電子示波器下PPT課件

1、14-6 高速和取樣示波器 示波器偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感 L的影響： 當(dāng)測(cè)量高頻信號(hào)時(shí)，偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感 L構(gòu)成的諧振回路，將使階躍信號(hào)產(chǎn)生畸變，在上升沿處，形成過(guò)阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過(guò)阻尼使得上升沿變壞。欠阻尼情況，在上升沿頂部疊加振蕩信號(hào)。其等效電路及波形情況如下圖所示。 圖4.61 分布參數(shù)的影響第四章 示波器及示波測(cè)量第1頁(yè)/共74頁(yè)2圖4.6-1 分布參數(shù)的影響 為了減小分布參數(shù)的影響，應(yīng)盡量減小L和C。快速示波管的偏轉(zhuǎn)板從旁邊引出以減短其長(zhǎng)度，從而減小了引線電感；同時(shí)增大偏轉(zhuǎn)板間距可減小C，但這樣又會(huì)使偏轉(zhuǎn)靈敏度降低。第四章 示波器及示波測(cè)量第2頁(yè)/共74頁(yè)3電子

2、渡越時(shí)間的影響： 當(dāng)電子束通過(guò)偏轉(zhuǎn)板時(shí)，偏轉(zhuǎn)板上的電壓不變，那么電子束的偏轉(zhuǎn)量正比于偏轉(zhuǎn)電壓。普通示波管 電子渡越時(shí)間為110 ns 量級(jí)，如果顯示波形或脈寬比它大的多，則可以認(rèn)為在波形顯示期間，偏轉(zhuǎn)板上的電壓不變。第四章 示波器及示波測(cè)量第3頁(yè)/共74頁(yè)4對(duì)高頻信號(hào) 會(huì)因電子通過(guò)偏轉(zhuǎn)板期間偏轉(zhuǎn)板上的電壓有明顯變化，所顯示的波形會(huì)有很大的失真。對(duì)應(yīng)正弦波會(huì)使得波形振幅變小，且引入相位差；對(duì)脈沖波形，表現(xiàn)為上升沿和下降沿均變慢，甚至畸變?yōu)槿切尾ā?第四章 示波器及示波測(cè)量第4頁(yè)/共74頁(yè)5 Y 偏轉(zhuǎn)放大器的帶寬不足： 放大器高頻截止頻率不夠高，高頻信號(hào)前后沿失真。 掃描速度不夠快： 顯示高頻信

3、號(hào)時(shí)，要有足夠高的掃描速度。普通示 波器無(wú)法達(dá)到。 亮度不夠： 對(duì)于高速脈沖，其亮度很低。 對(duì)于高頻信號(hào)的顯示必須采用更好的高速示波器和取樣示波器。第四章 示波器及示波測(cè)量第5頁(yè)/共74頁(yè)6 高速示波器顯示 ns、ps 級(jí)的脈沖或微波信號(hào)。它不同于普通示波器的關(guān)鍵是示波管、Y放大器、時(shí)基發(fā)生器。4-6.1、高速示波器(100MHz1GHz) （1）示波管：高速示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)接線要短，偏轉(zhuǎn)板間距離d 要大，以使分布電容小，加速電壓要高，以減小電子渡越時(shí)間。因而偏轉(zhuǎn)靈敏度將很低。為了保證示波器靈敏度，則要求Y 軸放大器必須有更大的放大倍數(shù)，這無(wú)疑增加了Y 軸放大器實(shí)現(xiàn)上的困難。因此，在要求更高速

4、度時(shí)，采用行波示波管。第四章 示波器及示波測(cè)量第6頁(yè)/共74頁(yè)7（2）放大器：Y 放大器是寬帶放大器，目前集成電路放 大器帶寬可達(dá)到1000MHz以上。（3）時(shí)基發(fā)生器：由于高速示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度很低， 限制了被測(cè)脈沖的最高重復(fù)頻率。第四章 示波器及示波測(cè)量4-6.1、高速示波器(100MHz1GHz) 第7頁(yè)/共74頁(yè)84-6.2、取樣示波器(1GHz20GHz) 將高頻（一般為1000MHz以上）的重復(fù)性的周期信號(hào)，經(jīng)過(guò)取樣（取樣速率可調(diào)），變換成低頻的重復(fù)性的周期信號(hào)，再運(yùn)用通用示波器的原理進(jìn)行顯示和觀測(cè)的示波器稱為取樣示波器 取樣示波器經(jīng)過(guò)頻率轉(zhuǎn)換，是一種“非實(shí)時(shí)取樣”示波器。第四章

5、示波器及示波測(cè)量第8頁(yè)/共74頁(yè)94-6.2、取樣示波器(1GHz20GHz) 非實(shí)時(shí)取樣技術(shù)把一個(gè)高頻或超高頻的信號(hào)經(jīng)過(guò)跨周期的取樣，形成一個(gè)波形和相位完全相同、幅度相等或成某種嚴(yán)格比例的低頻（或中頻）信號(hào)。對(duì)低頻信號(hào)的測(cè)量，要比對(duì)高頻信號(hào)的測(cè)量在技術(shù)上成熟得多，測(cè)量精度也宜于保證。 取樣裝置加普通示波器就是取樣示波器的結(jié)構(gòu)。取樣裝置可將頻率上限擴(kuò)展到十幾個(gè)GHz。例如HP1811A型取樣示波器的頻寬為18GHz。第四章 示波器及示波測(cè)量第9頁(yè)/共74頁(yè)10 對(duì)取樣脈沖，取樣脈沖的間隔為 T+t ( T為輸入信號(hào)Ui( t ) 的周期）。每次取樣相當(dāng)于前一個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間延遲t ，經(jīng)過(guò)多次取樣，

6、最后將被測(cè)信號(hào)的波形展寬顯示出來(lái)。)(tui( b )( c )( a )( d ) tui tp tus tuy1234561t2t3t4t5t6tttttTtt2t3t4t5123456圖4.63 非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程 第四章 示波器及示波測(cè)量1、非實(shí)時(shí)取樣原理 被測(cè)高頻信號(hào)取樣脈沖采樣信號(hào)輸出的量化信號(hào)第10頁(yè)/共74頁(yè)11如圖（c）和（d）所示，（c）為采樣值，（d）是經(jīng)過(guò)保持及延長(zhǎng)后形成的量化信號(hào)。通過(guò)若干周期對(duì)波形的不同點(diǎn)的采樣，將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成低頻信號(hào)，以通用示波器顯示uy(t)的包絡(luò)波形來(lái)反映和表現(xiàn)被測(cè)的實(shí)際高頻信號(hào)波形。)(tui( b )( c )( a )( d ) tui t

7、p tus tuy1234561t2t3t4t5t6tttttTtt2t3t4t5123456圖4.63 非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程 第四章 示波器及示波測(cè)量1、非實(shí)時(shí)取樣原理 被測(cè)高頻信號(hào)取樣脈沖采樣信號(hào)輸出的量化信號(hào)第11頁(yè)/共74頁(yè)122.取樣示波器組成取 樣 門放 大 器延 長(zhǎng)電 路取 樣 門 脈沖 發(fā) 生 器延 長(zhǎng) 門 脈沖 發(fā) 生 器取 樣 脈 沖時(shí) 基 單 元iu被 測(cè) 信 號(hào)同 步 信 號(hào)sut延 遲 脈 沖yu圖4.64 取樣示波器框圖 被測(cè)信號(hào)通過(guò)取樣門后，變成窄脈沖信號(hào)，經(jīng)放大后，送入延長(zhǎng)電路，形成信號(hào)包絡(luò)。Y 通道由取樣門、放大電路及延長(zhǎng)電路組成，延長(zhǎng)電路由保持電容及直流放大器構(gòu)成

8、，以便將窄脈沖取樣信號(hào)Us（t）展寬，得到量化的包絡(luò)信號(hào)。 第四章 示波器及示波測(cè)量第12頁(yè)/共74頁(yè)13 取樣信號(hào)波形由不連續(xù)的亮點(diǎn)構(gòu)成，須采用階梯波作掃描電壓。 其波形對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖。在量化信號(hào)（a）與階梯掃描信號(hào)（b）共同的作用下，就可在熒光屏上顯示出被測(cè)高頻信號(hào)的波形如圖（c）所示，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時(shí)，即圖（c）中亮點(diǎn)足夠密時(shí)，該波形便能無(wú)失真的表現(xiàn)出被測(cè)高頻波形。 tyu012456( a )2345610( c )xu( b )0123456圖4.6-5 顯示過(guò)程 第四章 示波器及示波測(cè)量第13頁(yè)/共74頁(yè)14 取樣示波器是一種非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程，它只能觀測(cè)重復(fù)信號(hào)，對(duì)非重復(fù)的高頻信號(hào)或

9、單次信號(hào)，只能用高速示波器進(jìn)行觀測(cè)。 第四章 示波器及示波測(cè)量時(shí)基單元功能產(chǎn)生階梯波電壓產(chǎn)生與掃描電壓同步的延遲脈沖第14頁(yè)/共74頁(yè)154-7 記憶示波器與存貯示波器 從通用示波器到取樣示波器，主要解決了示波器的帶寬問(wèn)題，取樣示波器最高帶寬已經(jīng)達(dá)到50 GHz。 但是，這些示波器沒(méi)有存儲(chǔ)功能，只有當(dāng)被測(cè)信號(hào)存在時(shí)，才能進(jìn)行觀測(cè)研究。第四章 示波器及示波測(cè)量第15頁(yè)/共74頁(yè)16 存儲(chǔ)示波器是將被測(cè)信號(hào)先存貯在某種介質(zhì)上，以便后來(lái)用于觀測(cè)，存儲(chǔ)和顯示是分開(kāi)進(jìn)行的。 目前對(duì)信號(hào)的存貯有兩種方法，即模擬存儲(chǔ)和數(shù)字存儲(chǔ)。 記憶示波器與存貯示波器分別利用模擬存貯技術(shù)和數(shù)字存貯技術(shù)，將信息進(jìn)行存貯，當(dāng)需

10、要顯示時(shí)，再在熒光屏上進(jìn)行顯示。 這兩種示波器主要用于記錄瞬變的單次信號(hào)，由于存貯技術(shù)與示波技術(shù)的結(jié)合，給研究單次瞬變信號(hào)的波形帶來(lái)了極大的方便第四章 示波器及示波測(cè)量第16頁(yè)/共74頁(yè)174-7.1、記憶示波器 記憶示波器的記憶功能是由記憶示波管完成的。利用具有記憶能力的材料制成的示波管結(jié)合相應(yīng)的電子線路，就形成了記憶示波器。 由于數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字存貯示波器的出現(xiàn)，使得記憶示波器的發(fā)展受到一定的影響。第四章 示波器及示波測(cè)量第17頁(yè)/共74頁(yè)184-7.2、數(shù)字存儲(chǔ)示波器1數(shù)字存儲(chǔ)顯示基本原理 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中用于存儲(chǔ)數(shù)字化波形的器件是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），以下簡(jiǎn)稱存儲(chǔ)器。由于大多

11、數(shù)被測(cè)信號(hào)是模擬量，必須通過(guò)量化之后才能存入RAM，因此信號(hào)的存儲(chǔ)過(guò)程如圖4.7-4所示。 圖4.74 模擬信號(hào)的量化和存儲(chǔ) 第四章 示波器及示波測(cè)量第18頁(yè)/共74頁(yè)19 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行量化，量化后的離散量值與（ A/D ）的位數(shù)及編碼方式有關(guān)。 A/D的位數(shù)越多，測(cè)量分辨力越高，而量化值就越接近模擬來(lái)量，測(cè)量誤差也越小。 A/D的位數(shù)是存儲(chǔ)示波器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。第四章 示波器及示波測(cè)量第19頁(yè)/共74頁(yè)20轉(zhuǎn)換速率是存儲(chǔ)示波器的另一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。 根據(jù)采樣定理，A/D 的轉(zhuǎn)換速率必須高于被測(cè)信號(hào)最高頻率分量的兩倍。第四章 示波器及示波測(cè)量第20頁(yè)/共74頁(yè)21 在

12、示波器中為了在屏幕上再現(xiàn)被測(cè)信號(hào)波形，需要依次從RAM中讀出數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)A/D（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）和Y 放大器恢復(fù)為模擬信號(hào)再作用于示波管的 Y偏轉(zhuǎn)板。4.7-5 數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖第四章 示波器及示波測(cè)量第21頁(yè)/共74頁(yè)22為了能在屏幕上將測(cè)量信號(hào)展現(xiàn)出來(lái)，還需要對(duì)X偏轉(zhuǎn)板加掃電壓。由于Y偏轉(zhuǎn)信號(hào)是時(shí)間離散的幅值，因此X偏轉(zhuǎn)電壓不是用鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生，而是用數(shù)碼經(jīng) A/D 產(chǎn)生的階梯波。數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本組成如下圖所示。4.7-5 數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖第四章 示波器及示波測(cè)量第22頁(yè)/共74頁(yè)23 由于被測(cè)信號(hào)已經(jīng)被存儲(chǔ)，波形的顯示和存儲(chǔ)可以分開(kāi)進(jìn)行，因此與寬帶示波器相比，DSO對(duì)其顯示

13、功能的速度要求不高，只要選擇一個(gè)適合人們觀察的速度即可。此外，對(duì)于變化極慢的信號(hào)，由于采用了合適的顯示速度，也不會(huì)給人以閃爍的感覺(jué)。 第四章 示波器及示波測(cè)量第23頁(yè)/共74頁(yè)242.數(shù)字存儲(chǔ)顯示的特點(diǎn)及發(fā)展前景 1）數(shù)字存儲(chǔ)示波器的特點(diǎn)： 由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器是以通用示波器為基礎(chǔ)，并采用計(jì)算機(jī)和大規(guī)模集成電路等先進(jìn)技術(shù)，因此具有如下特點(diǎn)：第四章 示波器及示波測(cè)量第24頁(yè)/共74頁(yè)25 （1）使用方便： 早期數(shù)字存儲(chǔ)示波器的操作幾乎和傳統(tǒng)示波器一樣，由于面板上眾多的微調(diào)旋鈕、控制開(kāi)關(guān)，一不小心就會(huì)操作失誤，得不到正確測(cè)量結(jié)果。第四章 示波器及示波測(cè)量第25頁(yè)/共74頁(yè)26 （1）使用方便：現(xiàn)今的

14、DSO可以提供操作菜單，利用鍵盤通過(guò)人機(jī)對(duì)話進(jìn)行各種選擇，而儀器面板僅有少數(shù)調(diào)節(jié)元件和開(kāi)關(guān)。操作十分方便，而且不易出錯(cuò)，屏幕上除了顯示波形之外，還用文字表示測(cè)量結(jié)果（如前所述的讀出示波器一樣）。第四章 示波器及示波測(cè)量第26頁(yè)/共74頁(yè)27 （2）測(cè)量精度高： 傳統(tǒng)示波器的掃描速度是由掃描發(fā)生器決定的，精度和穩(wěn)定性均不高。 DSO的掃速取決于單位時(shí)基長(zhǎng)度的取樣點(diǎn)數(shù)，每一點(diǎn)的時(shí)間決定于采樣時(shí)鐘速率；第四章 示波器及示波測(cè)量第27頁(yè)/共74頁(yè)28 （2）測(cè)量精度高：由于采樣時(shí)鐘來(lái)源于晶體振蕩器，所以DSO具有很高的測(cè)時(shí)精度和穩(wěn)定性。 其次，由于DSO采用高分辯力A/D和高穩(wěn)定度基準(zhǔn)源，A/D的位數(shù)

15、越多，量化間隔越小，測(cè)量精度也高。通常DSO的測(cè)量精度達(dá)1%左右，而通用示波器一般為3%5%。第四章 示波器及示波測(cè)量第28頁(yè)/共74頁(yè)29 （3）信號(hào)處理和顯示分開(kāi)進(jìn)行： 信號(hào)處理是指模擬信號(hào)的處理及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括信號(hào)調(diào)理、采樣、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等電路。 信號(hào)顯示主要包括CRT、X、Y通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換及X、Y放大器。 信號(hào)的顯示與處理可以分別進(jìn)行，可以分別設(shè)計(jì)。第四章 示波器及示波測(cè)量第29頁(yè)/共74頁(yè)30 （3）信號(hào)處理和顯示分開(kāi)進(jìn)行： 信號(hào)處理部分必須根據(jù)被測(cè)信號(hào)的變化速率進(jìn)行設(shè)計(jì)，尤其是對(duì)于高速信號(hào)設(shè)計(jì)的難度較大； 對(duì)顯示部分的速度要求不是太高，可以采用大屏幕（磁偏轉(zhuǎn)）彩色顯示器，

16、液晶、發(fā)光二極管等器件，有助于減小儀器體積，降低功耗。第四章 示波器及示波測(cè)量第30頁(yè)/共74頁(yè)31 （3）信號(hào)處理和顯示分開(kāi)進(jìn)行： 對(duì)于變化極慢的信號(hào)，消除了模擬示波器的閃爍現(xiàn)象，因?yàn)樵贒SO中可以以較慢的速度進(jìn)行信號(hào)采集、存儲(chǔ)；而顯示速度仍可較快，使之無(wú)閃爍感。 第四章 示波器及示波測(cè)量第31頁(yè)/共74頁(yè)32 （4）多種觸發(fā)方式： DSO的信號(hào)通道在不斷進(jìn)行采樣、量化、存儲(chǔ)器已經(jīng)存滿也可以不斷地以新的數(shù)據(jù)取代原有的數(shù)據(jù)（即先進(jìn)先出），觸發(fā)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)刻僅作為停止存儲(chǔ)的一種標(biāo)志。 因此，DSO中有正延時(shí)觸發(fā)，也有負(fù)延時(shí)觸發(fā)。第四章 示波器及示波測(cè)量第32頁(yè)/共74頁(yè)33 （4）多種觸發(fā)方式：

17、正延時(shí)觸發(fā) 指可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)以后的被測(cè)信號(hào)，負(fù)延時(shí)觸發(fā) 可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)之前的信號(hào)，給波形分析帶來(lái)很大方便。 負(fù)延時(shí)觸發(fā)功能在通用模擬示波器中是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗荒茉谟|發(fā)點(diǎn)之后產(chǎn)生掃描，顯示被測(cè)信號(hào)，不可能觀測(cè)到觸發(fā)前的信號(hào)。第四章 示波器及示波測(cè)量第33頁(yè)/共74頁(yè)34 （5）多種顯示方式： 由于顯示的信號(hào)波形是取自存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)，因此DSO具有多種波形顯示方式。 基本顯示方式是從存儲(chǔ)器中讀出已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示； 刷新顯示方式是不斷從存儲(chǔ)器中讀取當(dāng)前采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，使得屏幕顯示不斷更新； 滾動(dòng)顯示方式是指信號(hào)波形在屏幕上從右向左滾動(dòng)，相當(dāng)于對(duì)信號(hào)觀察的窗口從左至右移動(dòng)。第四章 示波器及示波測(cè)量

18、第34頁(yè)/共74頁(yè)35 （6）便于進(jìn)行多波形分析比較： 數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅像傳統(tǒng)的雙蹤示波器那樣對(duì)當(dāng)前的兩個(gè)信號(hào)波形進(jìn)行比較，而且還可以對(duì)已經(jīng)存儲(chǔ)的波形之間進(jìn)行比較，以及對(duì)當(dāng)前波形和已經(jīng)存儲(chǔ)的波形之間進(jìn)行比較。第四章 示波器及示波測(cè)量第35頁(yè)/共74頁(yè)36 （7）便于波形數(shù)據(jù)的分析處理： 數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)含計(jì)算機(jī)（或者通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)總線將信號(hào)數(shù)據(jù)送到外部計(jì)算機(jī)），能很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測(cè)信號(hào)的周期，脈沖前后沿時(shí)間，信號(hào)幅度的最大值、最小值、有效值及信號(hào)任何一個(gè)部位的電壓和時(shí)間等量值，還可以進(jìn)一步計(jì)算信號(hào)的頻譜、方差等。第四章 示波器及示波測(cè)量第36頁(yè)/共74頁(yè)37 （7）便于波形數(shù)據(jù)的分析處

19、理： DSO的數(shù)據(jù)處理能力在某種程度上可以起到硬件作用，例如前述高靈敏示波器為了實(shí)現(xiàn)低噪聲、低漂移，必須在電路設(shè)計(jì)上下很大功夫；而在DSO中借助軟件運(yùn)算功能就可以克服噪聲、漂移對(duì)測(cè)量的影響，減輕對(duì)硬件的要求。第四章 示波器及示波測(cè)量第37頁(yè)/共74頁(yè)38 （8）可以實(shí)現(xiàn)永久性存儲(chǔ)： 只要存儲(chǔ)器不斷電，其數(shù)據(jù)將會(huì)長(zhǎng)期存儲(chǔ)；如果將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存磁盤、光盤等其他存儲(chǔ)介質(zhì)亦可永久存儲(chǔ)。通用示波器是沒(méi)有這種存儲(chǔ)能力，即使是記憶示波器也只能存儲(chǔ)一個(gè)星期的時(shí)間。第四章 示波器及示波測(cè)量第38頁(yè)/共74頁(yè)392）發(fā)展前景 目前DSO和寬帶示波器的帶寬不僅具有同等水平1GHz，而且HP公司的54720D型數(shù)字存儲(chǔ)

20、示波器帶寬已經(jīng)達(dá)到2GHz，超過(guò)模擬示波器的水平。 DSO還在不斷吸收模擬示波器的某些有關(guān)技術(shù)。因此，DSO取代模擬示波器的時(shí)間已經(jīng)指日可待了。第四章 示波器及示波測(cè)量第39頁(yè)/共74頁(yè)403.數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) （1）最高采樣速率： 指單位時(shí)間獲取被測(cè)信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)。目前，在DSO的Y通道中限制最高采樣速率的因素主要是A/D的轉(zhuǎn)換速度。 在DSO中采樣速率可以根據(jù)示波器的時(shí)基因數(shù)( t / div )進(jìn)行選擇，當(dāng) t/div 確定之后，采樣速率 fs 為: fs = n/t ,式中 n 為每格（div）的采樣點(diǎn)數(shù)。 因此，DSO的最高采樣速率fsmax 相應(yīng)于示波器最快掃描速度檔位

21、。例如，最快時(shí)基因數(shù)為1ns/div時(shí)，則fsmax 應(yīng)該是100點(diǎn)/1納秒，或者為1011點(diǎn)/s第四章 示波器及示波測(cè)量第40頁(yè)/共74頁(yè)41（2）存儲(chǔ)帶寬： 模擬示波器的帶寬是以3db帶寬定義的；而DSO則根據(jù)采樣定理，定義其帶寬為最高采樣速率（ fsmax ）的一半，即：fh0.5 fsmax 式中fh 為帶寬的上限頻率。第四章 示波器及示波測(cè)量第41頁(yè)/共74頁(yè)42（2）存儲(chǔ)帶寬：通常，示波器的實(shí)際帶寬不可能達(dá)到 fh0.5 fsmax ，它只是DSO帶寬的理論值。通常用有效存儲(chǔ)帶寬（BWa）表征DSO的實(shí)際帶寬，其定義為BWa fsmax /k，式中 k為帶寬因子。 例如HP公司的5

22、4720D示波器的采樣速率為8Gs/s時(shí)，相應(yīng)帶寬為2GHz，即帶寬因子k=4。第四章 示波器及示波測(cè)量第42頁(yè)/共74頁(yè)43（3） 存儲(chǔ)長(zhǎng)度： 表示一次采樣、存儲(chǔ)過(guò)程中獲取被測(cè)信號(hào)長(zhǎng)度的能力。 A/D轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)長(zhǎng)度是以存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)字的最大數(shù)量表示的。第四章 示波器及示波測(cè)量第43頁(yè)/共74頁(yè)44（3） 存儲(chǔ)長(zhǎng)度： 一個(gè)存儲(chǔ)字相應(yīng)于一個(gè)采樣點(diǎn)的量化數(shù)據(jù)，如果A/D是8位，則一個(gè)字為8位二進(jìn)制數(shù)碼，占8位存儲(chǔ)器的一個(gè)單元，即存儲(chǔ)長(zhǎng)度為1。 為了有較長(zhǎng)的存儲(chǔ)長(zhǎng)度，在多通道示波器中，有時(shí)只有一個(gè)通道工作，這時(shí)將原屬于各個(gè)通道的存儲(chǔ)器疊加使用。第四章 示波器及示波測(cè)量第44頁(yè)/共74

23、頁(yè)45 （4）測(cè)量分辨力和測(cè)量精度： 目前DSO的電壓分辯力為8位，時(shí)間分辯力達(dá)10位。1）電壓分辨力： 或稱垂直分辨力，主要取決于量化器（A/D）的位數(shù)，通常以量化結(jié)果最低有效位（1 LSB）所對(duì)應(yīng)的電壓表示其分辨力的高低。 例如，當(dāng)測(cè)量的滿度值為10V時(shí)，8位A/D測(cè)量分辨力V為：V=Vf / 28 = 10/25640mV，。 A/D的位數(shù)越多，DSO的分辨力越高；分辯力越高測(cè)量精度也相應(yīng)提高（A/D的量化誤差為1/2LSB）。第四章 示波器及示波測(cè)量第45頁(yè)/共74頁(yè)46 （4）測(cè)量分辨力和測(cè)量精度： 目前DSO的電壓分辯力為8位，時(shí)間分辯力達(dá)10位。1）電壓分辨力： 或稱垂直分辨力，

24、主要取決于量化器（A/D）的位數(shù)，通常以量化結(jié)果最低有效位（1 LSB）所對(duì)應(yīng)的電壓表示其分辨力的高低。第四章 示波器及示波測(cè)量第46頁(yè)/共74頁(yè)47 分辨力也與 Y 通道的偏轉(zhuǎn)因數(shù) Dy 有關(guān)。 例如，A/D為10位，當(dāng) Dy 為1 V / div時(shí)，電壓分辨力V為：V=（1V / div）/（210 / 10 div） 0.01V。如果 Dy 為0.1 V / div，這時(shí)的分辨力為V=0.001V=1mV。 在模擬示波器中要從 0.1V / div的偏轉(zhuǎn)因數(shù)中辯認(rèn)出1mV的電壓差異是困難的，而在DSO中則可以方便地實(shí)現(xiàn)。第四章 示波器及示波測(cè)量第47頁(yè)/共74頁(yè)482)時(shí)間分辨力（或稱水

25、平分辯力）： 是指示波器X坐標(biāo)上相鄰兩樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔t的大小。 在示波器中X方向有10點(diǎn)，而10位D/A則有1024點(diǎn)，相當(dāng)于100點(diǎn)/div,其測(cè)量分辨力可以達(dá)到0.01div。而在模擬示波器中要能讀出0.01div的差別是很難的。第四章 示波器及示波測(cè)量第48頁(yè)/共74頁(yè)492)時(shí)間分辨力（或稱水平分辯力）：在DSO中，時(shí)間測(cè)量的分辨力也與時(shí)基因數(shù) Dx 有關(guān)。 例如當(dāng) Dx 為10ms/div時(shí)，時(shí)間分辨力t=10ms/100=0.1ms (用10位D/A)；如果 Dx 為0.1ms / div 則 t = 1s。 所以DSO的掃描速度越高則測(cè)量的時(shí)間分辨力就越高。 時(shí)間測(cè)量精度主要

26、與D/A所用基準(zhǔn)電壓源以及控制時(shí)鐘的精度有關(guān)，而在模擬示波器掃描非線性是測(cè)量誤差的主要因素，相比之下DSO的測(cè)時(shí)精度要比模擬示波器高得多。第四章 示波器及示波測(cè)量第49頁(yè)/共74頁(yè)504.數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要部件及要求 從數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成來(lái)說(shuō)，與模擬存儲(chǔ)示波器的主要差別在于采用了A/D、D/A、存儲(chǔ)器以及控制系統(tǒng)等部件。尤其是寬帶DSO對(duì)這些部件的要求很高。 1）高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器 DSO采用了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器。 D/A的轉(zhuǎn)換速度要能適應(yīng)寬帶DSO的要求， 寬帶示波器中的A/D主要是并行比較式和并串比較式兩大類。第四章 示波器及示波測(cè)量第50頁(yè)/共74頁(yè)51（1）并行比較式A/D： 并行比

27、較式A/D的轉(zhuǎn)換速率高達(dá)幾百兆赫，待轉(zhuǎn)換的信號(hào)Vi同時(shí)作用于若干個(gè)比較器的輸入端，這些比較器具有不同的比較電平。對(duì)于n位A/D而言，一共用（2n-1）個(gè)比較器，與（ 2n-1 ）個(gè)量化等級(jí)相對(duì)應(yīng)，每一個(gè)比較器的比較電平從基準(zhǔn)電壓+Vr-Vr 經(jīng)分壓而得，它們依次相差1LSB。第四章 示波器及示波測(cè)量 圖4.76 并行比較式A/D原理圖第51頁(yè)/共74頁(yè)52（1）并行比較式A/D：當(dāng)信號(hào)Vi 大于某個(gè)比較電平，則該比較器輸出高態(tài)（“1”），反之則為低（“0”）。這些比較結(jié)果經(jīng)編碼邏輯電路得 n 位二進(jìn)制碼，送至輸出寄存器，即為模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果。第四章 示波器及示波測(cè)量 圖4.76 并行比較式A/D原

28、理圖第52頁(yè)/共74頁(yè)53下圖電路是在采樣時(shí)鐘的作用下工作的，當(dāng)信號(hào)Vi作用于輸入端時(shí)，比較器的輸出就跟蹤 Vi 的變化，只有在采樣時(shí)鐘為有效時(shí)，比較器的結(jié)果才被保持、輸出。 圖4.76 并行比較式A/D原理圖第四章 示波器及示波測(cè)量（1）并行比較式A/D：第53頁(yè)/共74頁(yè)54由于并行比較式A/D的各個(gè)比較器同時(shí)進(jìn)行比較，其轉(zhuǎn)換速度只取決于比較器、編碼器、寄存器的響應(yīng)速度，所以轉(zhuǎn)換速度快。 圖4.76 并行比較式A/D原理圖第四章 示波器及示波測(cè)量（1）并行比較式A/D：第54頁(yè)/共74頁(yè)55 （2）并串式A/D： 目前，并行式A/D的轉(zhuǎn)換速度最快，但是，電路結(jié)構(gòu)卻很復(fù)雜。例如前述AD900

29、6六位并行式A/D需要26-1=63個(gè)比較器；如果8位A/D，將需要255個(gè)比較器，電路實(shí)現(xiàn)的難度很大。因此人們提出了并串式A/D。 圖4.77 并串式A/D原理圖 第四章 示波器及示波測(cè)量第55頁(yè)/共74頁(yè)56 圖中以6位A/D為例說(shuō)明其組成結(jié)構(gòu)，由兩片并行比較式A/D（一片為4位，另一片為2位）、4位D/A轉(zhuǎn)換器、減法放大器及其他電路組成。 比較過(guò)程分兩步，第一步是4位二進(jìn)制數(shù)碼經(jīng)D/A對(duì)信號(hào)Vi進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得4位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果（b6b3）；第四章 示波器及示波測(cè)量（2）并串式A/D：第56頁(yè)/共74頁(yè)57第二步是將所得4位數(shù)碼經(jīng)D/A（也是4位）轉(zhuǎn)換得輸出電壓V1并作用于減法放大器反相端。

30、Vi和V1相減并放大后作用于2位A/D的輸入端，得2位二制碼轉(zhuǎn)換結(jié)果（b2、b1）轉(zhuǎn)換結(jié)束后共得6位二進(jìn)制碼，其中4位A/D的二進(jìn)制碼為高4位，而2位二進(jìn)制碼為低2位，其結(jié)果顯示為b6b5b4b3b2b1。第四章 示波器及示波測(cè)量（2）并串式A/D：第57頁(yè)/共74頁(yè)58 并串式A/D所需比較器的個(gè)數(shù)為（24-1）+（ 22-1）=18，而6位并行式A/D則需要63個(gè)。 前者所用比較器的數(shù)量顯著減少，電路也簡(jiǎn)單，但是要花兩步才能完成一次轉(zhuǎn)換過(guò)程，轉(zhuǎn)換速度要比并行式的慢一些。因此，在選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器時(shí)必須對(duì)電路結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換速度作出選擇。第四章 示波器及示波測(cè)量第58頁(yè)/共74頁(yè)592）存儲(chǔ)器 從DS

31、O的要求看存儲(chǔ)應(yīng)該是高速大容量的。在存儲(chǔ)速度不夠高的情況下也可以將高速采集的數(shù)據(jù)分路變?yōu)榈退贁?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。圖4.78 高速數(shù)據(jù)的分路存儲(chǔ)第四章 示波器及示波測(cè)量第59頁(yè)/共74頁(yè)602）存儲(chǔ)器 圖中將A/D轉(zhuǎn)換所得的高速數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)寄存器后分為2路，分時(shí)存入RAM1和RAM2。有時(shí)還可以分為更多路進(jìn)行存儲(chǔ)，例如4路。這時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求可以降低到1/2或1/4，就可采用廉價(jià)的慢速存儲(chǔ)器存儲(chǔ)高速信號(hào)。圖4.78 高速數(shù)據(jù)的分路存儲(chǔ)第四章 示波器及示波測(cè)量第60頁(yè)/共74頁(yè)613）控制系統(tǒng) （1）單處理器系統(tǒng)：DSO在控制器的管理下完成各項(xiàng)測(cè)量任務(wù)，而控制的核心是微處理器。有時(shí)CPU的速度還不能滿足

32、高速數(shù)采集和存儲(chǔ)的要求。必須有獨(dú)立的高速時(shí)鐘電路在CPU的管理下進(jìn)行工作。第四章 示波器及示波測(cè)量第61頁(yè)/共74頁(yè)623）控制系統(tǒng) （2）多處理系統(tǒng)：DSO的控制系統(tǒng)不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、人機(jī)控制等功能，如果用一個(gè)CPU很難及時(shí)完成這些任務(wù)。 因此，現(xiàn)代DSO出現(xiàn)多CPU系統(tǒng)。第四章 示波器及示波測(cè)量第62頁(yè)/共74頁(yè)633）控制系統(tǒng) 在電子儀器的多CPU系統(tǒng)中，通常一個(gè)CPU為主CPU，具有相應(yīng)的存儲(chǔ)器（RAM、ROM），輸入輸出接口（I/O）和外設(shè)（例如鍵盤、顯示器等等），執(zhí)行管理整個(gè)儀器的軟件，其他為從CPU，在主CPU的管理之下完成某一部分工作。 例如在DSO中

33、一個(gè)CPU用于數(shù)據(jù)采集、一個(gè)CPU用于顯示、一個(gè)CPU用于數(shù)據(jù)處理等。第四章 示波器及示波測(cè)量第63頁(yè)/共74頁(yè)645.高速信號(hào)采集技術(shù) 目前，世界各大儀器公司的高速A/D不斷問(wèn)世，例如美國(guó)LeCroy公司的A/D轉(zhuǎn)換速率為10Gs/s，HP的為8Gs/s，Tek的為4Gs/s。但是，這些A/D還不能商品化，或者價(jià)格昂貴，對(duì)于一般用戶可望不可及。能否用低速器件采集和存儲(chǔ)高速信號(hào)呢？現(xiàn)有如下4種方案供參考。第四章 示波器及示波測(cè)量第64頁(yè)/共74頁(yè)65 （1）CCD器和A/D相結(jié)合采集高速信號(hào)： 其特點(diǎn)是重復(fù)取樣和實(shí)時(shí)取樣相結(jié)合，模擬存儲(chǔ)和數(shù)字存儲(chǔ)相結(jié)合。 首先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行重復(fù)非實(shí)時(shí)取樣，實(shí)現(xiàn)從高頻至低頻的頻率搬移，并借助電荷耦合器件（Charge Couple Device，簡(jiǎn)寫為CCD）進(jìn)行信號(hào)的模擬存儲(chǔ)。然后將CCD中存儲(chǔ)的信號(hào)讀出并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其數(shù)字化結(jié)果存入RAM（這是數(shù)字存儲(chǔ)）。第四章 示波器及示波測(cè)量第65頁(yè)/共74頁(yè)66 （2）掃描交換管和A/D相結(jié)合采集高速信號(hào)： 這種采集過(guò)程是將高速信號(hào)存儲(chǔ)在掃描變換管的靶面上，然后通過(guò)電子掃描靶面以圖像信號(hào)輸出的形式取出存儲(chǔ)信號(hào)，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字化結(jié)果存入存儲(chǔ)器。由于靶面存儲(chǔ)信號(hào)的時(shí)間可以維持30s時(shí)間，所以對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器及存儲(chǔ)器的速率要求都可以放低。第四章 示波器及示波測(cè)量第