電子測(cè)量教案chapter6

1、第 6 章 時(shí)域測(cè)量 1. 引言2. 模擬示波器 3. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理4. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成和關(guān)鍵技術(shù) 5. 示波器的技術(shù)參數(shù)6. 示波器的使用1 引 言示波器經(jīng)歷了從低頻到高頻、從模擬到數(shù)字的漸進(jìn)發(fā)展過程。1934年，基于CRT的137型示波器1957年，記憶示波器研制成功1958年通用示波器的帶寬達(dá)到了100MHz1959年，出現(xiàn)了采樣示波器1969年，通用示波器的帶寬達(dá)到300MHz20世紀(jì)70年代以后，示波器的帶寬提高到1GHz模擬示波器1980年，HP公司發(fā)明了第一臺(tái)數(shù)字存儲(chǔ)示波器20世紀(jì)90年代為以來，其帶寬由誕生之初的50MHz發(fā)展700MHz1GHz，甚至出現(xiàn)了帶

2、寬超過10GHz的超寬帶實(shí)時(shí)示波器20世紀(jì)90年代初，業(yè)界還推出了混合信號(hào)示波器(Mixed Signal Oscilloscope, MSO)，出現(xiàn)了PC示波器、手持式示波表等形式的示波器數(shù)字示波器 Agilent公司的一種四通道數(shù)字存儲(chǔ)示波器 PC示波器 手持式示波表2 模擬示波器圖6-2-1 模擬示波器的原理框圖 模擬示波器的主要由陰極射線管CRT、垂直通道、水平通道、電源和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等部分組成.2.1 模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)圖6-2-2 模擬示波器顯示信號(hào)時(shí)域波形的基本過程圖6-2-2描述了模擬示波器顯示電信號(hào)時(shí)域波形的基本過程。熒光屏上光點(diǎn)的Y和X坐標(biāo)分別與這一瞬間的信號(hào)電壓和掃描

3、電壓成正比。圖6-2-3 掃描正程和掃描回程2.2 波形顯示的基本原理圖6-2-4 邊沿觸發(fā)電路與掃描電路的工作波形 邊沿觸發(fā)電路可以在波形的正向過零點(diǎn)的位置產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，啟動(dòng)掃描鋸齒波電壓進(jìn)行掃描。圖中點(diǎn)均符合觸發(fā)條件，但在這些點(diǎn)掃描過程未結(jié)束，因此這些點(diǎn)不能啟動(dòng)下一次掃描，是無效的。僅有這些點(diǎn)是有效的觸發(fā)點(diǎn)。2.3 觸發(fā)電路圖6-2-5 邊沿觸發(fā)電路組成框圖 主要由觸發(fā)源選擇開關(guān)、耦合方式選擇開關(guān)、觸發(fā)電平及極性選擇器和放大整形電路等組成。作用：產(chǎn)生觸發(fā)脈沖的信號(hào)源分類：內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、電源觸發(fā)（又稱為線觸發(fā)）（1） 觸發(fā)源（2） 耦合方式作用：選擇觸發(fā)源中哪個(gè)成分來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖分類：DC

4、、AC、AC（H）和HF（3）觸發(fā)放大和觸發(fā)整形電路作用: 對(duì)前級(jí)輸出信號(hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生符合一定脈沖寬度要求的、穩(wěn)定可靠的觸發(fā)脈沖。實(shí)現(xiàn)：常采用雙端輸入的單穩(wěn)電路來實(shí)現(xiàn)。（4）觸發(fā)電平及極性選擇器a）正極性、正電平 b）負(fù)極性、正電平c）正極性、負(fù)電平d）負(fù)極性、負(fù)電平3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理3.1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本原理數(shù)字存儲(chǔ)示波器的基本結(jié)構(gòu)如下：1、工作過程一般分為存儲(chǔ)和顯示兩個(gè)大的階段2、具有“負(fù)延遲”觸發(fā)功能3、提供多種采集控制功能，實(shí)現(xiàn)峰值采集、過采樣等采集模式4、數(shù)字存儲(chǔ)示波器有一些重要的技術(shù)指標(biāo): 模擬帶寬、采樣率、垂直分辨率、存儲(chǔ)深度、死區(qū)時(shí)間、波形更新速率等3.2 數(shù)

5、字存儲(chǔ)示波器的基本特點(diǎn)4 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成和關(guān)鍵技術(shù)主要由耦合方式選擇、衰減器和前置放大器構(gòu)成（1）模擬前端4.1 模擬前端與模擬帶寬1、耦合方式選擇開關(guān)一般有三個(gè)檔位：DC、AC和GND（即接地耦合）。2、輸入阻抗選擇開關(guān)指示波器接入被測(cè)電路時(shí)模擬前端的等效阻抗通常該阻值是 1兆歐姆或者50歐姆它會(huì)和被測(cè)電阻構(gòu)成并聯(lián)關(guān)系。 3、前置放大器 對(duì)輸入信號(hào)幅度進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié); 為觸發(fā)電路提供大小合適的內(nèi)觸發(fā)信號(hào)源。4、衰減器衰減器用于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)。滿足R1Cl=R2C2時(shí)，衰減器具有平坦的幅頻特性，且衰減比為R2/（R1R2）。通常所說的示波器-3dB帶寬，也稱為模擬帶寬BWa。BW

6、a的單位為“Hz”、“MHz”或“GHz”。BWa的大小直接影響：進(jìn)入ADC的信號(hào)高次諧波分量的多少影響到信號(hào)上升沿的變緩程度以及幅度的衰減程度。（2）模擬帶寬（a）輸入信號(hào)頻率f=100MHz （b）輸入信號(hào)頻率f=300MHz （c）輸入信號(hào)頻率f=500MHz計(jì)算被測(cè)信號(hào)的最高頻率值 fmax（3）如何選擇合適的模擬帶寬根據(jù)測(cè)量精度需求確定模擬帶寬遺憾的是：在測(cè)量時(shí)可能并不知道信號(hào)的最高頻率分量。判斷準(zhǔn)則：將所測(cè)量的信號(hào)上升沿取倒數(shù)，判斷是否與示波器的 模擬帶寬很接近。 奈奎斯特定理（采樣定理） 為了很好的恢復(fù)一個(gè)基帶信號(hào)，在進(jìn)行信號(hào)數(shù)字化的時(shí)候就要求采樣時(shí)鐘的頻率至少應(yīng)為信號(hào)本身所包含

7、的最高頻率的兩倍。 4.2 采樣率與采樣技術(shù)fs2fmax fs是采樣率，fmax是信號(hào)本身所包含的最高頻率（1）采樣與內(nèi)插原理采樣率的單位：“GSa/S”、“MSa/S”；帶 寬的單位： “Hz”、“MHz”或“GHz”。 最小允許的采樣率被稱為奈奎斯特速率。 如果對(duì)一個(gè)正弦波，每個(gè)周期采樣應(yīng)多于兩個(gè)點(diǎn)。 如果采樣時(shí)鐘頻率不滿足這一要求，將出現(xiàn)混疊信號(hào)或者不正確頻率的假象信號(hào)。假象信號(hào)頻率和原信號(hào)頻率完全不同，但卻可能有相同的波形形狀，且往往還具有相同幅度。圖6-4-4 混疊現(xiàn)象圖6-4-5 以兩倍于信號(hào)頻率的采樣率對(duì)正弦波進(jìn)行采樣圖6-4-6 以2.7倍于信號(hào)頻率的采樣率對(duì)正弦波進(jìn)行采樣奈

8、奎斯特速率僅是一個(gè)理論上的采樣率值，要真實(shí)復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)，需要更高的采樣率。fs 25fmax 內(nèi)插技術(shù)：（1） 線性內(nèi)插 在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間插入數(shù)據(jù)點(diǎn)，且采樣點(diǎn)和各插值點(diǎn)處于同一條直線上?？梢允共蓸勇蕪?5fmax降低至10fmax。（2） 正弦內(nèi)插 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)插函數(shù)sinc(x)=sin(x)/x運(yùn)算后,用曲線將各數(shù)據(jù)點(diǎn)連接起來。采樣率可以降低為2.5fmax。 內(nèi)插算法通常以數(shù)字濾波器的形式來實(shí)現(xiàn)。 1、實(shí)時(shí)采樣（Single Shot Sampling） 最容易理解、最直觀的一種采樣方式，以足夠高的采樣率采集整個(gè)帶寬內(nèi)的信號(hào)，采樣點(diǎn)均勻分布。 （2）采樣方式2、等效時(shí)間采樣等效時(shí)間采樣（

9、也稱為非實(shí)時(shí)采樣或重復(fù)采樣）必須滿足兩個(gè)前提條件：信號(hào)必須是周期重復(fù)的；必須能產(chǎn)生穩(wěn)定的觸發(fā)條件。 (a) 順序采樣示意圖(b) 順序采樣的實(shí)現(xiàn)過程采用順序采樣，能夠以較低速的ADC來實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)測(cè)量。但由于順序采樣的采樣點(diǎn)都是在觸發(fā)之后采集的，不能提供預(yù)觸發(fā)信息。 隨機(jī)采樣可以克服順序采樣無法實(shí)現(xiàn)預(yù)觸發(fā)的缺點(diǎn)，具有能夠提供預(yù)觸發(fā)信息、易于發(fā)現(xiàn)波形細(xì)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。1、數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬在實(shí)時(shí)采樣方式下，數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬定義為在單次（瞬態(tài)）信號(hào)測(cè)量中能夠捕捉的最大信號(hào)帶寬。單次信號(hào)帶寬與采樣率之間的關(guān)系是： BWsfs/kR fs為采樣率。kR 為與信號(hào)內(nèi)插技術(shù)有關(guān)的內(nèi)插系數(shù)2、有效采樣率有效采樣率feff是

10、Teff的倒數(shù)。Teff不取決于ADC的轉(zhuǎn)換速率，而是取決于采樣點(diǎn)相對(duì)于觸發(fā)事件時(shí)間排列的精度。 （3）數(shù)字實(shí)時(shí)帶寬和有效采樣率并行比較式ADC也稱為FLASH型ADC，轉(zhuǎn)換速率可達(dá)數(shù)百兆赫茲。采用直接比較的原理，n位ADC需要2n-1個(gè)比較器。圖6-4-11 3位FLASH型ADC（4）數(shù)字存儲(chǔ)示波器使用的ADC并串行ADC通過將高位編碼與低位編碼串行比較，減少了比較器的數(shù)量。圖6-4-12 兩階N位并串行ADC時(shí)間交織式ADC使用多個(gè)低速ADC交替工作來實(shí)現(xiàn)高速信號(hào)采集。 圖6-4-13 1GSa/s的ADC實(shí)現(xiàn)框圖(54111D )采用四片采樣率為250MSa/s的ADC，這四個(gè)ADC的

11、工作周期都是4ns，通過精確定時(shí)電路，控制各ADC啟動(dòng)工作的時(shí)間依次間隔1nsADC性能1987年1997年2007年變化率采樣率1GSa/s8GSa/s40GSa/s40 x實(shí)時(shí)帶寬250MHz1.5GHz13GHz52x分辨率6bit8bit8bit4x存儲(chǔ)深度8kB64kB2MB250 x功耗20W27W20W1x單位功耗 W/GSa/s203.40.540 x芯片數(shù)量10425x表6-4-2 ADC性能發(fā)展對(duì)比ADC的采樣速率在20年里增加了40倍采樣帶寬增加了52倍存儲(chǔ)深度增加了250倍維持在20WAgilent公司的數(shù)字存儲(chǔ)示波器多采用復(fù)合式的ADC技術(shù)。 波形存儲(chǔ)器能夠儲(chǔ)存的采樣

12、點(diǎn)數(shù)稱為存儲(chǔ)深度。4.3 存儲(chǔ)深度與存儲(chǔ)技術(shù)（1）儲(chǔ)存深度記錄時(shí)間存儲(chǔ)深度/采樣率=存儲(chǔ)深度采樣周期 （2）深存儲(chǔ)帶來的問題 導(dǎo)致死區(qū)時(shí)間增加、波形更新速率變慢、響應(yīng)面板操作的時(shí)間增加等。 死區(qū)時(shí)間（dead-time）指從示波器完成前一次采集到開始下一次采集的時(shí)間間隔。（3）存儲(chǔ)技術(shù)圖6-4-17 早期數(shù)字存儲(chǔ)示波器的存儲(chǔ)過程圖6-4-18 MegaZoom 快響應(yīng)深存儲(chǔ)技術(shù)觸發(fā)方式4.4 觸發(fā)方式邊沿觸發(fā)毛刺觸發(fā)脈寬觸發(fā)矮脈沖觸發(fā)視頻觸發(fā)模式觸發(fā)狀態(tài)觸發(fā)延遲觸發(fā)（預(yù)置觸發(fā)） 兩個(gè)重要的原因：一是確定波形顯示的時(shí)間參考點(diǎn)，穩(wěn)定顯示波形；二是捕獲感興趣的信號(hào)波形。（1）邊沿觸發(fā) 基本觸發(fā)方式（

13、2）毛刺觸發(fā)脈寬觸發(fā)出現(xiàn)在示波器檢測(cè)到了一個(gè)正（負(fù)）極性脈沖，其脈沖寬度在設(shè)定脈寬門限之間或之外的情形。 圖6-4-20 設(shè)定門限之間的脈寬觸發(fā)圖6-4-21 設(shè)定門限之外的脈寬觸發(fā)（3）脈寬觸發(fā)（Pulse-width Trigger） 在示波器檢測(cè)到了一個(gè)正（負(fù)）極性脈沖，其上升（下降）沿穿越了低（高）門限電平，但在其下降（上升）沿重新穿越低（高）門限電平之前沒有能穿越高（低）門限電平的情形。（4）矮脈沖觸發(fā)（Runt Trigger）狀態(tài)觸發(fā)就是將觸發(fā)通道中的某一路配置為觸發(fā)系統(tǒng)的時(shí)鐘，其他通道的狀態(tài)是在時(shí)鐘上升沿或者下降沿讀取。 （5）視頻觸發(fā)（video trigger）從視頻輸入信

14、號(hào)中提取水平和垂直同步信號(hào)來作為觸發(fā)信號(hào)。 （6）模式觸發(fā)（pattern trigger）模式觸發(fā)提供了對(duì)多條信號(hào)線狀態(tài)的監(jiān)視功能，并能在信號(hào)線狀態(tài)符合特定條件下產(chǎn)生觸發(fā)。（7）狀態(tài)觸發(fā)（State Trigger）（8）延遲觸發(fā)（預(yù)置觸發(fā)）延遲觸發(fā)有“+”延遲觸發(fā)和“-”延遲觸發(fā)。在一次觸發(fā)產(chǎn)生之后迫使觸發(fā)電路停止工作一段時(shí)間如果觸發(fā)是被抑制一段固定的時(shí)間，這種方式稱為“時(shí)間抑制”。有些示波器還提供“事件抑制”的功能 。 觸發(fā)抑制（Trigger Hold-off） 4.5 采集模式（1）按采集啟動(dòng)的方式來分類，有三種采集模式： 1、單次采集 2、常規(guī)采集（normal acquisiti

15、on） 任何時(shí)候出現(xiàn)有效的觸發(fā)信號(hào)，示波器都采集一次新的波形。但在沒有輸入信號(hào)或者觸發(fā)電平不適當(dāng)時(shí)，示波器不采集，將出現(xiàn)黑屏。 3、自動(dòng)采集（automatic acquisition） 在無觸發(fā)信號(hào)持續(xù)超過一定時(shí)間（30ms）時(shí)，示波器將自動(dòng)啟動(dòng)波形采集。對(duì)應(yīng)于存儲(chǔ)器中的每個(gè)樣點(diǎn)都需要進(jìn)行一次采集，且樣點(diǎn)沒有經(jīng)過任何處理。圖6-4-25 常規(guī)采集模式的示波器顯示如果信號(hào)中疊加的噪聲比較大，顯示出來的波形就比較差，影響對(duì)于信號(hào)幅度、頻率的精確測(cè)量。 1、常規(guī)采集模式（2）按采樣率選擇及樣點(diǎn)存入存儲(chǔ)器的方式來分：使用高于常規(guī)采集模式的采樣率來捕獲信號(hào)，然后將相鄰若干采樣點(diǎn)的平均值作為一個(gè)采樣點(diǎn)存

16、入存儲(chǔ)器。此模式僅適用于實(shí)時(shí)采樣方式。圖6-4-26 過采樣采集模式的示波器顯示 2、過采樣采集模式峰值檢測(cè)采集模式使用高于常規(guī)模式的采樣率來捕獲信號(hào)，然后將相鄰若干采樣點(diǎn)的最大值、最小值作為一個(gè)采樣點(diǎn)存入存儲(chǔ)器，僅適用于實(shí)時(shí)采樣方式。圖6-4-27 峰值檢測(cè)采集模式的示波器顯示 3、峰值檢測(cè)采集模式在連續(xù)采集多個(gè)波形的基礎(chǔ)上，僅將這些各時(shí)間點(diǎn)的平均值記錄在存儲(chǔ)器中，適用于實(shí)時(shí)和等效時(shí)間采樣兩種方式。圖6-4-28 平均采集模式的示波器顯示使用均值采集模式能夠達(dá)到降低信號(hào)上疊加噪聲的效果，但不會(huì)犧牲示波器測(cè)量帶寬和上升時(shí)間. 4、均值采集模式 示波器連續(xù)采集多個(gè)波形，但僅將各時(shí)間點(diǎn)的最大值和最

17、小值記錄在存儲(chǔ)器中。用戶可以設(shè)置用于包絡(luò)計(jì)算的波形個(gè)數(shù)。適用于實(shí)時(shí)采樣和等效時(shí)間采樣兩種方式。 5、包絡(luò)采集模式通過顯示保持算法，產(chǎn)生與傳統(tǒng)模擬存儲(chǔ)示波器相似的顯示。對(duì)于每一個(gè)顯示點(diǎn)都在內(nèi)存中對(duì)應(yīng)有一個(gè)亮度值，給用戶提供關(guān)于特定像素點(diǎn)被波形撞擊的次數(shù)信息。 無限時(shí)間的顯示保持 4.6 顯示模式與顯示技術(shù)（1）顯示保持模式（persistence mode） 利用示波器的深存儲(chǔ)資源存儲(chǔ)很長的一段波形數(shù)據(jù)，再用上、下兩個(gè)窗口來觀測(cè)信號(hào)。這種顯示模式既可以深度存儲(chǔ)觀察到波形的全貌，又可以對(duì)信號(hào)的某段局部進(jìn)行細(xì)致觀察，便于對(duì)信號(hào)進(jìn)行深入地分析。（2）延遲/縮放顯示模式（Delayed/Zoom）X-Y

18、顯示模式是一種改變示波器時(shí)基的顯示方式。在X-Y顯示模式下，水平軸也用來測(cè)量輸入信號(hào)的電壓幅度。（3）滾動(dòng)模式滾動(dòng)模式在顯示時(shí)從右繪制波形，在新的波形采樣點(diǎn)不斷出現(xiàn)時(shí)持續(xù)地向左“滾動(dòng)”波形。 （4）X-Y顯示 4.7 測(cè)量與分析功能（1）波形參數(shù)的測(cè)量 例如： 實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)測(cè)量中時(shí)鐘恢復(fù)、眼圖測(cè)量、抖動(dòng)分析； 通過協(xié)議觸發(fā)功能實(shí)現(xiàn)對(duì)于串行通信信號(hào)的捕捉和解碼； 通信接口的兼容性測(cè)試等。（2）函數(shù)計(jì)算加、減、乘、積分、微分、FFT、濾波、統(tǒng)計(jì)分析等（3）光標(biāo)光標(biāo)是指示波器上的水平標(biāo)記和垂直標(biāo)記線。（4）高級(jí)測(cè)量與分析功能5 示波器的技術(shù)參數(shù)說明值模擬帶寬（3dB）1GHz上升時(shí)間0.35ns采樣

19、頻率每通道10GSa/s，兩個(gè)通道20GSa/s通道數(shù)2內(nèi)存大小10MSa（標(biāo)準(zhǔn)）；1GSa（可選）垂直分辨率8比特（0.39%）輸入阻抗1 M 1% (13pF 典型值)直流增益精度+2%（垂直）偏轉(zhuǎn)系數(shù)分檔，1mV/div到5V/div時(shí)基范圍分檔，0.2ns/div到20s/div時(shí)基精度 (0.4 + 0.5 * 從校準(zhǔn)到現(xiàn)在的年數(shù)) ppm觸發(fā)方式邊沿、毛刺、矮脈沖、狀態(tài)、脈寬、建立和保持、視頻表6-5-1 1GHz示波器主要技術(shù)參數(shù) 5.1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器圖6-5-1混合信號(hào)示波器混合信號(hào)示波器（MSO）可看做是在一臺(tái)通用示波器的基礎(chǔ)上，增加了附加的數(shù)字信號(hào)測(cè)量通道而構(gòu)成的。 5.

20、2 混合信號(hào)示波器屏幕最上方的兩條波形是模擬信號(hào)，由兩路模擬通道捕獲。第一路信號(hào)是DAC的階梯波輸出，第二路是經(jīng)模擬低通濾波器后的輸出。屏幕下方的顯示是從8數(shù)字通道捕獲的數(shù)字信號(hào)波形，來自于DAC的數(shù)據(jù)線輸出。圖6-5-2 混合信號(hào)示波器捕獲MCU控制DAC的并行數(shù)字輸入和模擬輸出6 示波器的使用 6.1 基本使用方法 1、在開始測(cè)量時(shí)，讓示波器處于一個(gè)已知的狀態(tài)，至少有些顯示。 2、如果示波器設(shè)置完成后，被測(cè)波形可以顯示出來，但不穩(wěn)定，就需要使用觸發(fā)控制旋鈕來調(diào)節(jié)波形的顯示。改變觸發(fā)源、觸發(fā)耦合方式，或者調(diào)整觸發(fā)電平和觸發(fā)極性都有助于使波形的穩(wěn)定。 6.2 示波器的探頭探頭類型帶寬電阻負(fù)載電容負(fù)載1X 無源型20MHz1M70pF10X