電子測量與儀器第四章時(shí)域測量-電子示波器

1、4.6 數(shù)字存儲(chǔ)示波器,數(shù)字示波器，又稱數(shù)字存儲(chǔ)示波器(DSO, Digital Storage Osilloscope)。 數(shù)字存貯示波器采用數(shù)字電路，將輸入信號先經(jīng)過A/D變換器，將模擬波形變換成數(shù)字信息，存貯于數(shù)字存貯器中。需要顯示時(shí)，再從存貯器中讀出，通過D/A變換器，將數(shù)字信息變換成模擬波形顯示在示波管上，或是直接將數(shù)字信號顯示于LCD屏上。 特點(diǎn)：A/D+RAM+D/A+CPU 優(yōu)點(diǎn)：存貯時(shí)間長；能捕捉觸發(fā)前的信號；可與計(jì)算機(jī)相連接；可分析復(fù)雜的單次瞬變信號,儀器科學(xué)與工程系,一、數(shù)字示波器的組成原理:（不同時(shí)期的DSO） 1、模擬+數(shù)字存儲(chǔ)示波器(早期,能在數(shù)字、模擬兩種工作方式

2、下工作。 在Y通道中插入數(shù)字元件A/D、RAM、D/A，X通道仍產(chǎn)生鋸齒波。 功能、性能受限制，靜電偏轉(zhuǎn)示波管帶寬有限,2、單處理器數(shù)字示波器 (較早前,能在數(shù)字、模擬兩種工作方式下工作,組成：取樣通道、X通道、Y通道、示波管、CPU、GPIB。CPU控制采樣、存儲(chǔ)、讀出、顯示等，信息通道總線交換。 控制部分：鍵盤+CPU+程序ROM。ROM內(nèi)寫有儀器的工作程序，通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，測試等。 采樣通道：模擬信號A/D數(shù)字信號存儲(chǔ)于RAM。此過程受CPU控制。 讀出顯示：Y通道將RAM中的數(shù)字信號重新恢復(fù)成模擬信號；X通道產(chǎn)生階梯掃描電壓。X、Y通道同時(shí)加在示波管CRT上把波形沿水平方向展開,

3、思考：如何確定采樣頻率fs,3、多處理器數(shù)字示波器 (較新) 提高采集速度、帶寬，反混迭失真 模擬通道：包括多個(gè)模擬通道，信號經(jīng)衰減器、前置放大、S/H、后置放大器后送入A/D轉(zhuǎn)換。前置放大器的信號同時(shí)送入觸發(fā)選擇器。 采集處理器：示波器中使用隨機(jī)-重復(fù)采樣技術(shù)，采樣處理器根據(jù)采樣與觸發(fā)的對應(yīng)關(guān)系來確定數(shù)據(jù)在波形存儲(chǔ)器中的位置，以便重構(gòu)波形。 波形翻譯器：專用的處理器。將數(shù)據(jù)點(diǎn)與時(shí)間值按時(shí)間順序?qū)?yīng)，翻譯成與顯示器Y、X相對應(yīng)的水平像素位置。 CRTD/A， 光柵，LCD不需要D/A 主微處理器：人機(jī)接口，軟件操作系統(tǒng)，增強(qiáng)功能,HP54600 (三個(gè)處理器,LeCroy (USA,突出了DS

4、P及軟件功能,二、信號采集處理技術(shù) 1、早期數(shù)字示波器的缺點(diǎn),屏幕更新率低. 更新率指每秒鐘可以捕獲波形的數(shù)目。單CPU示波器無法滿足實(shí)時(shí)要求，存在死區(qū)時(shí)間。即信號經(jīng)“A/D存儲(chǔ)處理D/A顯示”至下一次波形的采集會(huì)產(chǎn)生時(shí)間間隔。 提高更新率，400k幅的更新率 數(shù)字實(shí)時(shí)存儲(chǔ)示波器 有混迭失真 造成混迭失真的原因是欠采樣。采樣定理 避免措施：提高采樣速率；峰值檢測，以峰值為基本采樣點(diǎn)，加上其它采樣點(diǎn)，則不會(huì)產(chǎn)生失真。 抗混疊技術(shù),欠采樣生成的混迭失真,2、采樣方式 實(shí)時(shí)采樣：滿足采樣定理，內(nèi)插顯示(45)BW，不內(nèi)插10BW。 高速A/D及RAM價(jià)格比較高，對于重復(fù)信號，以較低的采樣頻率獲得較高

5、的采樣帶寬。 隨機(jī)采樣：每個(gè)周期采集一定數(shù)量的樣點(diǎn)，經(jīng)多個(gè)周期的樣點(diǎn)恢復(fù)出波形。信號與采樣時(shí)鐘非同步，采樣觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，信號為周期信號，每個(gè)周期的采樣，等效為對“同一波形”的(欠)采樣。 順序采樣：滿每一周期采一個(gè)樣點(diǎn)。所需要時(shí)間長，不能觀測單次信號,3、采樣速率 采樣速率又稱數(shù)字化速率。描述方式： 單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)，20Msps 采樣頻率描述，20MHz 信息率描述，單位時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存多少bit/byte. 160Mb/s 采樣速率可以提高DSO帶寬，但采集速率還受采集存儲(chǔ)器容量的限制。一般在不同掃描時(shí)，采樣速率是不一樣的，但存儲(chǔ)容量是相同的，如存儲(chǔ)10000點(diǎn),4

6、、采集器件 主要是指A/D器件。高速的A/D技術(shù)，目前已有10Gsps.。高速的A/D技術(shù)有兩種類型： 并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器 同時(shí)通過多個(gè)A/D交叉復(fù)用，控制時(shí)鐘依次叉開，可進(jìn)一步成倍提高采樣速率。 這種組合方式降低了對A/D的速率及RAM的存儲(chǔ)速度的要求,并聯(lián)比較式A/D-最快的A/D轉(zhuǎn)換器 缺點(diǎn): 器件復(fù)雜, 需要2n個(gè)比較器,多個(gè)A/D交叉復(fù)用，可使采樣速率成倍提高,DDR: Double Data Rate,CCD+A/D技術(shù) CCD：高速模擬存儲(chǔ) 2.5Gsps A/D：低速數(shù)字化處理,缺點(diǎn): CCD記錄長度有限,5、采樣存儲(chǔ)器 速度要求：多個(gè)低速存儲(chǔ)器分時(shí)輪流寫入。要求精確定時(shí)。

7、 數(shù)據(jù)更新：具有循環(huán)存儲(chǔ)功能,6、觸發(fā)功能 負(fù)延遲觸發(fā)：可以觀測觸發(fā)點(diǎn)之前的信號。 正延遲觸發(fā)：是指可以觀測觸發(fā)點(diǎn)以后的信號。 距離觸發(fā)點(diǎn)的延遲時(shí)間可以由程序設(shè)定。 負(fù)延遲在模擬示波器中無法實(shí)現(xiàn),采樣存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu) 循環(huán)存儲(chǔ),觸發(fā)功能,觸發(fā)后推進(jìn)=總長-負(fù)延時(shí) N=L-M,觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(各個(gè)通道皆可)，外觸發(fā)，電源觸發(fā) 觸發(fā)模式：自動(dòng)，正常，單次 觸發(fā)類型：邊緣觸發(fā)，脈沖觸發(fā)，延遲觸發(fā)，毛刺觸發(fā),毛刺觸發(fā) 用途：識(shí)別尖峰干擾,7、采樣速率與記錄長度 采樣速率與記錄長度有以下關(guān)系： L(p)=fs(sps)S(t/div)10(div,早期DSO，掃速與采樣速率聯(lián)動(dòng)。（現(xiàn)在這樣的DSO也常用）。即

8、改變A/D轉(zhuǎn)換速率。缺點(diǎn)： 記錄長度太短，10000個(gè)點(diǎn)，不能完整記錄一個(gè)較復(fù)雜的信號。 不便同時(shí)觀測快慢信號。如電視信號中含有快慢的波形(圖6.64) ?？鞉?，慢掃都不利。 發(fā)展方向：增加記錄長度，設(shè)計(jì)超快、超長的采集存儲(chǔ)器。 波形快速縮放技術(shù) (波形顯示也是很有意思地,掃速與采樣速率聯(lián)動(dòng),例：A的最高采樣率為1GS/s，存儲(chǔ)深度為1MB；B的最高采樣率為200MS/s，存儲(chǔ)深度為1KB。問當(dāng)掃速從10ns/div變化到1000ms/div時(shí)，試計(jì)算采樣率的變化情況,8、有效比特分辨率 分辨率都較低，8bit，受信號頻率，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，干擾等限制,三、波形顯示技術(shù) 1、點(diǎn)顯示技術(shù)：用較少的點(diǎn)構(gòu)

9、成波形：視覺混淆 2、數(shù)據(jù)點(diǎn)內(nèi)插技術(shù) 線性內(nèi)插 正弦內(nèi)插：專用于正弦信號 3、有效存儲(chǔ)帶寬：正弦條件下，USB = fsmax / k. (單次帶寬) USB與采樣速率和波形重組方法有關(guān) 4、顯示屏：CRT、LCD（光柵掃描,四、示波器的技術(shù)指標(biāo) 1、帶寬（BW）：幅度隨頻率變化下跌3dB時(shí)的頻率寬度 重復(fù)帶寬：采用非實(shí)時(shí)取樣技術(shù)，可做到很寬，幾十GHz 單次帶寬：有效存儲(chǔ)帶寬，與采樣速率，波形重組方法有關(guān) 2、上升時(shí)間(Rise Time) ：與模擬示波器的不同. 掃速（采樣間隔） 2點(diǎn) or 3點(diǎn)？ 3、垂直靈敏度: V/div 1-2-5步進(jìn) (與校準(zhǔn)信號比較得到誤差) 4、垂直分辨率: 與A/D比特?cái)?shù)有關(guān),5、采樣速率（Sample Rate）：A/D的最高采樣速率，現(xiàn)代DSO可達(dá)20GS/s以上。 采樣速率fs，每格樣點(diǎn)數(shù) N/div，掃速 t/div fs=N/(t/div) 6、記錄長度(存儲(chǔ)深度) ： 7、掃速：t/div 1-2-5步進(jìn) (與校準(zhǔn)信號比較得到誤差) 8、水平分辨率：精密觸發(fā)內(nèi)插器N, 分辨率1/Nfs 9、觸發(fā)靈敏度：能夠觸發(fā)同步的最小信號幅度 觸發(fā)晃動(dòng)：同步的良好程度,五、基本功能