数字存储示波器原理

1、1概述2数字存储示波器的原理分析3数字存储示波器的设计、数字存储示波器、数字存储示波器是20世纪70年代初发展起来的新型示波器。 这种类型的示波器可长期存储模拟信号波形，并利用机内的微处理器系统来进一步处理所存储的信号，例如能容易地实现对参数(例如被测量波形的频率、幅度、前沿时间、平均值等)的自动测量和复杂度的处理。 数字存储示波器的出现极大地改变了传统示波器的功能。 1.2数字存储示波器的主要技术指标，定义：单位时间内完成的最高A/D转换次数，1数字存储示波器的配置原理，1概要，典型的数字存储示波器的原理框图如图所示。 最大采样率主要由A/D转换器的最高转换速率决定。 最大采样率越高，装置捕

2、捉信号的能力越强。 1 .最大采样率fmax、数字存储示波器在某个测定时刻的实际采样率可以根据示波器当时设定的扫描时间系数(t/div )估计。 其推定式也被称为喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀耶伊耶伊埃伊埃伊埃伊653扫描速度，例如，将某数字示波器的扫描时间系数设定为10s/div，每帧的样品数为100点显然数字示波器的最大采样率fmax与示波器的最快扫描速度相对应。 如果该数字示波器的最快扫描速度为100s/div，则fmax为1GHz。 348；存储带宽与采样率密切相关。 根据采样定理，如果采样率为信号最高频率分量的2倍以上，则可以再现原始信号波形。 实际上，

3、在数字存储示波器的设计中，为了保证显示波形的分辨率，要求增加很多采样点，一般在一个周期内取410点。 2 .带宽、分辨率反映了存储信号波形的细节的综合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。 垂直分辨率对应于A/D转换器的分辨率，通常用画面中每个单元的层次数(级别/div )来表示。 水平分辨率由存储器的容量决定，通常用画面的每个单元中包含的采样点的数量(点/div )来表示。 卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡

4、卡卡卡如果使用容量为1KB的内存，则水平分辨率以1 024/10100点/div或百分比表示为1/1 0240.1%。 另外，分辨率、存储容量也称为记录长度，由一帧的波形数据占有的存储容量表示，总是以字为单位。 存储容量和水平分辨率在数值上相互处于倒数的关系。 数字存储器的存储容量通常采用256B、512B、1KB、4KB等。 存储容量越大，水平分辨率越高。 但是，记忆容量并不是越大越好。 如果装置的最高采样率的限制使得存储容量的选择变得不适当，那么信号的重要部分会因时间窗的缩短而丢失，或水平分辨率会因时间窗的增大而降低。 4 .存储容量、读出速度以经常使用(时间)/div表示，其中，该速度是

5、从存储器读出所存储的数据的速度。 这里，时间等于对应于画面中每个单元的存储容量读取脉冲时段。 请根据显示器、记录装置、打印机等对速度的要求，选择不同的读出速度使用示波器。 5 .读出速度，1.2数字存储示波器的主要技术指标，(1)数字存储示波器在存储工作阶段，以高速对高速信号进行采样并存储，以低速对低速信号进行采样并存储，但在显示工作阶段，读出速度采用一定的速度用模拟示波器不可能无闪烁地观察频率低的信号。对于观测频率高的信号，模拟示波器必须选择带宽宽的阴极射线管，因此成本上升，显示精度和稳定性都低。 数字存储示波器可以采用固定的相对低速度表示，可以使用低带宽、高分辨率、高可靠性、低成本的光栅扫

6、描示波器，从根本上解决了上述问题。 采用彩色显示，能很好地识别各种信息，将数字存储示波器与模拟示波器进行比较，具有以下特征。 (3)具有先进的触发功能。 数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，还能显示触发前的信号，可以任意选择前进的时间和延迟的时间，为材料强度、地震研究、生物功能实验提供了有利的工具。 另外，数字存储示波器可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等各种方式，实现各种触发功能，可以简单、准确地分析电信号。(4)测量精度高。 由于模拟示波器的水平精度由锯齿波的线性度决定，所以很难实现高时间精度，一般被限制在3%5%。 数字存储示波器将水晶振动作为高稳定时钟使用，因此具有

7、高测量精度。 即使采用多位A/D转换器，宽度测量精度也大幅提高。 特别是，可以自动测量直接读取值，有效地克服示波器对测量精度的影响，使很多数字存储示波器的测量精度达到1%以上。 (2)数字存储示波器可以长时间保存信号。 该特性特别有利于观察一次出现的瞬变信号。 一次冲击波、放电现象等信号在较短的瞬间发生，在示波器的画面上闪烁，难以观察。 在数字存储示波器出现之前，屏幕照片是“记忆”波形的主要方法。 数字存储示波器以数字方式存储波形，操作方便，其存储时间在理论上无限长。 0； (6)由于具有数字信号的输入输出功能，因此可以容易地将所存储的数据传输至计算机或其他外部设备，从而进行更复杂的数据运算和

8、分析处理。 还可以通过GP-IB接口与计算机一起配置强大的自动测试系统。 (5)之所以具有较强的处理能力，是因为数字存储示波器内置了微处理器，所以可以自动实现上升时间、下降时间、脉冲宽度、频率、峰值等参数的测量与显示。 对于波形，可以实现取平均值、取上下限值、进行频谱分析、对两波形进行加法、减法、乘法等复杂的处理。 同时，可以使机器具有很多自动操作功能，如自检和自检等功能，提高机器的易用性。 此外，数字存储示波器也有限制，例如，由于A/D转换器的最大转换速度等的影响，数字存储示波器目前无法用于观测频率高的信号中。 2数字存储示波器的原理分析，波形采集波形的显示波形的测定波形的处理，2.1实时采

9、样方式的采集原理2.2等效时间采样方式的采集原理2.3波形的显示2.4波形参数的测定和处理，实时采样等效时间采样， 2.1实时采样方式的收集原理，实时采样等间隔地对波形进行采样，按采样前后的顺序进行A/D转换后保存在存储器中。 典型的实时采样方式的采集电路如图所示。 本节重点分析：一、采样和A/D转换二、t/div控制器三、写地址计数器四、预触发功能：2.1实时采样方式的采集原理，一、采样和A/D转换、采样和连续波形的离散化，其方法右向施加了反向偏置的采样门的a点传输模拟波形，向c点施加等间隔的采样脉冲，则对应于时间TN (n=1，2，3，)的采样门打开的瞬间，在b点对应的模拟an (n=1，

10、2如果对1、采样、2.1实时采样方式的收集原理、1、采样、2、A/D转换、an中的离散模拟量进行A/D转换，则可以得到相应的数字量。 例如a1 A/D01H； a2A/D02H； a3 A/D03H； a7 A/D01H。 如果按顺序存储这些数字容量，则相当于以数字容量的形式存储模拟波形，1、采样和A/D转换、A/D转换器是波形收集的重要要素。 确定了示波器的最大采样率、累积带宽、垂直分辨率等多个指标。 现在，存储器示波器采用的A/D转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串联并联型、以及组合了CCD设备和A/D转换器的形式等。 并联比较式A/D转换器的转换速度虽然可以提高，但价格也高，是采用数字

11、存储示波器最多的形式。 2.1实时采样系统的采集原理、二、扫描速度t/div控制器、扫描速度t/div控制器实际上是定时分频器，用于控制A/D转换速度和存储器写入速度，精度、稳定性好的晶体振荡器、分频器传感器如图所示，典型的t/div控制电路的原理用于产生写地址信号，三、写地址计数器、写地址计数器由二进制计数器构成，计数器的位数由存储长度决定。 写地址计数器的计数频率必须与控制A/D转换器的采样时钟的频率相同。 写入地址计数器的电路图如图所示。 四、预设触发功能、预设触发功能包括正延迟触发和负延迟触发。 可以预设正负延迟和延迟时间。 数字存储示波器上的预触发可以通过控制内存的写入动作来实现.

12、另外，若被测定信号成为预设电平以上，则触发电路发生触发信号，因此存储器写入从零地址采集的数据，若示波器的存储容量为1024，则装满了1024单元时，停止写入动作。 显示也从零地址读取数据后，对应示波器画面上显示的信号变为触发点开始后的波形。 正常触发状态下，正延迟时(即显示延迟触发点的n个采样点时间)触发信号到来时，存储器不是立即写入数据，而是延迟n个采样后开始写入。 这样显示的话，示波器画面上显示的信号会变成触发点之后的n个采样点的波形。 这和把示波器的时间窗口向右移动是一样的。 另外，在正延迟的情况下，4，预设触发功能是负延迟的情况下(即，显示先前触发点的n个采样点时间)，存储信号总是在0

13、1 023小区的循环写入中，直到触发信号到来为止，在写入了1 024小区后，将新的内容触发信号到来后，在存储器中写入1,024n个采样点后停止写入。 在显示时，不从零地址读取数据，而是从写入停止时的下一个地址起作为显示起始地址连续读取1024单元的内容。 这样，在示波器的画面上显示的是以触发点前n次的采样点为起点的波形，相当于使示波器的时间窗向左移动。 负延迟时，四、预设触发功能、2.2等效时间采样方式的采集原理、实时采样方式对观测一次出现的信号非常有效，是数字存储示波器必须具备的采样方式等效时间采样方式首先采用“采样技术”，将周期性高频信号转换为波形相似的周期性低频信号，然后再进行处理，从而

14、能够比较容易地获得宽带宽。 但是，等效时间采样限于反复的周期信号的处理。 采用典型的等效时间采样方式的收集系统如图所示。 步骤系统在等效时间采样方式中发挥重要作用，电路原理方框图如图所示。 静态情况下，d触发器的q端子变为高电平，VT11导通。当触发脉冲到来时，d触发的q端子变为低电平，VT11截止，电容器c被充电而形成斜坡信号，由VT11、vt12构成的自举电路保证斜坡的线性。 斜坡信号被施加到比较器的正端，并且阶跃波被施加到比较器的负端。 斜坡电压超过比较器的负端子电平时，比较器输出反转，反转而发送到d，d复位q返回高。 每次采样时，步进波形上升一步并重复该步骤，从而在比较器的输出侧获得一

15、系列步进延迟脉冲信号。 如上所述，通过改变斜波的斜率和步进电压值，可以获得特定量值的步进延迟时间，并在示波器的带宽范围内降低了对A/D转换器的转换速度的要求。 以等效时间取样系统设计的数字存储示波器可以容易地达到1 000MHz的带宽，并且可以容易地存储ps阶脉冲波形。 然而，在该方法中，被测量信号必须是周期性信号。 由图可知，设阶梯波的单位阶梯电压为ua，斜波信号的斜率为uF，则阶梯脉冲的滞后触发脉冲的阶梯时间t为t=uauf(8.4)卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6、2.3波形数字存储示波器有多种灵活的显示方式，而存储显示、存储显示是数字存储示波器最基本的显示方式。 所显示的波形是触发之后存

16、储的1帧波形信号。在采集了一次触发完成的1帧的信号数据之后，通过控制存储器中的地址，从存储器读取顺序数据，并进行D/A转换，以便稳定地显示在CRT上。 根据读出方法可以分为： CPU控制直接控制。 另一方面，存储器显示、CPU控制方式、显示过程：按地址顺序取出存储器的数据，变换为D/A转换器，回到模拟发送到y轴的同时，按相同的顺序发送地址，用D/A转换器变换为步进波发送到x轴。 这样，就可以在CRT画面上显示被测量波形。 cara cara cara cara cara cara ext 653，1、存储显示、直接控制方式，另一方面，地址计数器在显示时钟的驱动下，产生的连续地址信号依次将存储器

17、中的波形数据连续传输至D/A转换器，然后，将恢复的模拟输出至D/A转换器从地址计数器提供的地址信号通过另一个D/A转换器发送逐步波形，作为与CRT的x轴同步的扫描信号。 由此，形成了CRT画面上显示的模拟波形。 显然，该方法的数据传输速度取决于时钟速度，并且是高速的。 特点：数据传输不经由CPU，直接对内存进行读取/写入，所以速度快。 原理如图所示。 另一方面，存储显示、存储显示方式中有连续触发显示和单发触发显示的区别。 连续触发显示方式中，每次满足触发条件，1帧的数据的采样和存储结束的同时，画面上的原始显示波形被更新为新存储的数据。 单拍显示持续显示单拍采样并累积的数据波形。 另外，CPU控制方式具有必须由CPU传输y轴和x轴的数据，数据传输速度受到一定限制的特征。 直接控制方式显示的特点：直接时钟驱动下读/写内存，不经由CPU，数据传输速度取决于时钟速度，而不是软件，速度快。 在二、二扫描显示、存储时，为了使两个波形保持原来的时间对应关系，多采用交替存储技术。 即，使用写入地址的最低位位A0控制通道