数字存储示波器

第3章电子式电测仪表前言●

电子式电测仪表种类很多，应用范围也很广，电子示波器是其中的一种。按用途与特点分类如下：

通用示波器取样示波器数字存储示波器专用示波器

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专用示波器有矢量示波器、环扫描示波器和逻辑示波器等

上一页下一页本章内容§3.1电子示波器原理§3.2电子示波器的应用§3.3取样示波器§3.4数字存储示波器上一页下一页返回§3.4数字存储示波器3.4.1数字存储示波器的基本组成典型数字示波器原理框图数字存储示波器有实时和存储两种工作模式；实时模式的组成原理和一般模拟示波器相同，存储工作模式，其工作过程分为存储和显示两个阶段；在存储阶段，模拟信号经过适当的放大或衰减，经“采样”和“量化”处理成数字信号，在逻辑控制电路的控制下存入RAM中，采样和量化及写入过程在同一时钟频率下进行；在显示工作阶段，数字存储器将数字信号从存储器中取出，由D/A转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板；同时，CPU读地址计数脉冲加到D/A，得到阶梯扫描电压，到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，这样在CRT上重现模拟输入信号；这样显示的信号是光点包络的形式，每一个点代表数据存储器中的一个数据字，点的垂直坐标对应存储单元的二进制数据，点的水平坐标对应存储单元的二进制地址。如果对D/A转换后的模拟信号进行插值处理，也可以获得连续的信号波形。上一页下一页返回3.4.2数字存储示波器的信号采集技术1．采样方式（1）实时采样

采样方式分：实时采样和等效时间采样（非实时采样）；等效时间采样分随机采样和顺序采样。信号的所有采样点只是在单一的信号获取阶段中取得，即所有采样点是示波器一次触发而获得的。优点：可以获取非重复性或单一的短暂事件；缺点：采样速率必须足够高，从而获得足够多的数据以保证正确地重构波形。上一页下一页返回（2）等效时间采样①随机采样随机采样多点随机采样

等效时间采样中，最终显示的波形是由信号的每一次重复中获取少量信息建立起来的。随机采样方式按一个随机序列来获取所需要的点，这个序列和采样点与存入存储器中的位置相对应；经过多个周期的样点的积累，参照触发时刻最终恢复出被测波形；随机采样的另一种方法是多点随机采样，即一个采样周期中采样若干个点，这样可以缩短采样时间。②顺序采样顺序采样，每个采样周期的波形上只采样一个点，每次延迟一个已知的时间△t，采样有序重复地进行，直到获得足以构成一个完整波形的点；等效时间采样只适用于周期性信号，对于非周期性信号，只能采取实时采样方式。上一页下一页返回2．采样速率采样速率又称数字化速率，有3种描述方式：用采样次数描述，表示成单位时间内采样的次数；用采样频率来描述，如20MHz;用信息率描述，表示为每秒种存储多少位（bit)的数据。采样速率高，可以增大数字示波器的带宽；采样速率还受到存储器容量的限制，该容量在数字示波器中称为记录长度，用能够连续存入的最大字节数或采样点数表示；在不同扫描速率时，要求的采样速率是不一样的，以防止采样点过多而溢出采样存储器，具体关系为：上一页下一页返回3．采样器件两路组合采样原理图

并联比较式A/D转换器可以通过A/D交叉复用使采样速率成倍提高；组合方式既降低了对A/D的要求，也降低了对采样存储器的存储速度要求，使存储容量增大；交叉复用的结果使电路复杂程度增加，成本提高。上一页下一页返回CCD＋A/D技术

CCD＋A/D组合采集原理图采样CCD作为高速模拟存储，再进行慢速A/D数字化处理；由于制造技术上的原因，这种数字示波器的记录长度有限。上一页下一页返回4．采样存储器采样存储器必须具有与采样速率相同的连续接收数据的能力；数字存储示波器的采样存储器采样类似图3.4.8所示的循环结构进行循环存储，即各存储单元按串行的方式依次寻址，且首尾相接，每次采样数据按顺序依次存储，当所有的单元存满后，新数据覆盖旧数据；nm是存储器的容量，即前面介绍的记录长度。图3.4.8采样存储器的结构形式由于存储器容量有限，所以只能保存一段被测波形，观察被测波形由示波器的触发功能来完成；如果示波器的采样过程是在触发后才开始的，则触发前的波形信息将无法观测到；为了能观测到触发前的波形，采样过程必须预先进行，称预采样，即触发前的数据也存入存储器中。上一页下一页返回5．触发方式在模拟式示波器中，每次时基扫描都是由一个触发事件启动的，模拟式示波器只能观察到触发以后的信号变化情况；在数字示波器沿用这一叫法，设置触发功能，但此时的触发仅是从存储器中选取信号的一个标志；数字示波器设有延迟环节，可以自由地改变触发点的位置，如图3.4.9，分正延迟触发和负延迟触发。正延迟触发可以观测触发点以后的波形；负延迟触发可以观测触发点以前的波形；触发延迟时间可由程序设定。图3.4.9触发功能示意图延迟触发对观测周期信号意义不大，但对于观测单次非周期信号作用明显；下图所示的振荡器的起振过程，选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某个值，触发极性选正、负5格，就可以在屏幕上同时看到触发前后的情况；这种延迟触发功能是数字示波器检测故障的一种手段。可以利用故障形成的触发信号，利用负延迟看故障前后情况。上一页下一页返回毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形

毛刺触发具有识别尖峰干扰的功能；正向模式时，如发现一个上升沿后紧跟一个下降沿，则必为正尖峰（毛刺）干扰；反向模式时，如发现一个下降沿后紧跟一个上升沿，则必为负尖峰（毛刺）干扰；在毛刺触发模式下，示波器以最高采样速率连续不断地采集信号，无毛刺时，示波器不显示；当发现毛刺时，毛刺触发器使采样停止，并显示尖峰干扰前后的波形。上一页下一页返回3.4.3数字存储示波器的波形显示技术1．点显示技术点显示技术就是在屏幕上以有间隔点的形式将信号波形显示出来；考虑到有限带宽问题，一般要求每个信号周期显示20-25点；点显示方式可以实现用较少的点构成波形，但存在视觉混淆问题。视觉混淆示意图上一页下一页返回2．数据点插入技术用数据点插入技术可以解决视觉错误问题，主要有两种插入方法，即线性插入和曲线插入。线性插入按直线的方式将一些点插入到采样点之间，当数据点没有落到信号顶峰时，会造成顶尖幅值误差。曲线插入按照曲线的方式将一些点插入到采样点之间，常用正弦插入法和改进型正弦插入法。正弦插入法要对斜率突变处邻近点进行修正。上一页下一页返回3.4.4数字存储示波器的控制系统

数字存储示波器的控制系统需要完成数据采集、数据处理、显示、人机控制等功能，用一个微处理器很难及时完成这些任务，因此现代数字存储示波器出现多CPU系统。通常一个CPU为主CPU，具有相应的存储器（ROM、RAM)、输入输出接口（I/O）和外设(键盘、显示器等)，执行管理整个仪器的软件；其余CPU为从CPU，在主CPU管理下完成一部分工作，如数据采集CPU、数据处理CPU、通信管理CPU等。上一页下一页返回3.4.5数字存储示波器的主要性能指标1．最高采样速率

最高采样速率指数字存储示波器单位时间内采样次数，也称数字化速率，用每秒种完成A/D转换的最高次数来衡量，用频率fs表示，单位为S/s（次/秒）实时采样速率随扫描速率而变化：N为每格采样点数，t/DIV为扫描速率。2．存储带宽BW

（1）重复带宽:

定义：当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的幅度下降至比基准频率的幅度低3dB时，对应的频率范围即带宽。在数字示波器中有两种带宽：重复带宽，单次带宽。

也称等效带宽，是指数字存储示波器测量重复信号时的3dB带宽，由于采用了非实时采样技术（随机或顺序采样），所以重复带宽可以做得很宽。（2）单次带宽

也称有效存储带宽，是指用数字存储示波器测量单次信号时，能完整显示被测波形的3dB宽度，与采样速率和取样点数有关，对应公式为：fs为最高采样速率，k为每周期的采样点数。说明：当数字存储示波器的采样速率足够高时，其重复带宽与单次带宽一致，称实时带宽。上一页下一页返回3．分辨率

分辨率指示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元，包括垂直分辨率和水平分辨率两种。

水平分辨率（时间分辨率）由采样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个采样点或用百分数来表示。如水平显格为10格，如采用1KB的存储器，则水平分辨率为1024/10=100点/DIV，或用百分数表示为1/1024=0.1%4．存储容量

存储容量即记录长度，由采样存储器的最大容量表示，数字存储示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。

垂直分辨率（电压分辨率）与A/D转换器的分辨率相对应，常以每格分级数或百分数来表示。如垂直显示格为8格，采用8为A/D转换器（256级），则垂直分辨率为32级/DIV,或用百分数表示为1/256=0.39%上一页下一页返回5．读出速度

读出速度指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/DIV”表示，其中，“时间”为屏幕上每格对应的存储容量×读脉冲周期。使用中应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的要求进行选择。3.4.6数字荧光示波器（DPO）

数字荧光示波器（DigitalPhosphorOscilloscopes）具有数字存储示波器的各种优点，从数据存储到先进的触发作用，样样俱全。同时，它也具有模拟示波器的明暗显示和实时特性，能以数字形式产生显示效果优于模拟示波器的亮度渐次变化的化学荧光效果。

DPO的特点主要表现

（1）快速波形捕获速率和超强显示能力数字荧光显示技术的应用使DPO能以不同的灰度或色彩同时显示信号的多幅图像。DPO每秒可记录200000幅波形，其信号数据比一般的DSO多1000倍，每次可捕获500000幅波形，这种快速波形捕获速率结合高超的显示能力，使DPO具有分析信号任何细节的性能。

（2）连续高速采样能力通常DSO因处理显示数据在显示两幅波形之间有8ms的停滞时间，模拟示波器在回扫时间内也不能捕捉波形信息。而DPO能始终以最高采样率对几十万幅波形连续采样，克服了其它示波器存在的停滞时间问题。DPO的采样率一般每秒有几个109次数，如此高的采样率允许示波器有更大的带宽。

数字荧光示波器的原理框图如图3.4.12所示，核心部件是由专用集成电路（ASIC）构成的DPX波形成像处理器。图3.4.12DPO原理图

和DSO一样，输入信号首先经放大和A/D变换后得到信号的采样值。采样值经过DPX波形成像处理器的处理后形成一幅具有500×200像素且包含波形三维信息的完整波形图。在不间断捕获过程的情况下，DPX成像处理器每秒向波形显示存储器发送30幅波形图。在微处理器的控制下，根据显示存储器的内容，在显示屏上得到采集到的波形图。实现“信号数字化→图形化→显示”这样一种波形显示方式。与此同时，微处理器以并行方式执行自动测量及运算作用。

DPX由数据采集器和称为数字荧光器的动态三维数据库组成。它将光栅化作用（波形图像化）和快速波形捕获速率有机地结合实际在一起，以500×200整数阵列累积信号信息。阵列中的每一个整数都代表DPO显示中的一个像素，其数值的不同导致显示像点的亮度或色彩不同。随着信号不断地被采样，这一阵列也不断得以更新。和DSO不同，一个显示周期（一幅波形图）完成后，新显示周期的采样值并不冲掉上次显示周期的数据。