數(shù)字示波器原理

第第頁數(shù)字示波器原理介紹了數(shù)字示波器的基本原理

第8章數(shù)字存儲(chǔ)示波器數(shù)字存儲(chǔ)示波器是20世紀(jì)70時(shí)代初進(jìn)展起來的一種新型示波器。這種類型的示波器可以方便地實(shí)現(xiàn)對模擬信號波形進(jìn)行長期存儲(chǔ)并能利用機(jī)內(nèi)微處理器系統(tǒng)對存儲(chǔ)的信號做進(jìn)一步的處理，例如對被測波形的頻率、幅值、前后沿時(shí)間、平均值等參數(shù)的自動(dòng)測量以及多種繁復(fù)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。

8.1概述

8.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析8.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)

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8.1概述8.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如下圖

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8.1.2

數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)

1.最大取樣速率fma*定義：單位時(shí)間內(nèi)完成的完整A/D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。最大取樣速率主要由A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來決斷。最大取樣速率愈高，儀器捕獲信號的技能愈強(qiáng)。數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可依據(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fNt/div

(8.1)

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，假設(shè)某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10μs/div,每格取樣數(shù)為100點(diǎn)，那么此時(shí)的取樣速率等于10MHz。很顯著，數(shù)字示波器最大取樣速率fma*與示波器最快掃描速度相對應(yīng)。假設(shè)該數(shù)字示波器最快掃描速度為100μs/div,那么其fma*為1GHz。

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2.存儲(chǔ)帶寬存儲(chǔ)帶寬與取樣速率親密相關(guān)。依據(jù)取樣定理，假如取樣速率大于或等于信號最高頻率份量的2倍，便可重現(xiàn)原信號波形。事實(shí)上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的辨別率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)，一般一個(gè)周期取4~10點(diǎn)。

3.辨別率辨別率用于反映存儲(chǔ)信號波形環(huán)節(jié)的綜合特性。

辨別率包括垂直辨別率和水平辨別率。垂直辨別率與A/D轉(zhuǎn)換器的辨別率相對應(yīng)，常以屏幕每格的分級數(shù)(級/div)表示。水平辨別率由存儲(chǔ)器的容量來決斷，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810div。假設(shè)示波器采納8位A/D轉(zhuǎn)換器(256級),那么其垂直辨別率為32級/div,用百分?jǐn)?shù)表示為1/256≈0.39%。假設(shè)采用容量為1KB的存儲(chǔ)器，那么水平辨別率為1024/10≈100點(diǎn)/div,或用百分?jǐn)?shù)表示為1/1024≈0.1%。

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4.存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來表示，常以字(word)為單位。存儲(chǔ)容量與水平辨別率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采納256B,512B,1KB,4KB等。存儲(chǔ)容量愈大，水平辨別率就愈高。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，假設(shè)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的重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平辨別率降低。

5.讀出速度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)對應(yīng)的存儲(chǔ)容量讀脈沖周期。運(yùn)用時(shí)，示波器應(yīng)依據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。

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8.1.2

數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)

數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。(1)數(shù)字存儲(chǔ)示波器在存儲(chǔ)工作階段，對快速信號采納較高的速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，對慢速信號采納較低速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，但在顯示工作階段，其讀出速度采用了一個(gè)固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲得清楚而穩(wěn)定的波形?！艨梢詿o閃耀地觀測頻率很低的信號，這是模擬示波器無能為力的。◆對于觀測頻率很高的信號來說，模擬示波器需要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)示波器采納了一個(gè)固定的相對較低的速率顯示，從而可以運(yùn)用低帶寬、高辨別率、高牢靠性而低造價(jià)的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述問題。假設(shè)采納彩色顯示,還可以很好地辨別各種信息.

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(2)數(shù)字存儲(chǔ)示波器能長時(shí)間地保存信號。這種特性對觀測單次涌現(xiàn)的瞬變信號尤為有利。

有些信號，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，很難觀測。數(shù)字存儲(chǔ)示波器問世以前，屏幕照相是“存儲(chǔ)”波形采用的主要方法。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把波形以數(shù)字方式存儲(chǔ)起來，因而操作方便，且其存儲(chǔ)時(shí)間在理論上可以是無限長的。(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，而且能顯示觸發(fā)前的信號，并且可以任意選擇超前或滯后的時(shí)間，這對材料強(qiáng)度、地震討論、生物機(jī)能試驗(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，來實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、精確地對電信號進(jìn)行分析。(4)測量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決斷，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)示波器由于運(yùn)用晶振作高穩(wěn)定時(shí)鐘，有很高的測時(shí)精度。采納多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測量精度大大提高。尤其是能夠自動(dòng)測量徑直讀數(shù)，有效地克服示波管對測量精度的影響，使大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測量精度優(yōu)于1%。

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(5)具有很強(qiáng)的處理技能，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)的測量與顯示。能對波形實(shí)現(xiàn)多種繁復(fù)的處理，例如取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對兩波形進(jìn)行加、減、乘等運(yùn)算處理。同時(shí)還能使儀器具有很多自動(dòng)操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器使用很方便。

(6)具有數(shù)字信號的輸入/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)行更繁復(fù)的數(shù)據(jù)運(yùn)算或分析處理。同時(shí)還可以通過GP-IB接口與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成強(qiáng)有力的自動(dòng)測試系統(tǒng)。

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頻率較高的信號。

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8.2

數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析實(shí)時(shí)取樣等效時(shí)間取樣

波形的采集

波形的顯示波形的測量波形的處理

8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理8.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理

8.2.3波形的顯示8.2.4波形參數(shù)的測量與處理

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8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣是指對波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，根據(jù)取樣先后的次序進(jìn)行A/D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。

本節(jié)重點(diǎn)分析：一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換

二、t/div掌握器三、寫地址計(jì)數(shù)器

四、預(yù)置觸發(fā)功能

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8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換

1、取樣取樣即連續(xù)波形的離散化，其方法可用右圖說明。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，那么對應(yīng)時(shí)間tn(n=1,2,3,…)取樣脈沖打開取樣門的瞬間，在b點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n=1,2,3,…),這個(gè)模擬量an就是取樣后得到的離散化的模擬量。

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8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換

1、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換假設(shè)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/D→01H;a2→A/D→02H;a3→A/D→03H;…a7→A/D→01H。假如把這些數(shù)字量按序存放在存儲(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A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決斷了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ)帶寬以及垂直辨別率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)示波器采納的A/D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CCD器件與A/D轉(zhuǎn)換器相協(xié)作的形式等。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)字存儲(chǔ)示波器采納最多的一種形式。

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8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div掌握器掃描速度t/div掌握器事實(shí)上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于掌握A/D轉(zhuǎn)換

速率以及存儲(chǔ)器的寫入速度，它由一個(gè)精確度、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t/div掌握電路原理如圖

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三、寫地址計(jì)數(shù)器寫地址計(jì)數(shù)器用來產(chǎn)生寫地址信號，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)長度來決斷。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)當(dāng)與掌握A/D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。

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四、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)兩種狀況。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)可以通過掌握存儲(chǔ)器的寫操作過程來實(shí)現(xiàn)。

在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，當(dāng)被測信號大于預(yù)置電平常，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號，于是存儲(chǔ)器就從零地址開始寫入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024,那么當(dāng)寫滿1024個(gè)單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開始讀數(shù)據(jù)，那么對應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號便是觸發(fā)點(diǎn)開始后的波形。

在正延遲時(shí)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)信號到來后，存儲(chǔ)器不馬上寫入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開始寫入。這樣當(dāng)顯示時(shí)，示波器屏幕上顯示的信號便是觸發(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。

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四、預(yù)置觸發(fā)功能在負(fù)延遲時(shí)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)信號到來前，存儲(chǔ)器信號便就一貫處于0~1023單元不斷循環(huán)寫入的過程中，當(dāng)寫滿1024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將掩蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫入。當(dāng)觸發(fā)信號到來后，使存儲(chǔ)器再寫入1024N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1024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。

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四、預(yù)置觸發(fā)功能

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8.2.2

等效時(shí)間取樣方式的采集原理

實(shí)時(shí)取樣方式對觀測單次涌現(xiàn)的信號特別有效，是數(shù)字

存儲(chǔ)示波器需要具備的取樣方式，但實(shí)時(shí)取樣方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀測和存儲(chǔ)信號的頻帶寬度受到了限制。等效時(shí)間取樣方式是先采納“取樣技術(shù)”,將周期性的高頻信號變換成波形與其相像的周期性低頻信號，然后再做進(jìn)一步的處理，因而可以比較簡單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。一個(gè)典型的采納等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-7所示。

介紹了數(shù)字示波器的基本原理

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步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了