢波形上升时间慢幅度有衰减幅度有衰减6.5 6.5 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用 以上介绍的通用示波器是以上介绍的通用示波器是“实时示波器实时示波器”，测量时

24、间，测量时间( (一个扫一个扫描正程描正程)=)=被测信号的实际持续时间，被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的看到的就是正发生的。 但有两点不足但有两点不足:1. :1. B BWW 1500MHz 1500MHz周期重复信号难以实现周期重复信号难以实现取样取样 2. 2. 单次、非周期信号单次、非周期信号难以观测（拍照）难以观测（拍照）存储存储 B BWW再提高受到下列因素的限制：再提高受到下列因素的限制：（1 1）受到示波管的上限工作频率的限制。）受到示波管的上限工作频率的限制。（2 2）受）受Y Y通道放大器带宽的限制；通道放大器带宽的限制；(3) (3) 受时基电路扫描速度的限制

25、。受时基电路扫描速度的限制。 6.5.1 6.5.1 取样示波器的基本原理取样示波器的基本原理 1.1.实时取样和非实时取样实时取样和非实时取样 取样的概念取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。 同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点

26、数足够多，满足取样定理的要求，显示这些波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫“实时取样实时取样”。取样信号。取样信号u uo o( (t t) )的的频谱比原信号频谱比原信号u ui i( (t t) )还要宽。还要宽。由此可知，实时由此可知，实时取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。困难。 u ui i( (t t) )t tt tt tU Uo o( (t t) )图图6.46 6.46 取样过程取样过程(a)

27、(a) 输入信号输入信号(b) (b) 取样门与取样脉冲取样门与取样脉冲(c) (c) 取样信号取样信号U Uo o( (t t) )u ui i( (t t) )非实时取样非实时取样-不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图6.476.47所示。所示。 条件：条件：周期信号周期信号 连绵不断连绵不断取样点间隔：取样点间隔： mt mt + n+ nt t左图左图 m m =1=1（每个（每个周期取一点）周期取一点）若若 mm= =1010, ,10001000则

28、波形展得更宽则波形展得更宽2.2.显示信号的合成过程显示信号的合成过程图图6.48 6.48 在屏幕上由取样点合成信号波形的过程在屏幕上由取样点合成信号波形的过程t tt tt tu ux xu uy yu uy yu u5 5u u1 1u u2 2u u3 3u u4 4两对偏转板上两对偏转板上加什么样的电加什么样的电压呢压呢? ? 因要经过因要经过mtmt+t t的停留时间，的停留时间，然后跳至下一然后跳至下一点。可见点。可见X X、Y Y偏转板上都应偏转板上都应该加阶梯波该加阶梯波6.5.26.5.2 取样示波器的基本组成取样示波器的基本组成Y Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把通道

29、的作用是在取样脉冲的作用下，把高频信号变为低频信高频信号变为低频信号号。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生 t t步进延迟脉冲送步进延迟脉冲送Y Y轴系统。轴系统。 6.5.36.5.3 取样示波器的参数取样示波器的参数 取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数。的技术参数。 1.1.取样示波器的带宽取样示波器的带宽 取样示波器的带宽主要决定于取样示波器的

30、带宽主要决定于取样门（取样门（技术关键技术关键），因为，因为被测频被测频率越高，要求取样脉冲越窄率越高，要求取样脉冲越窄。当取样门所用元件工作频率足够高。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的时，取样门的最高工作频率与取样脉冲底边宽度最高工作频率与取样脉冲底边宽度 成反比成反比。通常，。通常，取样门最高工作频率可表示为取样门最高工作频率可表示为 64. 044. 0BW（6.176.17） 2.2.取样密度取样密度 取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波样点数，常用每

31、厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。形会有闪烁现象。 3.3.等效扫描速度等效扫描速度 等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。 应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（PhilipsPhilips）公司最先研）公司最先研制成功的，制成功的，19691969年美国年美国HPHP公司也研制生产了取样示波器，公司也研制生产了取样示波器，带宽已达带宽已达18GHz18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因： 一是一是单纯的取样示波器只能观测重复

32、性的周期信号，应用范单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限围受限； 二是二是数字技术的发展，已将数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了取样技术融合到数字示波器中去了，现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。 因此，现在市场上已因此，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了很少见单纯的取样示波器了，但取样示波，但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。 6.66.6 数字示波

33、器数字示波器数字示波器通常称为数字存储示波器数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage (Digital Storage OscilloscopeOscilloscope，缩写，缩写 DSO)DSO)。 这类这类 4441 4441 型示波器，其实时带宽为型示波器，其实时带宽为2020或或40MHz40MHz，最大采样，最大采样率为率为10MS/s10MS/s或或25MS/s25MS/s。 6.6.1 6.6.1 数字示波器的组成原理数字示波器的组成原理 1.1.模拟模拟+ +数字存储示波器数字存储示波器 输入输入放大器放大器同步同步放大放大逻辑控逻辑控制电路制电路Y Y

34、输出输出放大器放大器X X输出输出放大器放大器扫描扫描发生器发生器模拟模拟滤滤波波D /D /A AA/DA/DRAMRAM数字数字数字数字输入输入Y Y图图6.50 6.50 模拟数字存储示波器框图模拟数字存储示波器框图模拟模拟显示器显示器2.2.单处理器数字示波器单处理器数字示波器 RAMRAMCPUCPUROMROMGPIBGPIBI/OI/OI/OI/OI/OI/OD/AD/AD/AD/AA/DA/DX XY Y放大放大放大放大触发信号触发信号X X通道通道Y Y通道通道CRTCRT取样门取样门取样通道取样通道与保持与保持U Ux xU Uy y图图6.51 6.51 数字储示波器框图

35、数字储示波器框图被测信号被测信号u ui i其他其他命令命令或用软件完成或用软件完成t tU Ui iu us st tU U1 1s st tt tU Ux xt t锁存及锁存及D/AD/A变换变换读出数字量读出数字量A/DA/D变换及存储变换及存储存储数字量存储数字量图图6.53 6.53 数字存储示波器的读出显示过程数字存储示波器的读出显示过程图图6.52 6.52 数字存储示波器的采样存储过程数字存储示波器的采样存储过程RAMRAMA A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6 6A A7 7A A8 8A A9 9A A1010A A1111A A1

36、212地址地址DD0 0DD1 1D D2 2D D3 3DD1212D D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D8 8DD9 9DD1010DD1111数据数据A A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6 6A A7 7A A8 8A A9 9A A1010A A1111A A1212地址地址DD0 0DD1 1DD2 2DD3 3DD1212DD4 4DD5 5DD6 6DD7 7DD8 8DD9 9DD1010DD1111数据数据RAMRAM3.3.多处理器数字示波器（用多处理器数字示波器（用HP54600HP54600系列示波器来说明）系列

37、示波器来说明）通道通道通道通道衰减器衰减器衰减器衰减器前置放大前置放大前置放大前置放大跟踪保持跟踪保持跟踪保持跟踪保持处理器处理器后置放大后置放大后置放大后置放大波波形形总总线线A/DA/DA/DA/D采集采集触发比较器触发比较器信号调整信号调整触触发发选选择择电源信号电源信号触发电平触发电平外触发外触发按键按键接口接口接口接口选择选择模拟模拟控制控制CPUCPUROMROMRAMRAMRAMRAM视频视频光栅扫描光栅扫描显示器显示器前置放大前置放大波形波形翻译器翻译器存储器存储器波形波形收发器收发器微处理器总线微处理器总线1 12 2图图6.54 HP546006.54 HP54600数字示

38、波器简化框图数字示波器简化框图图中包含了图中包含了三个处理器三个处理器（主处理器、采集处理器和波形翻译器）（主处理器、采集处理器和波形翻译器），现分四部分进行介绍。，现分四部分进行介绍。 1)1)模拟部分模拟部分这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电压，并保持足够长的时间，以便使压，并保持足够长的时间，以便使A/DA/D能完成模数转换。能完成模数转换。 2)2)采集处理器采集处理器使用使用随机随机- -重复采样重复采样，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与

39、触发信号的相对关系来确计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放置位置，以便定它们的正确放置位置，以便重构波形重构波形。该采集处理器使用了。该采集处理器使用了HPCMOSHPCMOS技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。 3)3)波形翻译器波形翻译器 波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数据点相关的据点相关的电压和时间值翻译成电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些置，再将这些波形的像素位置波形的像素

40、位置对应地送至像素存储器。对应地送至像素存储器。 4)4)主微处理器主微处理器使用使用68000CPU68000CPU、ROMROM、RAMRAM的常规微处理器系统作为控制的常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。示波器的硬件。由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到1500000 1500000 点点/ /秒以上。秒以上。 力科力科（ LeCroy LeCroy ）的产品，更）的产品，更突出突出了了数字处理和软件数字处理和软件的功能。的功能

41、。 显示显示显示处理器显示处理器RAMRAM放大器放大器触发器触发器存储器存储器采集采集A AB BC C数字处理器数字处理器连接到连接到计算机打印机计算机打印机的数据总线的数据总线协处理器协处理器操作系统操作系统应用软件应用软件可存储到可存储到ICIC存储卡存储卡软盘软盘硬盘硬盘输入信号输入信号4 4 存档存档1 1 采集采集3 3 测量与分析测量与分析2 2 显示显示图图6.55 LeCroy6.55 LeCroy数字示波器工作原理简图数字示波器工作原理简图6.6.2 6.6.2 信号的采集处理技术信号的采集处理技术1.1.早期数字示波器的缺点早期数字示波器的缺点1)1)屏幕更新率低屏幕更

42、新率低 更新率更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率波形捕获率，即即每秒可以捕获的波形数目每秒可以捕获的波形数目。 早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，无法满足实时处理的要求。无法满足实时处理的要求。 图图6.56 6.56 更新率低造成的信号丢失和改进情况更新率低造成的信号丢失和改进情况（a a）（b b）死 区 时死 区 时间间同时，更新率低造成显示响应慢，屏

43、幕上看到的不是正在发同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。 例：右图调延迟时间例：右图调延迟时间T T，要多次反复调整才行。要多次反复调整才行。 t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4 4T T试验示波器更新率试验示波器更新率是否满足要求，一个简是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如上，快速更换

44、波形（如正弦波正弦波方波方波三三角波角波），看屏幕上是否能快速跟上变化。），看屏幕上是否能快速跟上变化。 为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（克（TektronixTektronix）公司采用）公司采用InstaVuInstaVu技术已达到了技术已达到了400000W/S400000W/S（波形（波形/ / 秒）以上，可以做到秒）以上，可以做到“模拟示波器的感觉，数字示波器模拟示波器的感觉，数字示波器的性能的性能 的效果。的效果。 2)2)有混迭失真有混迭失真 混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。混

45、迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。造成混迭失真的造成混迭失真的原因是欠采样原因是欠采样，采样频率太低，违背了奈奎斯，采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少2 2倍以倍以上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。 避免混迭失真的措施：避免混迭失真的措施： ( (a a) )( (b b) )A) A) 过采祥过采祥，即提高采样速率，即提高采样速率，在各种情况下都满足奈奎斯在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；特定理的要求； B) B

46、) 峰值检测峰值检测（包络检测），（包络检测），以峰值作为基本的采样点，以峰值作为基本的采样点，再补上其它的采样点，则不再补上其它的采样点，则不会混迭失真。会混迭失真。 上述两个缺点是现代上述两个缺点是现代DSODSO设计和使用中要防止的问题。设计和使用中要防止的问题。 2.2.采样方式采样方式数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样 ( (非实时采样非实时采样) ) ，等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图6.586.58所示。所示。 1)1)实时采样实时采样 实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单

47、的实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，排列就能表达一个波形， 一个一个周期周期（a a）实时采样）实时采样2)2)随机采样随机采样 由于实时采样由于实时采样DSODSO要求采样速率高，例如带宽为要求采样速率高，例如带宽为100MHz100MHz就就要求要求A/DA/D器件的转换速度不能低于器件的转换速度不能低于400MS/s400MS/s，这样高速的，这样高速的A/DA/D和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且记录长度长的实时采样记录长度长的实时采样DSODSO价格相当昂贵。而实际上大多数价格相当昂

48、贵。而实际上大多数测量的都是重复信号，测量的都是重复信号， 1 11 12 23 33 34 44 4（b b）随机采样）随机采样采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期第一第一第二第二第三第三第四第四1 11 12 22 23 33 34 44 43)3)顺序采样顺序采样 顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（速率（100 kHz100 kHz200kHz200kHz）获得极高的带宽（高达）获得极高的带宽（高达50GHz50GHz），并且垂直分辨率一般在，并且垂直分辨率一般在10bit10bit以

49、上。由于这种示波器以上。由于这种示波器每个采每个采样周期在波形上只取一个样点样周期在波形上只取一个样点，如图所示，每次延迟，如图所示，每次延迟一个已知的一个已知的mt+nmt+n t t 时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。 第一周期第一周期第二周期第二周期第三周期第三周期第第n周期周期 顺序采样顺序采样123n.mT+nmT+ntt3.3.采样速率采样速率采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有： 用采样

50、次数来描述，表示用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数单位时间内采样的次数。如。如20MS/s20MS/s（202010106 6次次/ /秒）。秒）。 用采样频率来描述，如用采样频率来描述，如20MHz20MHz。 用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（bitbit）的数据。）的数据。如每秒钟储存如每秒钟储存160160兆位（兆位（160Mb/s160Mb/s）的数据，对于一个）的数据，对于一个8 8位位（8bit8bit）的）的A/DA/D转换器来说，就相当于转换器来说，就相当于20MS/s20MS/s的采样率。的采样率。 采样速率高可以增大采样速

51、率高可以增大DSODSO的带宽的带宽，但事实上，但事实上，DSODSO的采样速的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器，其具，其具体定量关系见下述。体定量关系见下述。4.4.采集器件采集器件世界各大仪器公司都推出自已的高速世界各大仪器公司都推出自已的高速A/DA/D技术，有的转换速技术，有的转换速度已超过度已超过10GS/s10GS/s以上。当前在以上。当前在DSODSO中主要采用下面两种类中主要采用下面两种类型型A/DA/

52、D转换技术。转换技术。 1)1)并联比较式并联比较式 A/DA/D转换器（也称转换器（也称flashflash闪烁或瞬间式）闪烁或瞬间式） 并联比较式并联比较式 A/DA/D转换器（及分级型和流水线式转换器（及分级型和流水线式A/DA/D转换器）转换器）教材教材P198P198 2)CCD+A/D2)CCD+A/D技术技术 采用电荷耦合器件采用电荷耦合器件CCDCCD（Charge Couple DeviceCharge Couple Device）作高速模）作高速模拟存储，然后再慢速进行拟存储，然后再慢速进行A/DA/D数字化处理。这种数字化处理。这种CCD+A/DCCD+A/D组组合采集的

53、原理如图合采集的原理如图6.606.60所示。当前这种所示。当前这种单片模拟存储单片模拟存储ICIC的采样的采样速率可达速率可达2.5GS/s2.5GS/s，并且价格相对便宜。四片这样的，并且价格相对便宜。四片这样的ICIC交叉复交叉复用，可达到用，可达到10GS/s10GS/s。但是由于制造技术上的原因，这种。但是由于制造技术上的原因，这种DSODSO的记录长度有限。的记录长度有限。 两路组合采集的原理两路组合采集的原理 A/DA/D1 1A/DA/D2 2RAMRAM1 1RAMRAM2 2S Su ui i组合输组合输出数据出数据(a)(a)1.11.11.21.21.31.31.41.

54、41.51.52.12.12.22.22.32.32.42.4(b)(b)图图6.59 6.59 组合采集原理框图组合采集原理框图图图6.60 CCD+A/D6.60 CCD+A/D组合采集原理图组合采集原理图Y YA A顺序取样顺序取样Y YB B顺序取样顺序取样通道转换器通道转换器通道转换器通道转换器A AB BCCDCCDA/DA/DRAMRAMu uiAiAu uiBiB5.5.采样存储器采样存储器 第第(n-2)(n-2)次采样次采样图图6.61 6.61 采样存储器的结构形式采样存储器的结构形式最末采样最末采样次末采样次末采样第第n n次采样次采样第第(n-1)(n-1)次采样次采

55、样 要高速存储器要高速存储器：在：在DSODSO中每个新获取的采样数据都必须立中每个新获取的采样数据都必须立即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续接收数据的能力。接收数据的能力。 采用循环存储结构采用循环存储结构：采样存：采样存储器具有循环存储功能。先进储器具有循环存储功能。先进先出，总是存放有最新的先出，总是存放有最新的n nmm个个采样数据。采样数据。 预采样预采样：采用循环存储结构，：采用循环存储结构，主要是为了能观测触发之前的主要是为了能观测触发之前的波形情况，采样过程必须预先波形情况，采样过程必须预先进行，一开机就不断

56、地采样。进行，一开机就不断地采样。 6.6.触发功能触发功能“触发触发”的概念来自模拟示波器，只能观测触发点以后的波形。的概念来自模拟示波器，只能观测触发点以后的波形。 在在DSODSO中也沿用中也沿用“触发触发”叫法，设置了触发功能。但这里叫法，设置了触发功能。但这里触发触发 信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地 选取选取采样存储器中某部分的采样存储器中某部分的波形波形送至送至显示窗口显示窗口。 图图6.626.62中是观测振荡中是观测振荡器起振的过程，选择器起振的过程，选择触发电平介于零和稳触发电平介于零和稳定振幅之间

57、的某一数定振幅之间的某一数值 ， 触 发 极 性 选 正值 ， 触 发 极 性 选 正（上升沿），（上升沿），负延迟负延迟5 5格格，则可在屏幕上，则可在屏幕上同时看到触发前后的同时看到触发前后的情况，即显示了从起情况，即显示了从起振到稳定的全过程。振到稳定的全过程。显示窗口显示窗口正延迟正延迟负延迟负延迟图图6.62 6.62 触发功能示意图触发功能示意图触发点触发点正延时正延时 是指可以观测触发点以后的被测信号；是指可以观测触发点以后的被测信号；负延时负延时 可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可由程序设定，给波形分析带来很大方便。可

58、由程序设定，给波形分析带来很大方便。 尖峰干扰尖峰干扰图图6.63 6.63 毛剌触发捕捉尖峰干扰的波毛剌触发捕捉尖峰干扰的波形形触发源选择：内触发触发源选择：内触发( (可分别由通道可分别由通道1 1或通道或通道2 2触发触发) )、外触发、外触发、交流电源触发等。交流电源触发等。 触发模式选择：自动、正态、单次等。触发模式选择：自动、正态、单次等。触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发、触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发、延迟触发延迟触发及及毛刺毛刺触发触发等。等。延迟触发功能也是延迟触发功能也是DSODSO检测故障的一种手段，可以设法利用故检测故障的一种手段，可以设法利用故障形成触发

59、信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。障形成触发信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。 图图6.636.63给出了毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形。有的给出了毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形。有的DSODSO可捕捉可捕捉0.6ns0.6ns的毛刺。的毛刺。 触发类型触发类型原原 理理用用 途途边沿触发边沿触发在输入信号边沿的触发某阈值上触在输入信号边沿的触发某阈值上触发发保证周期性信号具有稳定重复的起保证周期性信号具有稳定重复的起点点延迟触发延迟触发在边沿触发点处增加正在边沿触发点处增加正/负延迟调节负延迟调节调节触发点在屏幕上出现的位置调节触发点在屏幕上出现的位置脉宽触发脉宽触发根据脉冲

60、的宽度来确定触发时刻根据脉冲的宽度来确定触发时刻捕捉异常脉宽信号捕捉异常脉宽信号斜率触发斜率触发依据信号的上升依据信号的上升/下降时间来判断下降时间来判断捕获上升边沿异常斜率信号捕获上升边沿异常斜率信号视频触发视频触发对标准视频信号进行任意行或场触对标准视频信号进行任意行或场触发发检测电视信号质量检测电视信号质量交替触发交替触发对两路信号采用不同的时基，不同对两路信号采用不同的时基，不同的触发方式，以稳定显示两路信号。的触发方式，以稳定显示两路信号。当两路信号中有一路信号不稳定时当两路信号中有一路信号不稳定时采用采用码型触发码型触发对数字信号的特殊码型作为触发判对数字信号的特殊码型作为触发判决