数字存储示波器的原理分析.ppt

1、8.1概要8.2数字存储器示波器的原理分析8.3数字存储器示波器的设置修订，第8章数字存储器示波器、数字存储器示波器是20世纪初发展的新型示波器。 该类型的示波器可以长期保存模拟计程仪信号波形，并且可以进一步处理利用机内微处理器系统保存的信号，实现诸如被测量波形的频率、幅度、前后时间、平均值等残奥仪的自动测量以及各种复杂处理。 数字存储示波器的出现大大改变了传统示波器的功能。 如8.1.1数字存储示波器配置原理、8.1概述、典型数字存储示波器原理分块图所示，8.1.2数字存储示波器的主要技术指标定义了单位时间内完成的完整AD转换的最大次数。 最大采样速率主要由AD转换器的最高转换速率决定。 最

2、大采样速率越高，设备捕获信号的能力越强。 1最大采样速率fmax、数码存储器示波器在某测定时刻的实际采样速率可以根据示波器当时设定的扫描时间因子(t/div )推测。 其估计式是(8.1 )式中的每n格的样本数即t/div扫描时间因子、扫描所花费的时间。 也称为扫描速度，例如，设某数字示波器观测器的扫描时间因子为10s/div、每格的样品数为100点，则此时的样品率等于10MHz。 显然，数字显示器的最大采样速率fmax与显示器的最快扫描速率对应。 如果该数字示波器范围的最快扫描速度是100s/div，则该fmax是1GHz。 存储带宽与采样速率紧密相关。 采样定理使得可以再现原始信号波形，其

3、中采样速率等于或大于信号最大射频波分量的两倍。 实际上，数字存储器示波器的设定校正往往要求添加更多的采样点位来保证显示波形的极限分辨率，一般来说，一个周期取410点。 第二存储带宽和极限分辨率用于反映存储信号波形的细节的总特性。 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，并且通常由屏幕上每帧的层次数(等级/div )来表示。 水平分辨率通常由内存容量决定，用画面每格的采样点位(点/div )数来表示。 示范管的屏幕坐标刻度通常为810 div。 当示波器采用8二进制位A/D转换器(256级)时，该垂直极限分辨率被表示为32级/div、以百分率表示为1/2560.

4、39。 使用容量为1KB的内存时，水平极限分辨率表示为1 024/10100点/div，或以百分比表示为1/1 0240.1。 另外，3分辨率、存储容量也称为记录长度，用为了记录1个信息帧的波形数据而占有的存储容量表示，大多以字为单位表示。 记忆容量和水平分辨率在数值上相互呈倒数关系。 数字内存的存储容量通常使用256B、512B、1KB、4KB等。 存储容量越大，水平分辨率越高。 但是，存储容量并不是越大就越好，如果由于设备的最高采样速率的限制、使得存储容量的选择不适当，那么信号的重要成分会由于时间窗的缩短而丢失，或水平分辨率会随着时间窗的增大而降低。 4存储容量、读出速度是指将所存储的数据

5、从存储器读出的速度，以常用(时间)/div表示。 此处，时间等于对应于画面内各单元的存储器容量读出脉冲周期。 示波器请根据对显视器、记录装置、打印机等速度的要求，选择不同的读取速度使用。 5读出速度，8.1.2数字存储器示波器的主要技术指标，(1)数字存储器示波器在存储器动作阶段，以高速度对高速信号进行采样和存储，以低速度对低速信号进行采样和存储，但在显示动作阶段，其读出速度恒定不受采样速度限制，无法无闪烁地观察频率较低的信号，但这无法用模拟计程仪示波器进行。对于观测频率高的信号，模拟计程仪示波器必须选择带宽高的阴极射线管，成本上升，显示精度和稳定性低。 另一方面，数字存储示波器可以使用采用恒

6、定的相对较低的速度指示的低带宽、高分辨率、高可靠性、低成本的拉星空卫视扫描式显视器管道，由此基本上解决了上述问题。 如果采用彩色显示，可以很好地区分各种各样的信息。 (3)具有先进的触发功能。 数字存储示波器不仅能够显示触发器后的信号，还能够显示触发器前的信号，并且能够任意选择行进时间和延迟时间，为材料强度、地震研究、生物功能实验提供了有利的工具。 此外，数字存储示波器还可为用户提供边缘触发器、组合触发器、状态触发器、延迟触发器等多种方式，实现多种触发器功能，方便、准确分析电信号。 (4)测量精度高。 无线电计程仪示波器的水平精度由锯齿波的线性决定，因此很难实现高时间精度，一般限制在3%5%。

7、 另一方面，数字存储显示器由于使用水晶振动制作高稳定时钟，因此具有高测量精度。 即使采用多二进制位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，有效克服显示波管对测量精度的影响，使很多数字记忆显示器的测量精度优于1%。 (2)数字存储示波器可长时间保存信号。 这样的特性在观察一次出现的跨二烯烃信号中是特别有利的。 一次冲击波、放电现象等的一部分信号在短暂的瞬间发生，在示波器的屏幕上闪烁，难以观察。 在数字存储示波器出现之前，屏幕摄影图片是“存储”波形的主要方法。 数字存储器示波器以数字方式存储波形，因此容易操作，其存储时间在理论上可以无限长。 (6)由于具有数字信号的投

8、入产出功能，因此能够容易地将所存储的数据传输至计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算或解析处理。 另外，还可经由GPIB接口与计算机一起构成强大的自动测试系统。 (5)数码存储器示波器内置了微处理器，因此可以自动实现上升时间、下降时间、脉冲宽度、频率、峰值等残奥仪表的测量与显示等各种波形残奥仪表的测量与显示。 对于波形，可以实现取平均值、取上下限值、频谱分析、对两个波形加法、减法、乘法等复杂的处理。 此外，可使机器具有自检和自学等多种自动操作功能，提高机器的易用性。 另外，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，当前无法在观测频率高的信号中使用数字存储示波器。

9、 8.2数字存储示波器原理分析、波形采集波形显示波形测量波形处理、8.2.1实时抽样方案采集原理8.2.3波形显示8.2.4波形残奥仪测量与处理、实时采样等效时间采样、 典型的实时抽样方案采集电路如图所示。 在本节中，施加了1、采样和A/D转换部2、t/div控制支重轮3、写入地址计数器4、预定径套触发功能、8.2.1实时抽样方案的收集原理、1、采样和A/D转换、采样即反偏置的采样当向c点施加等间隔的采样脉冲时，按照时间TN (n1，2，3， )的采样脉冲打开采样男同性恋的瞬间，可获得对应于b点的模拟计程仪an (n1，2，3， )，而该模拟计程仪an为采样后的离散、采样、8.2.1实时抽样方

10、案的收集原理、采样、2、A/D转换只要对an的每个离散模拟计程仪量进行A/D转换，就能够得到相应的数字量。 例如a1 A/D01H； a2A/D02H； a3 A/D03H； a 7甲/d 01 h 如果将这些个的数字量依次存储在存储器中，则相当于将1张模拟计程仪波形以数字量的形式存储，1、采样和A/D转换、A/D转换器是波形收集的重要零配件。 确定示波器的最大采样速率、存储带宽、垂直分辨率等多个指标。 目前存储示波器采用的A/D转换形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型以及CCD解老虎钳与A/D转换器组合的形式等。 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，是数字存储器示波器

11、被最多采用的形式。8.2.1实时抽样方案采集原理、二、扫描速度t/div控制支重轮、扫描速度t/div控制支重轮实际上是基于实时的分频器，用于控制A/D转换速度和存储器的写入速度。 如图所示，由高精度、高稳定性的石英谐振器、分频器和对应的组合电路构成的典型的t/div控制电路的原理三、写入地址计数器、写入地址计数器用于产生写入地址信号，它由二进制计数器构成，计数器的二进制位写入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。 写地址计数器的原理图如图所示。 四、预定径套触发功能、预定径套触发功能有正延迟触发和负延迟触发两种。 您还可以预定径套正负延迟和延迟时间。 在数字存储器显

12、示器上预定径套的触发可以通过控制存储器的写入动作来实现。 被测量信号大于预定径套电平时，触发电路会产生触发信号，因此存储器从零地址开始写入收集的数据，示波器的存储容量为1024时，1024单元写入时停止写入动作。 显示也是从零地址读取数据后，对应示波器画面显示的信号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个采样点位定时间)，触发信号到达时，存储器不立即写入数据，而是延迟n次采样后开始写入。 这样显示时，示波器画面中显示的信号为触发点后的n个采样点位的波形。 这等同于示波器的时间窗向右移动。正延时器时、四、预定径套触发器功能、负延时器时(即显示预定径套触发器点的n个

13、采样点位的时间)，直到触发器信号到来，存储器信号处于01 023单元的反复写入过程中，写入1 024单元，新的内容继续复盖旧的内容。 当触发信号到来时，在进一步将1 024 N个采样点位写入存储器中之后，停止写入操作。 显示时，不是从零地址读取数据，而是从停止写入动作时的地址的下一个地址开始，作为显示起始地址连续读取1，024单元格的内容。 如此，在示波器的画面中显示以触发器点的n次前的采样点位为起点的波形，这等于示波器的时间窗向左移位。 负延迟时，四、预定径套触发器功能、8.2.2等效时间抽样方案采集原理、实时抽样方案对于观测一次出现的信号非常有效，是数字存储器示波器所需的抽样方案，但是实时

14、抽样方案受A/D转换器的最高转换速度限制，观测与存储信号的带宽受到限制等效时间抽样方案采用“采样技术”，将周期性的射频波信号转换为类似于波形的周期性的次低频信号，然后进一步进行处理，能够比较容易地得到宽带宽。 但是，相等时间采样仅限于处理重复的周期信号。 采用典型等效时间抽样方案的采集系统如图87所示。步进系统在等效时间抽样方案中发挥重要的作用，电路原理分块图如图所示。 静态时，d触发器的q端子成为高电平，VT11导通。当触发脉冲到来时，d触发器的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。 斜坡信号施加到比较器的正侧，阶梯波

15、施加到比较器的负侧。 斜波电压的上升超过比较器的负端子电平时，比较器输出反转，反转供给d，d重定径套q升高。 每次采样步进波形都上升一级，通过这样重复，能够在比较器的输出端得到一连串的步进延迟脉冲信号。 因此，通过改变斜坡的斜率和步进电压值，可以获得具有特定量值的步进延迟时间，并且在较宽的带宽范围内减小了对A/D转换器的转换速度的需求。 由等效时间抽样方案修改的数字存储器示波器可以相对容易地达到1 000MHz，并且可以相对容易地存储ps阶脉冲波形。 然而，在该方法中，被测信号必须是周期性信号。 从图中可以看出，设步进波的单位步进电压为UA，斜波信号的斜率为uF，步进脉冲延迟触发脉冲的步进时间

16、t通过t=UA uF (8.4 )式说明，t与步进波电压成正比，与斜波的斜率成反比。 为了支持8.2.3波形的显示、不同波形的观测，数字内存示波器具有多种灵活的显示方式，而内存显示、内存显示是数字内存示波器最基本的显示方式。 在采集了触发器后存储的一个信息帧的波形信号、即在一次触发器中完成的一个信息帧的信号数据之后，通过控制存储器中的地址，使得顺序读出数据，并且进行D/A转换以便稳定地将显示的波形显示在CRT上。 根据读取方法，可以分为： 电脑CPU控制直接控制方式。 另一方面，存储器显示、电脑CPU控制方式、显示过程：按照地址顺序取出存储器中的数据，发送到D/A转换器，变换为模拟计程仪量，发

17、送到y轴。 然后将地址按相同顺序发送到云同步，用D/A变换器变换为阶梯波，发送到x轴。 这使得能够在CRT屏幕上显示被测波形。 记忆波形时，以255地址为1页，其原理如下图所示。 另一方面，在存储器显示和直接控制方法中，在地址计数器中，通过驱动显示时钟，由连续地址信号顺序将存储器中的波形数据传送到D/A转换器，然后将恢复的天线计程仪定量传送到CRT的y轴，另一方面，从地址计数器供给的地址信号包括从而，形成在CRT (阴极射线管)屏幕上显示的模拟计程仪波形。 当然，该方案的数据传输速度取决于时钟的速度，并且速度更快。 特点：数据传输不经过电脑CPU，直接对内部存储器进行读取/写入，因此速度快。

18、显示原理如图所示。 另一方面，内存显示、内存显示方式有连续触发显示和单触发显示之分。 在连续触发显示方式中，每当满足触发条件时，完成1个信息帧的数据的采样和存储，且画面上的原来的显示波形被新存储的数据更新。 单触发显示只显示一次触发，持续采样，显示存储的数据波形。 电脑CPU控制方式表示的特征是，无论是y轴还是x轴都必须用电脑CPU传输，数据传输速度有一定的限制。 直接控制方式的显示特征：时钟驱动下对内存进行直接读取/写入操作，不再经由电脑CPU，数据传输速度仅依赖于时钟速率，而不是由软件决定，速度快。 二、为了在存储时两波形保持原来的时间对应关系，双重蕾丝花边显示多采用交替存储技术。 即利用写入地址的最下位二进制位A0控制小区切换，采样电路依次对两通道的输入信号进行采样、进行A/D转换，将存储方式图示于图中。 读取时先读取双位数地址，再读取奇数地址，则Y1和Y2的信号交替显示在CRT上。另外，为了将两通道的信号