電子測量及儀器 第四章 時域測量-電子示波器2

1、 又稱(DSO, Digital Storage Osilloscope)。 數字存貯示波器采用數字電路，將輸入信號先經過A/D變換器，將模擬波形變換成數字信息，存貯于數字存貯器中。需要顯示時，再從存貯器中讀出，通過D/A變換器，將數字信息變換成模擬波形顯示在示波管上，或是直接將數字信號顯示于LCD屏上。A/D+RAM+D/A+CPU存貯時間長；能捕捉觸發(fā)前的信號；可與計算機相連接；可分析復雜的單次瞬變信號。儀器科學與工程系一、數字示波器的一、數字示波器的:（不同時期的DSO）輸 入放大器A/DRAMD/A濾波Y輸出放大器Y輸入示波管邏輯控制電路同步放大掃描發(fā)生器掃描發(fā)生器能在數字、模擬兩種工

2、作方式下工作。在Y通道中插入數字元件A/D、RAM、D/A，X通道仍產生鋸齒波。功能、性能受限制，靜電偏轉示波管帶寬有限。能在數字、模擬兩種工作方式下工作取樣門與保持A/DI/Oui被測信號外觸發(fā)信號內D/AI/OD/AI/OX放大Y放大CRTX通道Y通道取樣通道RAMCPUROM其它命令GPIB取樣通道、X通道、Y通道、示波管、CPU、GPIB。CPU控制采樣、存儲、讀出、顯示等，信息通道總線交換。鍵盤+CPU+程序ROM。ROM內寫有儀器的工作程序，通過鍵盤進行參數設定，測試等。模擬信號A/D數字信號存儲于RAM。此過程受CPU控制。Y通道將RAM中的數字信號重新恢復成模擬信號；X通道產生

3、階梯掃描電壓。X、Y通道同時加在示波管CRT上把波形沿水平方向展開。RAMRAMX通道讀出采樣脈沖數字化提高采集速度、帶寬，反混迭失真 模擬通道：包括多個模擬通道，信號經衰減器、前置放大、S/H、后置放大器后送入A/D轉換。前置放大器的信號同時送入觸發(fā)選擇器。 采集處理器：示波器中使用隨機使用隨機- -重復采樣技術重復采樣技術，采樣處理器根據采樣與觸發(fā)的對應關系來確定數據在波形存儲器中的位置，以便重構波形。 波形翻譯器：專用的處理器。將數據點與時間值按時間順序對應，翻譯成與顯示器Y、X相對應的水平像素位置。 主微處理器：人機接口，軟件操作系統(tǒng)，增強功能按鍵接口接口選擇模擬控制CPUROMRAM

4、微處理器總線收發(fā)器波 形存儲器波 形翻譯器視 頻RAM光柵掃描顯示器波形總線采 集處理器A/D跟蹤保持衰減器前置放大后置放大通道2A/D跟蹤保持衰減器前置放大后置放大通道1觸發(fā)比較器信號調整觸發(fā)選擇前置放大外觸發(fā)電源信號觸發(fā)電平HP54600 LeCroy(USA)3 測量與分析數字處理器&協(xié)處理器操作系統(tǒng)應用軟件RAM4 存儲可存儲軟盤IC存儲卡及硬盤連接到計算機打印機的數據總線2 顯示顯示顯示處理器1 采集ABC放大器輸入信號采 集 處理器觸發(fā)器突出了突出了DSP及軟件功能及軟件功能二、信號采集處理技術二、信號采集處理技術 屏幕更新率低. 更新率指每秒鐘可以捕獲波形的數目。單CPU示波器無

5、法滿足實時要求，存在死區(qū)時間。即信號經“A/D存儲處理D/A顯示”至下一次波形的采集會產生時間間隔。 提高更新率，400k幅的更新率 數字實時實時存儲示波器 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，加上其它采樣點，則不會產生失真。 抗混疊技術-101欠采樣生成的混迭失真滿足采樣定理，內插顯示(45)BW，不內插10BW。 高速A/D及RAM價格比較高，對于重復信號，以較低的采樣頻率獲得較高的采樣帶寬。每個周期采集一定數量的樣點，經多個周期的樣點恢復出波形。信號與采樣時鐘非同步，采樣觸發(fā)點與下一個采樣點的時間間隔是隨機的，信號為周期

6、信號，每個周期的采樣，等效為對“同一波形”的(欠)采樣。滿每一周期采一個樣點。所需要時間長，不能觀測單次信號123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Mar-2006Sheet of File:F:My Documents電 子 測 量 技 術 與 儀 器 課 件 PPTcircuit.ddbDrawn By:(a) 實時采樣(b) 隨機采樣(c) 順序采樣一個周期第1采樣周期第2采樣周期第3采樣周期第4采樣周期第1采樣周期第2采樣周期第3采樣周期第n采樣周期1 3 41 3 4 2 1 3 41 3 4221 2 3n采樣速率又稱

7、數字化速率。描述方式： 單位時間內的采樣次數，20Msps 采樣頻率描述，20MHz 信息率描述，單位時間內儲存多少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器容量的限制。一般在不同掃描時，采樣速率是不一樣的，但存儲容量是相同的，如存儲10000點。 主要是指A/D器件。高速的A/D技術，目前已有10Gsps.。高速的A/D技術有兩種類型： 同時通過多個A/D交叉復用，控制時鐘依次叉開，可進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的存儲速度的要求。+_C3+_C1+_C2編碼器RRRR參考信號Ur輸入信號Vin比較器輸出并聯(lián)比

8、較式A/D-最快的A/D轉換器缺點: 器件復雜, 需要2n個比較器.A/D1uiA/D2RAM1RAM2S組合輸出數據多個A/D交叉復用，可使采樣速率成倍提高.DDR: Double Data Rate CCD：高速模擬存儲 2.5Gsps A/D：低速數字化處理YA順序取樣YB順序取樣通道轉換AB通道轉換A/DRAMCCDuiAuiB缺點: CCD記錄長度有限. 速度要求：多個低速存儲器分時輪流寫入。要求精確定時。 數據更新：具有循環(huán)存儲功能。 負延遲觸發(fā)：可以觀測觸發(fā)點之前的信號。 正延遲觸發(fā)：是指可以觀測觸發(fā)點以后的信號。 距離觸發(fā)點的。 負延遲在模擬示波器中無法實現負延遲在模擬示波器中

9、無法實現。觸發(fā)點正延時負延時觸發(fā)點終止記錄負延時觸前發(fā)采樣存儲器結構循環(huán)存儲觸發(fā)功能觸發(fā)后推進觸發(fā)后推進=總長總長-負延時負延時N=L-M尖峰干擾設定時間窗觸發(fā)源：內觸發(fā)(各個通道皆可)，外觸發(fā)，電源觸發(fā)觸發(fā)模式：自動，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：識別尖峰干擾 采樣速率與記錄長度有以下關系： L(p)=fs(sps)S(t/div)10(div) 早期DSO，掃速與采樣速率聯(lián)動。（現在這樣的DSO也常用）。即改變A/D轉換速率。缺點：記錄長度太短，10000個點，不能完整記錄一個較復雜的信號。不便同時觀測快慢信號。如電視信號中含有快慢的波形(圖6.6

10、4) 。快掃，慢掃都不利。增加記錄長度，設計超快、超長的采集存儲器。(1) )掃速與采樣速率聯(lián)動掃速與采樣速率聯(lián)動.BA掃速(t/div)采樣頻率(sps) 0.1us 1us 10us 100us 1ms 10ms 100ms 1000ms0.1K1K10K100K1M10M100M1G10G100G200M0.5us/div例：A的最高采樣率為1GS/s，存儲深度為1MB；B的最高采樣率為200MS/s，存儲深度為1KB。問當掃速從10ns/div變化到1000ms/div時，試計算采樣率的變化情況. 分辨率都較低，8bit，受信號頻率，存儲數據量，干擾等限制。三、波形顯示技術三、波形顯示

11、技術用較少的點構成波形：視覺混淆 線性內插 正弦內插：專用于正弦信號正弦條件下，USB = fsmax / k. (單次帶寬) USB與采樣速率和波形重組方法有關CRT、LCD（光柵掃描）四、示波器的技術指標四、示波器的技術指標幅度隨頻率變化下跌3dB時的頻率寬度 重復帶寬：采用非實時取樣技術，可做到很寬，幾十GHz 單次帶寬：有效存儲帶寬，與采樣速率，波形重組方法有關與模擬示波器的不同. 掃速（采樣間隔） 2點 or 3點？V/div 1-2-5步進 (與校準信號比較得到誤差與校準信號比較得到誤差)與A/D比特數有關A/D的最高采樣速率，現代DSO可達20GS/s以上。 采樣速率fs，每格樣