數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理

1、一、一、 概述概述 二、二、 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析 三、三、 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是數(shù)字存儲(chǔ)示波器是20世紀(jì)年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型世紀(jì)年代初發(fā)展起來(lái)的一種新型 示波器。這種類型的示波器可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)波形進(jìn)示波器。這種類型的示波器可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)波形進(jìn) 行長(zhǎng)期存儲(chǔ)并能利用機(jī)內(nèi)微處理器系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的信號(hào)做進(jìn)一步行長(zhǎng)期存儲(chǔ)并能利用機(jī)內(nèi)微處理器系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的信號(hào)做進(jìn)一步 的處理，例如對(duì)被測(cè)波形的頻率、幅值、前后沿時(shí)間、平均值的處理，例如對(duì)被測(cè)波形的頻率、幅值、前后沿時(shí)間、平均值 等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量以及多種復(fù)雜

2、的處理。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的出等參數(shù)的自動(dòng)測(cè)量以及多種復(fù)雜的處理。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的出 現(xiàn)使傳統(tǒng)示波器的功能發(fā)生了重大變革?，F(xiàn)使傳統(tǒng)示波器的功能發(fā)生了重大變革。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理 一、一、 概述概述 典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) 定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的完整 AD 轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。 最大取樣速率主要由 AD轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來(lái)決定。 最大取樣速 率愈高，儀器捕捉信號(hào)的能力愈強(qiáng)。 1 1 最大取樣速率最大取樣速率 fmax 數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測(cè)量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可根

3、據(jù)示波器當(dāng)時(shí)設(shè)定 的掃描時(shí)間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為 式中 N每格的取樣數(shù)； t/div掃描時(shí)間因數(shù)，掃描一格所占用的時(shí)間。亦稱掃描速度， 例如， 若某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10s/div， 每格取樣數(shù)為 100點(diǎn)，則此時(shí)的取樣速率等于10MHz。 很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對(duì)應(yīng)。 若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100ns/div，則其fmax為1GHz。 divt N f / 存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大于或等 于信號(hào)最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號(hào)波形。實(shí)際上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波 器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的分辨

4、率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)， 一般 一個(gè)周期取410點(diǎn)。 2 2 存儲(chǔ)帶寬存儲(chǔ)帶寬 分辨率用于反映存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié)的綜合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨 率相對(duì)應(yīng)，常以屏幕每格的分級(jí)數(shù) (級(jí)/div) 表示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容 量來(lái)決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)（點(diǎn)/div）表示。 示波管屏幕坐標(biāo)的刻度一般為 810 div。若示波器采用8位 A/D 轉(zhuǎn)換器 (256級(jí))，則其垂直分辨率為32級(jí)/div，用百分?jǐn)?shù)表示為 1/2560.39。若采 用容量為1KB的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為 1 024/10100 點(diǎn)/div，或用百分?jǐn)?shù) 表示為 1

5、/1 0240.1。 3 3 分辨率分辨率 存儲(chǔ)容量又稱記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)表示， 常以字（word）為單位。存儲(chǔ)容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。 數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存儲(chǔ)容 量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲(chǔ)容量并非越大越好，由于儀器最高取樣 速率的限制，若存儲(chǔ)容量選取不恰當(dāng)，往往會(huì)因時(shí)間窗口縮短而失去信號(hào)的 重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平分辨率降低。 4 4 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 讀出速度是指將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用(時(shí)間)/div表示。 其中，時(shí)間等于屏幕中每格內(nèi)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量讀脈沖周期。 使用

6、時(shí)，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對(duì)速度的不同要求， 選擇不同的讀出速度。 5 5 讀出速度讀出速度 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) (1) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器在存儲(chǔ)工作階段，對(duì)快速信號(hào)采用較高的速率進(jìn) 行取樣與存儲(chǔ)，對(duì)慢速信號(hào)采用較低速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，但在顯示工作階 段，其讀出速度采取了一個(gè)固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲 得清晰而穩(wěn)定的波形。 可以無(wú)閃爍地觀察頻率很低的信號(hào)，這是模擬示波器無(wú)能為力的。 對(duì)于觀測(cè)頻率很高的信號(hào)來(lái)說(shuō)，模擬示波器必須選擇帶寬很高的陰 極射線示波管，這就使造價(jià)上升，并且顯示精度和穩(wěn)定性都較低。而數(shù)字存 儲(chǔ)示波器采用了一個(gè)固

7、定的相對(duì)較低的速率顯示，從而可以使用低帶寬、高 分辨率、高可靠性而低造價(jià)的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述 問(wèn)題。若采用彩色顯示,還可以很好地分辨各種信息. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。 (3) 具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號(hào)，而 且能顯示觸發(fā)前的信號(hào)，并且可以任意選擇超前或滯后的時(shí)間，這對(duì)材料強(qiáng) 度、地震研究、生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)提供了有利的工具。除此之外，數(shù)字存儲(chǔ)示波 器還可以向用戶提供邊緣觸發(fā)、組合觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、延遲觸發(fā)等多種方式， 來(lái)實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、準(zhǔn)確地對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析。 (4)

8、測(cè)量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決定，故很難 實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間精度，一般限制在3%5%。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器由于使用晶 振作高穩(wěn)定時(shí)鐘，有很高的測(cè)時(shí)精度。采用多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測(cè)量精 度大大提高。尤其是能夠自動(dòng)測(cè)量直接讀數(shù)，有效地克服示波管對(duì)測(cè)量精度 的影響，使大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量精度優(yōu)于1%。 (2) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器能長(zhǎng)時(shí)間地保存信號(hào)。這種特性對(duì)觀察單次出現(xiàn)的瞬 變信號(hào)尤為有利。 有些信號(hào)，如單次沖擊波、放電現(xiàn)象等都是在短暫的一瞬間產(chǎn)生，在示 波器的屏幕上一閃而過(guò)，很難觀察。數(shù)字存儲(chǔ)示波器問(wèn)世以前，屏幕照相是 “存儲(chǔ)”波形采取的主要方法。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把波形以數(shù)字方式存

9、儲(chǔ)起來(lái)， 因而操作方便，且其存儲(chǔ)時(shí)間在理論上可以是無(wú)限長(zhǎng)的。 (6) 具有數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出功能， 所以可以很方便地將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送 到計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備,進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算或分析處理。同時(shí)還可以通 過(guò)GPIB 接口與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成強(qiáng)有力的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。 (5) 具有很強(qiáng)的處理能力，這是由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)含微處理器， 因 而能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測(cè)量與顯示，例如上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈寬、 頻率、峰峰值等參數(shù)的測(cè)量與顯示。能對(duì)波形實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的處理，例如 取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對(duì)兩波形進(jìn)行加、減、乘等運(yùn)算處理。 同時(shí)還能使儀器具有許多自動(dòng)操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器

10、使 用很方便。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器也有它的局限性，例如，由于受數(shù)字存儲(chǔ)示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 器最大轉(zhuǎn)換速率等因素的影響，數(shù)字存儲(chǔ)示波器目前還不能用器最大轉(zhuǎn)換速率等因素的影響，數(shù)字存儲(chǔ)示波器目前還不能用 于觀測(cè)頻率較高的信號(hào)。于觀測(cè)頻率較高的信號(hào)。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析 波形的采集波形的采集 波形的顯示波形的顯示 波形的測(cè)量波形的測(cè)量 波形的處理波形的處理 一、一、 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 二、二、 等效時(shí)間取樣方式的采集原理等效時(shí)間取樣方式的采集原理 三、三、 波形的顯示波形的顯示 四、四、 波形參數(shù)的測(cè)量與處理波形參

11、數(shù)的測(cè)量與處理 實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)取樣 等效時(shí)間取樣等效時(shí)間取樣 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次 序進(jìn)行序進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換并存入存儲(chǔ)器中。轉(zhuǎn)換并存入存儲(chǔ)器中。 典型實(shí)時(shí)取樣方式的采集電路如圖。典型實(shí)時(shí)取樣方式的采集電路如圖。 本節(jié)重點(diǎn)分析：本節(jié)重點(diǎn)分析： 一、一、 取樣與取樣與A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 二、二、 t/div 控制器控制器 三、三、 寫地址計(jì)數(shù)器寫地址計(jì)數(shù)器 四、四、 預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 一、一、 取樣與取

12、樣與A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 取樣即連續(xù)波形的離 散化，其方法可用右圖說(shuō) 明。把模擬波形送到加有 反偏的取樣門的a點(diǎn)，在c 點(diǎn)加入等間隔取樣脈沖， 則對(duì)應(yīng)時(shí)間 tn(n1，2， 3，) 取樣脈沖打開(kāi)取樣 門的瞬間，在b點(diǎn)就得到 相應(yīng)的模擬量an(n1，2， 3，)，這個(gè)模擬量an 就 是取樣后得到的離散化的 模擬量。 、取樣、取樣 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 、取樣、取樣 2 2、A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 若把a(bǔ)n中的每一個(gè)離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。 例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H； a7 A/D01H。 如果把這些數(shù)字量按

13、序存放在存儲(chǔ)器中， 就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字 量的形式存儲(chǔ)起來(lái) 一、一、 取樣與取樣與A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ) 帶寬以及垂直分辨率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)示波器采用的帶寬以及垂直分辨率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)示波器采用的A/D轉(zhuǎn)換的形式有逐次轉(zhuǎn)換的形式有逐次 比較型、并聯(lián)比較型、串并聯(lián)型以及比較型、并聯(lián)比較型、串并聯(lián)型以及CCD器件與器件與A/D轉(zhuǎn)換器相配合的形式等。轉(zhuǎn)換器相配合的形式等。 并聯(lián)比較式并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可以做得較高，但價(jià)格也較貴，是數(shù)字存轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)

14、換速度可以做得較高，但價(jià)格也較貴，是數(shù)字存 儲(chǔ)示波器采用最多的一種形式儲(chǔ)示波器采用最多的一種形式 。 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 二、掃描速度二、掃描速度t/div 控制器控制器 掃描速度掃描速度t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制A/D 轉(zhuǎn)換速率以轉(zhuǎn)換速率以 及存儲(chǔ)器的寫入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器及存儲(chǔ)器的寫入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器 和相應(yīng)的組合電路組成。典型的和相應(yīng)的組合電路組成。典型的t/div控制電路原理如圖控制電路原理如圖 三、三、 寫地址

15、計(jì)數(shù)器寫地址計(jì)數(shù)器 寫地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫地址信號(hào)，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù)寫地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫地址信號(hào)，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù) 由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)決定。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)決定。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘 的頻率相同。寫地址計(jì)數(shù)器原理圖如圖示。的頻率相同。寫地址計(jì)數(shù)器原理圖如圖示。 四、四、 預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能 預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)延遲觸發(fā)兩種情況。并且正負(fù)延遲及延 遲時(shí)間都可以進(jìn)行預(yù)置。 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過(guò)控制存儲(chǔ)器的寫操作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。 當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于預(yù)置電平時(shí)，觸發(fā)電路便產(chǎn)

16、生觸發(fā)信號(hào)，于是存儲(chǔ)器 就從零地址開(kāi)始寫入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫 滿1 024個(gè)單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，則對(duì)應(yīng)示 波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始后的波形。 在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下， 在正延遲時(shí)(即顯示延遲觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，存 儲(chǔ)器不立即寫入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開(kāi)始寫入。這樣當(dāng)顯 示時(shí)，示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)之后N個(gè)取樣點(diǎn)的波形。 這等效于示波器的時(shí)間窗口右移。 在正延遲時(shí)在正延遲時(shí) 四、四、 預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能 在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái) 前， 存儲(chǔ)器信

17、號(hào)便就一直處于01 023單元不斷循環(huán)寫入的過(guò)程中， 當(dāng)寫滿1 024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫入。當(dāng)觸發(fā)信號(hào) 到來(lái)后，使存儲(chǔ)器再寫入1 024 N個(gè)取樣點(diǎn)之后停止寫操作。顯 示時(shí)，不是從零地址讀數(shù)據(jù)， 而是從停止寫操作時(shí)地址的下一個(gè)地址 作為顯示首地址連續(xù)讀1 024個(gè)單元的內(nèi)容。這樣，示波器屏幕上 顯示的便是觸發(fā)點(diǎn)之前N次取樣點(diǎn)為起點(diǎn)的波形，這等于示波器的 時(shí)間窗口左移。 在負(fù)延遲時(shí)在負(fù)延遲時(shí) 四、四、 預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能 8.2.2 等效時(shí)間取樣方式的采集原理等效時(shí)間取樣方式的采集原理 實(shí)時(shí)取樣方式對(duì)觀測(cè)單次出現(xiàn)的信號(hào)非常有效， 是數(shù)字 存儲(chǔ)示波器必須具備的取樣方式，但實(shí)

18、時(shí)取樣方式受到A/D轉(zhuǎn) 換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀察和存儲(chǔ)信號(hào)的頻帶寬度受 到了限制。 等效時(shí)間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的 高頻信號(hào)變換成波形與其相似的周期性低頻信號(hào)，然后再做 進(jìn)一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。 但等效時(shí)間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號(hào)。 一個(gè)典型的采用等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖一個(gè)典型的采用等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-78-7所示。所示。 步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框圖如圖。 靜態(tài)時(shí)，D觸發(fā)器的Q 端為高電平，VT11導(dǎo)通。 觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，D觸發(fā)器的Q 端變?yōu)榈碗娖?，VT11關(guān)閉，電容C充電形 成斜波

19、信號(hào)，VT11、VT12 組成的自舉電路用以保證斜波的線性。 斜波信號(hào)加在比較器正端，階梯波加在比較器負(fù)端。當(dāng)斜波電壓上升超過(guò) 比較器負(fù)端電平時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)反相送給D，D復(fù)位Q 返回到高。 每次取樣后，階梯波都會(huì)抬高一階，如此重復(fù)下去，就能在比較器輸出端 得到一系列的步進(jìn)延遲脈沖信號(hào)。 綜上所述，通過(guò)改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可 以得到特定大小的步進(jìn)延遲時(shí)間，從而使示波器的帶寬在很大 范圍內(nèi)降低了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的要求。 用等效時(shí)間取樣方式設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其帶寬可以 較容易地達(dá)到1 000MHz，而且能較容易地把ps量級(jí)的脈沖波形 存儲(chǔ)起來(lái)。但該方法要求被測(cè)信號(hào)必

20、須是周期性信號(hào)。 由圖知，若階梯波的單位階梯電壓 為UA，斜波信號(hào)的斜率為uF，則步進(jìn) 脈沖滯后觸發(fā)脈沖的步進(jìn)時(shí)間t為 t= UA uF (8.4) 上式說(shuō)明，t與階梯波電壓成正比， 與斜波斜率成反比。 8.2.3 波形的顯示波形的顯示 為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有多種靈活的顯示方式為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有多種靈活的顯示方式 一、一、 存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示 存儲(chǔ)顯示是數(shù)字存儲(chǔ)示波器最基本的顯示方式。它顯示的波 形是觸發(fā)后所存儲(chǔ)的一幀波形信號(hào)，即在一次觸發(fā)所完成的一幀 信號(hào)數(shù)據(jù)采集之后，再通過(guò)控制存儲(chǔ)器的地址依次將數(shù)據(jù)讀出， 并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。 依照讀出

21、方法的不同，又可分為依照讀出方法的不同，又可分為: CPU控制方式控制方式 直接控制方式。直接控制方式。 一、一、 存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示 CPU CPU 控制方式控制方式 顯示過(guò)程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)按地址順序取出，送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換， 還原為模擬量送至Y軸；與此同時(shí)，將地址按同樣順序送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換為階梯波送至X軸。這樣就能把被測(cè)波形顯示在CRT屏幕上。 設(shè)存儲(chǔ)波形時(shí)是以255個(gè)地址為一頁(yè)面 ，現(xiàn)通過(guò)下圖說(shuō)明其原理。 一、一、 存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示 直接控制方式直接控制方式 一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下， 產(chǎn)生的連續(xù)地 址信號(hào)依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)地送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后 將

22、恢復(fù)的模擬量送至CRT的Y軸； 另一方面， 地址計(jì)數(shù)器提供的地址信號(hào)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器 形成階梯波送至CRT的X軸作同步的掃描信號(hào)。 于是在CRT屏幕上便形成了被顯示的模擬波形。很顯然， 這種方式的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時(shí)鐘的速率，速度較快。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸不再經(jīng)過(guò) CPU，而直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀/ 寫操作，因此速度快。顯示原 理見(jiàn)圖。 一、一、 存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示 存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示之分。 在連續(xù)觸發(fā)顯示方式下，每滿足一次觸發(fā)條件，就完成一 幀數(shù)據(jù)的取樣與存儲(chǔ)，同時(shí)，屏幕上原來(lái)的顯示波形就被新存 儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更新一次。 單次觸發(fā)顯示只不斷顯示一次觸發(fā)而取樣與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)波 形。 CP

23、U控制方式顯示的特點(diǎn)： 無(wú)論是Y軸還是X軸的數(shù)據(jù)， 都必須通過(guò)CPU傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定的限制。 直接控制方式顯示的特點(diǎn)：直接在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下對(duì)內(nèi)存進(jìn) 行讀/寫操作，不再經(jīng)過(guò)CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度僅取決于時(shí)鐘速率， 而不是由軟件決定的，速度較快。 二、二、 雙蹤顯示雙蹤顯示 存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。 即利用寫地址的最低位即利用寫地址的最低位A A0 0來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn) 行取樣和行取樣和A/DA/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)

24、方式如圖所示。轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。 讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y Y1 1和和Y Y2 2信號(hào)便在信號(hào)便在CRTCRT上交替顯示。上交替顯示。 為了使兩通道信號(hào)的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存 儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2 n中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零， 便可達(dá)到兩通道信號(hào)分區(qū)域顯示的效果。 但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 二、二、 雙蹤顯示雙蹤顯示 存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保

25、持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。 即利用寫地址的最低位即利用寫地址的最低位A A0 0來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn) 行取樣和行取樣和A/DA/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。 讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y Y1 1和和Y Y2 2信號(hào)便在信號(hào)便在CRTCRT上交替顯示。上交替顯示。 為了使兩通道信號(hào)的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存 儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2 n中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n

26、中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零， 便可達(dá)到兩通道信號(hào)分區(qū)域顯示的效果。 但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 三、三、 鎖存和半存顯示鎖存和半存顯示 鎖存顯示就是把一幅波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器之后，只允許從存 儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，不準(zhǔn)新數(shù)據(jù)再寫入。 半存顯示是指波形被存儲(chǔ)之后，允許存儲(chǔ)器奇數(shù)(或偶數(shù))地 址中的內(nèi)容更新，但偶數(shù)(或奇數(shù))地址中的內(nèi)容保持不變。于是 屏幕上便出現(xiàn)兩個(gè)波形，一個(gè)是已存儲(chǔ)的波形信號(hào)，另一個(gè)是實(shí) 時(shí)測(cè)量的波形信號(hào)。 這種顯示方法可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)行波形與過(guò)去存儲(chǔ)下來(lái)的波形進(jìn) 行比較的功能。 四、四、 滾動(dòng)顯示滾動(dòng)顯示 滾動(dòng)顯示的表現(xiàn)形式是：被測(cè)波形連續(xù)不斷地從屏幕右端進(jìn) 入

27、，從屏幕左端移出。示波器猶如一臺(tái)圖形記錄儀，記錄筆在屏 幕的右端，記錄紙由右向左移動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欲研究的波形部分時(shí)， 還可將波形存儲(chǔ)或固定在屏幕上，以作細(xì)微的觀察與分析。 滾動(dòng)顯示方式的機(jī)理是：每當(dāng)采集到一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，就把 已存在存儲(chǔ)器中的所有數(shù)據(jù)都向前移動(dòng)一個(gè)單元，即將第一個(gè)單 元的數(shù)據(jù)沖掉，其他單元的內(nèi)容依次向前遞進(jìn)，然后再在最后一 個(gè)單元中存入新采集的數(shù)據(jù)。每寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，就進(jìn)行一次讀過(guò) 程，讀出和寫入的內(nèi)容不斷更新，因而可以產(chǎn)生波形滾滾而來(lái)的 滾動(dòng)效果。 滾動(dòng)顯示主要適于緩慢變化的信號(hào)。 五、五、 點(diǎn)顯示與插值顯示點(diǎn)顯示與插值顯示 數(shù)字示波器屏幕顯示的波形一般是由一些密集的點(diǎn)構(gòu)成，通常稱

28、點(diǎn)顯示。 在點(diǎn)顯示情況下，當(dāng)被觀察的信號(hào)在一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)會(huì)引起視覺(jué) 上的混淆現(xiàn)象，使觀察者很難辨認(rèn)。一般認(rèn)為當(dāng)采樣頻率低于被測(cè)信號(hào)頻率的 2.5倍時(shí)，點(diǎn)顯示就會(huì)造成視覺(jué)混淆。采用插值顯示可以克服視覺(jué)的混淆現(xiàn)象， 同時(shí)又不降低帶寬指標(biāo)。 如圖所示，當(dāng)采用點(diǎn)顯示方式顯示采樣點(diǎn)數(shù)較少的正弦波形時(shí)所造成的視 覺(jué)混淆，以及采用插值顯示的效果。 所謂插值顯示，即在波形上兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)間插入一個(gè)估值。 數(shù)字示波器廣泛采用矢量插值法和正弦插值法兩種方式。矢量插值法是 用斜率不同的直線段來(lái)連接相鄰的點(diǎn)。正弦插值法是以正弦規(guī)律，用曲線連 接各數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示方式，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。 對(duì)每周期采樣點(diǎn)

29、數(shù)較少的正弦波，采用正弦插值處理會(huì)得到滿意的顯示 效果，如圖81示。同樣，對(duì)脈沖信號(hào)采用矢量插值法會(huì)得到較滿意的效 果，若選用正弦插值處理會(huì)在信號(hào)的前沿造成尖頭狀失真，如圖815示。 五、五、 點(diǎn)顯示與插值顯示點(diǎn)顯示與插值顯示 幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都充分地利用內(nèi)部微處理器 系統(tǒng)以及A/D 轉(zhuǎn)換器等硬件，構(gòu)成多種測(cè)量及數(shù)據(jù)處理能力，使 數(shù)字示波器成為一臺(tái)功能很強(qiáng)大的測(cè)量?jī)x器。 數(shù)字示波器的測(cè)量及處理功能包括：波形上任意兩點(diǎn)間的 電位差（U）以及時(shí)間差（t）的測(cè)量、波形的前后沿時(shí)間測(cè) 量、峰-峰值測(cè)量、有效值測(cè)量、頻率測(cè)量、顯示波形平均值處 理、兩波形的加、減、乘運(yùn)算、波形的頻譜分析等。 8

30、.2.4 波形參數(shù)的測(cè)量與處理波形參數(shù)的測(cè)量與處理 本節(jié)以本節(jié)以UU與與tt測(cè)量、兩波形相加處理為代表，討論波形參數(shù)測(cè)量、兩波形相加處理為代表，討論波形參數(shù) 的測(cè)量與處理的一般原理及方法。的測(cè)量與處理的一般原理及方法。 一、一、 U 、t 的測(cè)量的測(cè)量 波形上任意兩點(diǎn)間的電位差(U)和時(shí)間差(t)的測(cè)量 一般采用 加亮標(biāo)志法或光標(biāo)標(biāo)志法。 加亮標(biāo)志法是將欲測(cè)量的波形段加亮進(jìn)行標(biāo)志，而光標(biāo)標(biāo)志法是通 過(guò)設(shè)置兩條水平光標(biāo)線或兩條垂直光標(biāo)線對(duì)波形被測(cè)部分進(jìn)行標(biāo)志。 波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，或者光標(biāo)線的位置，可通過(guò)面板相應(yīng) 按鍵的控制下作步進(jìn)式的移動(dòng)，波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)或光標(biāo)線與 波形的交點(diǎn)，

31、對(duì)應(yīng)于信號(hào)存儲(chǔ)器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置不同的測(cè)量項(xiàng)目 時(shí)，儀器即可在測(cè)量程序控制下實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量目的，并將測(cè)量結(jié)果直 接顯示在CRT上。 為了測(cè)量U、t的大小， 通常應(yīng)將掃描時(shí)間因數(shù) (t/div) 和靈敏度(m/div)分擋編成代碼，并與波形代碼一起存入存 儲(chǔ)器，如表83和表84所示。 表表8-3為掃描時(shí)間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時(shí)間因數(shù)都用相應(yīng)的代碼表為掃描時(shí)間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時(shí)間因數(shù)都用相應(yīng)的代碼表 示，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)總數(shù)為示，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)總數(shù)為30擋時(shí)，用擋時(shí)，用5位二進(jìn)制代碼即可。位二進(jìn)制代碼即可。 表表8-4為靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)靈敏度為

32、靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)靈敏度 總數(shù)為總數(shù)為6擋時(shí)，用擋時(shí)，用3位二進(jìn)制代碼來(lái)表示位二進(jìn)制代碼來(lái)表示6擋靈敏度。擋靈敏度。 最后，再把代表掃描時(shí)間因數(shù)的5位二進(jìn)制代碼放在一個(gè)字 節(jié)的高5位，代表靈敏度的3位二進(jìn)制代碼放在同一字節(jié)的低3位， 并在每次存儲(chǔ)一頁(yè)波形數(shù)據(jù)時(shí)，把這一字節(jié)內(nèi)容也存放在同一頁(yè) 面的某個(gè)單元（例如0號(hào)單元）。 1 1 加亮標(biāo)志法加亮標(biāo)志法t t 測(cè)量原理測(cè)量原理 設(shè)波形由255個(gè)點(diǎn)組成，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)確定之后，每?jī)牲c(diǎn) 之間的步進(jìn)時(shí)間Tstep便是確定的。若想測(cè)量波形某一部分的時(shí)間 t，只需把這一部分加亮，把加亮部分的點(diǎn)數(shù)求出來(lái)，用點(diǎn)數(shù)乘 以步進(jìn)時(shí)間

33、Tstep即可求出t。 求解求解t t 的步驟：的步驟： 1、根據(jù)掃描時(shí)間因數(shù)確定步進(jìn)時(shí)間、根據(jù)掃描時(shí)間因數(shù)確定步進(jìn)時(shí)間Tstep； ； 2、求出測(cè)量波形（加亮部分）的點(diǎn)數(shù)；、求出測(cè)量波形（加亮部分）的點(diǎn)數(shù)； 3、 t = 點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)Tstep。 步進(jìn)時(shí)間Tstep是隨不同的掃描時(shí)間而變的，此時(shí)只要把 存放在波形頁(yè)面中0號(hào)地址的內(nèi)容取出來(lái)，根據(jù)它的高5位代碼就可以 確定步進(jìn)時(shí)間及單位。 圖圖8-16 波形加亮及控制流程波形加亮及控制流程 圖中，端口“I/O”為控制加亮輸入口，端口“I/O，Z”為控制加亮輸出口。 其中“I/O”口的U0鍵和U1鍵分別對(duì)應(yīng)波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并定義D1 為1表

34、示要改變U1的位置，D2為1表示要改變U0的位置，究竟作如何改變(進(jìn) 或者退)則由進(jìn)/退鍵來(lái)決定，定義D0為1時(shí)進(jìn)，D1為0時(shí)退。 在存儲(chǔ)階段，在CPU兩次取樣之間訪問(wèn)I/O口，若D1為1，則B寄存器加 1(若同時(shí)D0為1)或者減1(若同時(shí)D0為0); 若D2為1，則C寄存器加1(若同時(shí)D0 為1)或者減 1(若同時(shí)D0為0)，使寄存器B和C分別寄存加亮部分起點(diǎn)和終點(diǎn)的 地址。 在顯示波形時(shí)，不斷地讓信號(hào)存儲(chǔ)器的地址計(jì)數(shù)器(L寄存器)與C寄存器比 較，當(dāng)LC時(shí)，則使“I/O，Z”口的D0置1， 它與加亮信號(hào)組合起來(lái)就產(chǎn)生了 在波形上加亮的效果。同樣若LB，則使“I/O，Z”口的D0置0，這就是

35、加亮 的結(jié)束。這樣，通過(guò)按動(dòng)U0鍵、U1鍵和進(jìn)退鍵，便可產(chǎn)生使波形加亮部分變 寬、變窄以及左右移動(dòng)的效果。 于是，可以得到加亮待測(cè)波形部分的時(shí)間T(B-C) Tstep，式中的(B- C)即為加亮標(biāo)志間的點(diǎn)數(shù)。 二、二、 兩波形的兩波形的“加加”運(yùn)算運(yùn)算 兩波形的“加”運(yùn)算是指把存放在不同頁(yè)面中的波形數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相加。 相加時(shí)，要求波形的掃描時(shí)間因數(shù)必須相同，否則無(wú)法表示相加后的時(shí) 間； 應(yīng)注意兩個(gè)頁(yè)面的靈敏度要相同，若靈敏度不同，應(yīng)在運(yùn)算之前把兩頁(yè) 面的靈敏度給以調(diào)整或“對(duì)齊”， 記下靈敏度調(diào)整系數(shù)。 相加時(shí)，如有溢出還應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整，使每?jī)牲c(diǎn)相加結(jié)果不超過(guò)255。 靈敏度對(duì)齊程序的依據(jù)是表86所

36、示的靈敏度與代碼關(guān)系表。 首先把A、B頁(yè)面的靈敏度代碼相減，若結(jié)果為零，說(shuō)明兩頁(yè)面的靈敏度 相同不需要調(diào)整。若不為零，應(yīng)把相減的差值 L（即靈敏度的差值）按2L計(jì) 算出調(diào)整系數(shù)，然后進(jìn)行調(diào)整。 調(diào)整原則是：向低靈敏度對(duì)齊，即把靈敏度高的頁(yè)面做被調(diào)整頁(yè)，將其 代碼改為低靈敏度代碼，再把被調(diào)整頁(yè)每一單元的數(shù)都除以調(diào)整系數(shù)。當(dāng)靈 敏度“對(duì)齊”以后，便把兩頁(yè)面對(duì)應(yīng)地址中的數(shù)相加，相加的結(jié)果放在B 頁(yè) 面對(duì)應(yīng)的地址中。 若兩個(gè)數(shù)相加有溢出，則把溢出標(biāo)志碼AAH存入E寄存器中， 二、二、 兩波形的兩波形的“加加”運(yùn)算運(yùn)算 “加加” 運(yùn)運(yùn) 算算 流流 程程 8.3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)

37、8.3.1 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)用普通示波器顯示被測(cè)波形的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)用普通示波器顯示被測(cè)波形的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示 波器，示意圖如下：波器，示意圖如下： 考慮到電子競(jìng)賽的特點(diǎn)，將示波器被測(cè)信號(hào)的最高頻率分量（存儲(chǔ)帶寬）限考慮到電子競(jìng)賽的特點(diǎn)，將示波器被測(cè)信號(hào)的最高頻率分量（存儲(chǔ)帶寬）限 定在定在50kHz，其顯示部分用模擬示波器（，其顯示部分用模擬示波器（XY工作方式）來(lái)替代。工作方式）來(lái)替代。 (1) 具有連續(xù)觸發(fā)和單次觸發(fā)兩種存儲(chǔ)顯示方式。在連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方 式中，儀器能連續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，且具有鎖存（按“鎖 存”鍵

38、即可存儲(chǔ)當(dāng)前波形）功能。在單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式下，每按動(dòng)一次 “單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期 信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)，然后連續(xù)顯示采集的波形。 (2) 器垂直分辨率為32級(jí)/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div(設(shè)示波器顯示屏水 平刻度為10div，垂直刻度為8div)，輸入阻抗大于100k。 (3) 頻率范圍為DC50kHz，最少設(shè)置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三 擋掃描速度，其誤差5%；最少設(shè)置1V/div、0.1V/div、0.01V/div三擋垂直靈 敏度，其誤差5%。 (4) 儀器觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可

39、調(diào)。 (5) 具有雙蹤示波功能，能同時(shí)顯示兩路被測(cè)信號(hào)波形。 (6) 具有水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能，要求將存儲(chǔ)深度增加一倍，并且能通過(guò) 操作“移動(dòng)”鍵顯示被存儲(chǔ)信號(hào)波形的任一部分。 (7) 其他，例如具有量程自動(dòng)調(diào)節(jié)(Autoscale)功能、頻譜分析功能等。 要求達(dá)到的功能和技術(shù)指標(biāo)：要求達(dá)到的功能和技術(shù)指標(biāo)： 8.3.1 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定 設(shè)計(jì)要求存儲(chǔ)示波器具有單次觸發(fā)功能，能對(duì)單次出現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量， 非實(shí)時(shí)的等效時(shí)間取樣方式無(wú)能為力；另一方面，本題要求A/D轉(zhuǎn)換器的最 高轉(zhuǎn)換速率僅為2MHz，

40、因此，本設(shè)計(jì)選用實(shí)時(shí)取樣方式。 1. 1. 取樣方式的選擇取樣方式的選擇 本題要求示波器垂直分辨率為32級(jí)/div，而顯示屏的垂直刻度為8div， 因而要求A/D轉(zhuǎn)換器能分辨328256級(jí)，應(yīng)選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器。 本題要求示波器的最快掃描速度為20s/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div， 因而A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為1MHz。若考慮雙蹤輸入情況，A/D轉(zhuǎn)換 器最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)選擇在2MHz以上。 根據(jù)上述分析，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)選擇最高轉(zhuǎn)換速率為2MHz以上的8位A/D 轉(zhuǎn)換器，例如CA 3308、TLC 5510等。 2. A/D2. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇轉(zhuǎn)換器的選擇 8.3.1 簡(jiǎn)易數(shù)字存

41、儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定 本題要求水平分辨率為20點(diǎn)/div，而顯示屏水平刻度為10div，因而滿 屏掃描顯示需2010200點(diǎn)。考慮雙蹤示波功能，存儲(chǔ)深度應(yīng)增加到400點(diǎn)， 若再考慮水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能的需要，可考慮選擇容量為1KB以上的存儲(chǔ) 器。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器工作的一個(gè)重要特點(diǎn)是要求數(shù)據(jù)的寫入與讀出能同時(shí)進(jìn)行， 這就存在一個(gè)共享RAM的問(wèn)題?？梢钥紤]采用如下兩種方案： (1) 采用一般的RAM并設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍控制電路，使數(shù)據(jù)的寫入與讀出 分時(shí)使用同一套總線。 (2)采用具有兩套總線的雙口RAM器件。 根據(jù)上述

42、分析，本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器擬選擇雙口RAM器件，例如選擇容量為 2KB的雙口RAM器件IDT 7132。 3. 3. 存儲(chǔ)器的選擇存儲(chǔ)器的選擇 由于存儲(chǔ)示波器一般采樣速率較高(本題要求最高采樣速率不小于 2MHz)，控制的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，并且采集與存儲(chǔ)要求保持嚴(yán)格的同步，因此采 用普通單片機(jī)直接控制很難勝任。 本設(shè)計(jì)采用了 “CPLD 單片機(jī)”的兩層控制方案， 底層控制由CPLD或普通IC為 核心的高速邏輯控制電路， 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和高速 的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸； 頂層由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交 互、數(shù)據(jù)處理等項(xiàng)工作。 這種控制方案使單片機(jī) 和高速邏輯器件揚(yáng)長(zhǎng)避短地 有效地結(jié)合在一起。 4. 4. 控制方案

43、的確定控制方案的確定 二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì) 輸入電路主要作用是將輸入信號(hào)的幅度調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓范圍 內(nèi)。題目要求垂直靈敏度擋位范圍在0.01V/div1V/div之間，示波器顯示屏的 垂直刻度為8div，則對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)電壓幅度的范圍應(yīng)在0.08V8V之間。 如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為2V，則計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的輸入電 路的衰減放大系數(shù)的范圍應(yīng)為0.2525。若考慮Autoscale功能的要求，則應(yīng) 按125分配原則設(shè)置7擋垂直靈敏度的量程（覆蓋題目要求的3擋量程）。 不同垂直靈敏度（V/div擋）與對(duì)應(yīng)的衰減放大系數(shù)的關(guān)系如表所示。 1. 1.

44、輸入電路的分析與設(shè)計(jì)輸入電路的分析與設(shè)計(jì) 很顯然，輸入電路應(yīng)是一個(gè)寬帶的數(shù)控衰減放大電路。根據(jù)表8-7提供的 數(shù)據(jù)，輸入電路可以由二擋量程的程控衰減器(1、0.1)和四擋量程的程控放 大器(2.5、5、12.5、25)組合而成，或者采用具有7擋量程的程控衰減 器和放大倍數(shù)固定為25的放大器組成等方案。 垂直靈敏度(V/div) 10mV 20mV 50mV 0.1V 0.2V 0.5V 1V 衰減放大系數(shù) 25 12.5 5 2.5 1.25 0.5 0. 25 二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì) 1. 1. 輸入電路的分析與設(shè)計(jì)輸入電路的分析與設(shè)計(jì) 本題要求儀器輸入帶寬不小于5

45、0kHz，選用集成運(yùn)放LF356(GBW為5MHz)； 實(shí)際輸入電路設(shè)計(jì)還要考慮雙蹤輸入，單雙蹤控制由多路選擇器IC6完成，當(dāng)P1.1 為高電平時(shí)，儀器為雙蹤示波功能；主放大器IC3是根據(jù)表8-7設(shè)計(jì)的具有七擋量 程的程控放大器，通過(guò)控制模擬選擇開(kāi)關(guān)IC7實(shí)現(xiàn)垂直靈敏度的選擇；IC4組成電 平移位電路，以使輸入信號(hào)的電平移位到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的02V范圍內(nèi)。 （典型的輸入電路設(shè)計(jì)方案舉例）（典型的輸入電路設(shè)計(jì)方案舉例） 2. 2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)示波器的采樣與 存儲(chǔ)控制電路一般由時(shí) 鐘、t/div控制器、 寫地址計(jì)數(shù)器、RAM讀/ 寫控制等組成，圖82

46、2 給出了能滿足本設(shè)計(jì)要 求的采樣與存儲(chǔ)控制電 路原理簡(jiǎn)要框圖。 輸入信號(hào)經(jīng)輸入電路分送至A/D轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)電路。控制電路一旦接到來(lái)自 觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集及RAM寫入過(guò)程： 一方面，“t/div”控制器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)控制轉(zhuǎn)換速率的采集信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn) 換器按設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；另一方面，使寫地址計(jì)數(shù)器按順 序遞增，以選通RAM中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。 為了保證下一個(gè)數(shù)據(jù)能可靠寫入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，應(yīng)安排在時(shí)鐘的上 升沿將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器，在其下降沿將地址計(jì)數(shù)器加1。一旦200個(gè)存儲(chǔ)單元 寫滿，就完成了一個(gè)寫入循環(huán)。 2. 2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)采樣與存儲(chǔ)控制

47、電路的設(shè)計(jì) t /div 控制器用于控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器的寫入地 址，它是采集與存儲(chǔ)控制電路的核心。 t /div 控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，題目要求掃描速度范圍在 0.2s/div20s/div之間，水平分辨率為20點(diǎn)/div，則根據(jù)式(8.1)進(jìn)行推算， 得A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的范圍在100Hz1MHz之間。若考慮Autoscale功能 的要求，應(yīng)按1-2-5分配原則設(shè)置13擋掃描速度量程。經(jīng)計(jì)算得到不同 t/div 擋與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系如表所示。 3. 3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì)波形顯示電路的設(shè)計(jì) 波形顯示控制電路一般由時(shí)鐘、讀地址計(jì)數(shù)器、RAM讀控 制等部分

48、組成，用以控制雙口RAM的一組地址和控制總線。波 形顯示控制電路和采集與存儲(chǔ)控制電路在邏輯關(guān)系上是可以分 離的，但在設(shè)計(jì)中兩者可以設(shè)計(jì)在同一可編程邏輯器件中。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)重要方面是，波 形的顯示與波形的采集和存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù) 以何種速度寫入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以固定的 速度讀出，因而可以得到清晰而穩(wěn)定的波形。這樣我們就可以 無(wú)閃爍地觀察極慢信號(hào)，同時(shí)也可以穩(wěn)定地顯示很高頻率的信 號(hào)。這是模擬示波器所不能及的。 3. 3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì)波形顯示電路的設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的控制電路如圖所示。圖中，讀地址計(jì)數(shù)器一 方面提供連續(xù)的RAM讀

49、地址，依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器恢 復(fù)為模擬信號(hào)() ，然后送至示波器CRT的Y軸；另一方面，提供的地址 信號(hào)也同時(shí)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸做同步的掃描信 號(hào)() 。很顯然，由于()和() 信號(hào)都來(lái)源于同一地址發(fā)生器，因 而在顯示屏上形成的波形非常穩(wěn)定。 三、三、 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件的作用除表現(xiàn)在底層控制和人機(jī)界面的控制外，更重 要的是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方面。這是因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)已按預(yù)定的速率取樣、量化并存 儲(chǔ)在儀器中，因而通過(guò)軟件可以很自如地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而擴(kuò)展出 許多儀器功能。例如基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能

50、基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能 基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能：基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能： 這類算法的主要思想是：通過(guò)查找存儲(chǔ)在RAM中波形數(shù)據(jù)的 最大值、最小值以及過(guò)零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算出信號(hào)的 頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。 這里特別要說(shuō)明Autoscale功能，由于儀器已具備測(cè)頻和測(cè)幅 的功能，所以儀器就能根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的信號(hào)頻率和幅度，計(jì)算并 設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號(hào)波形能自動(dòng) 地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能 實(shí)際上是一個(gè)二維的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。 8.3.2 等效時(shí)間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)等效時(shí)間取

51、樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)擬通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及回波顯 示系統(tǒng)的分析，討論基于等效時(shí)間取樣方式的數(shù)字存儲(chǔ)示波器 的設(shè)計(jì)方法。 探地雷達(dá)的回波信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是回波信號(hào)的最高頻 率分量高達(dá)GHz量級(jí)，這就對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的 要求；二是信號(hào)幅度變化的動(dòng)態(tài)范圍很大，要求采用1416位 A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實(shí)時(shí)取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、 高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論從技術(shù)條件還是從價(jià)格上都是困難 的。所幸的是，探地雷達(dá)回波信號(hào)在一定的時(shí)間內(nèi)(ms級(jí))，可 以認(rèn)為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號(hào)。因此，該系統(tǒng)采用等效時(shí)間取 樣方案是非常合適的。 擬定的探地?cái)M定的探地

52、雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)雷達(dá)回波信號(hào)數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)的原據(jù)采集系統(tǒng)的原 理框圖如圖示。理框圖如圖示。 系統(tǒng)采用了系統(tǒng)采用了 “CPLDCPLD單片機(jī)單片機(jī) PCPC機(jī)機(jī)”三層控三層控 制方案。制方案。 底層控制由以CPLD為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制高速數(shù)據(jù) 采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^(guò)程； 中層控制由單片機(jī)組成，一方面接收并執(zhí)行由PC機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí) 施對(duì)底層控制器的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出并迅速上傳至PC機(jī)； 上層控制由便攜式PC機(jī)完成，一方面為用戶提供一個(gè)操作窗口，完成對(duì) 儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實(shí)時(shí)接收 單片機(jī)上傳的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及

53、顯示波形。 系統(tǒng)的時(shí)基電路按照PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號(hào)， 該信號(hào)一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的ns級(jí)寬度的窄脈沖 電磁波信號(hào)； 電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會(huì)產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號(hào)，這 些回波信號(hào)由接收天線接收后經(jīng)過(guò)低噪放大，送往取樣門電路； 時(shí)基電路送出的觸發(fā)脈沖信號(hào)也同時(shí)送給步進(jìn)脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進(jìn)脈 沖信號(hào)，步進(jìn)脈沖信號(hào)經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門電路 對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行取樣； 取樣后的回波信號(hào)經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號(hào)，然 后再將該信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)FIFO存儲(chǔ)器的緩沖，傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行后處 理及顯示； 為保證存儲(chǔ)

54、數(shù)據(jù)向PC機(jī)傳輸?shù)乃俣龋瑔纹瑱C(jī)與PC機(jī)接口采用USB總線。 系統(tǒng)的工作流程如下系統(tǒng)的工作流程如下 本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、 存儲(chǔ)及高速傳輸電路三部分的原理。存儲(chǔ)及高速傳輸電路三部分的原理。 一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路 功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門電路取樣的取樣脈沖信號(hào)和啟動(dòng)功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門電路取樣的取樣脈沖信號(hào)和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換的步進(jìn)脈沖信號(hào)。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí)換的步進(jìn)脈沖信號(hào)。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí) 間達(dá)到間達(dá)到0.1ns。 步進(jìn)脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組 成，原理見(jiàn)8.2.2節(jié)的介紹 。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了美國(guó)數(shù)字可 編程延時(shí)發(fā)生器AD 9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器 等電路，而且還內(nèi)置了D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時(shí)只需要提供 外部觸發(fā)信號(hào)以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進(jìn)延 時(shí)達(dá)10ps的步進(jìn)脈沖信號(hào)。 若使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對(duì)AD 9500的控制，則整個(gè)步進(jìn) 系統(tǒng)的電路將會(huì)大幅度簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。 AD 9500是是8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所示。位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所