電子測量技術(shù)與應(yīng)用項目20第39-40學(xué)時-3.4數(shù)字示波器

1Keywords:1.智能儀器的特點2.基本構(gòu)成:硬件部分、軟件部分3.智能型數(shù)字存儲示波器特點數(shù)字示波器(補充)2一、智能儀器的特點

（一）強大的控制能力采用計算機技術(shù)，簡化硬件結(jié)構(gòu)，縮小儀器的體積及功耗，提高可靠性、靈活性，使儀器的自動化程度更高。智能儀器用鍵盤代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器中的旋轉(zhuǎn)式或琴鍵式切換開關(guān)，從而使儀器面板及功能部件可以完全獨立進行,提高儀器的技術(shù)指標(biāo),方便儀器的操作使用。3智能儀器具有友好的人機界面，使用時只需通過鍵盤輸入命令，儀器就能實現(xiàn)等多種功能，如：測量自檢數(shù)據(jù)處理顯示打印4（二）強大的數(shù)據(jù)處理功能

改善測量的精確度

對測量結(jié)果的處理5智能儀器采用軟件對測量結(jié)果進行及時的在線的處理，對各種誤差進行計算和補償，精度和數(shù)據(jù)處理的質(zhì)量都大為提高。

例如：傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表只能測量電阻、交直流電壓、電流等，而智能型數(shù)字萬用表不僅能進行上述測量，而且還能對測量結(jié)果進行計算和分析和處理：

6對測量結(jié)果的處理一般包括：百分誤差，絕對誤差峰-峰值，平均值有效值，最大值及最小值方差，標(biāo)準(zhǔn)差零點平移，統(tǒng)計分析…7（三）實現(xiàn)儀器功能多樣化對于測量的數(shù)據(jù)，可以進行多種運算、比較、邏輯判斷等數(shù)據(jù)處理，然后再按要求輸出顯示。微處理器的使用使智能儀器的測量過程、軟件控制及數(shù)據(jù)處理等更多方面的功能易于實現(xiàn)。智能儀器一般都配有GPIB或RS-232等標(biāo)準(zhǔn)接口，使其具有可程控的能力。

8智能型萬用表除可測—直流、交流電壓，電阻外，

還具有以下功能：其測量頻率范圍提高到10HZ-1MHZ；可有極性顯示，輸入過載保護；自檢；可對測量結(jié)果做簡單的誤差計算；在數(shù)字顯示器下面加光條顯示器，提高對被測信號波動變化傾向的判斷；9有的具有示波功能；可進行可程控的自動化數(shù)字校準(zhǔn)；用電平表示電壓和功率；時鐘、日歷、打印、報警、自動記錄;位數(shù)可提高到,；可進行統(tǒng)計計算…..智能型萬用表功能：10二、智能儀器的基本構(gòu)成(重點)組成：硬件和軟件硬件部分包括：

CPU

存儲器總線BUS

各種I/O接口輸入/輸出通道儀器面板

（鍵盤、開關(guān)、按鈕、顯示器）

11智能儀器以微處理器為核心，通過總線及接口與輸入通道、輸出通道、儀器鍵盤及儀器內(nèi)存相連。

BUS

被測電壓

CPU

輸入電路

A/D轉(zhuǎn)換

I/O

鍵盤

顯示

I/O

標(biāo)準(zhǔn)儀器接口

存儲器

I/O

I/O

儀器總線

智能儀器通用結(jié)構(gòu)框圖

D/A

A/D

12軟件部分主要包括

監(jiān)控程序

接口管理程序13監(jiān)控程序—面向儀器面板和顯示器，主要內(nèi)容有：1.通過鍵盤操作輸入并存儲所設(shè)置的功能、操作方式與工作參數(shù)；2.通過控制I/O接口電路進行數(shù)據(jù)采集，對儀器進行預(yù)定的設(shè)置；3.對數(shù)據(jù)存儲器所記錄的數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行各種處理；以數(shù)字、字符、圖形等形式顯示各種狀態(tài)信息以及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。14接口管理程序—面向通信接口，主要內(nèi)容有:1.接受并分析來自通信接口總線的各種有關(guān)功能、操作方式與工作參數(shù)的程控操作碼。2.通過通信接口輸出儀器的現(xiàn)行工作狀態(tài)及測量數(shù)據(jù)的處理結(jié)果，以響應(yīng)計算機的遠控命令。

15三、智能型數(shù)字存儲示波器組成原理

具有取樣與存儲波形的能力，可以方便地對模擬信號進行長期存儲并能利用機內(nèi)微處理器系統(tǒng)對存儲的信號作進一步的處理。實時工作模式時：其電路組成原理與一般傳統(tǒng)模擬示波器一樣。存儲工作模式時：它的工作過程一般分兩個階段。存儲顯示16存儲工作階段：模擬信號先放大或衰減，再進行數(shù)字化處理。

取樣—獲得模擬輸入信號的離散值；量化—

使每個取樣的離散值經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)字。取樣量化寫入RAM17數(shù)字存儲示波器的取樣和存儲過程18顯示工作階段：數(shù)據(jù)信號讀出D/A轉(zhuǎn)換Y放大器放大

CRT的Y偏轉(zhuǎn)板。

存儲器的讀地址計數(shù)脈沖D/A轉(zhuǎn)換器

得模擬掃描電壓X軸末級放大器驅(qū)動CRT的X偏轉(zhuǎn)板顯示信號一個波形顯示的點數(shù)與RAM的容量有關(guān)，也是確定的，一般為256、512或1024等。

19數(shù)字存儲示波器的讀出和顯示20YDS1012數(shù)字存儲示波器：100MHZ，速率1.0GS/s2122垂直控制CH1CH2光標(biāo)1光標(biāo)2位置：可垂直定位波形。顯示和使用光標(biāo)時LED變亮以指示移動光標(biāo)時，按紐的可選功能。CH1CH2菜單：顯示垂直菜單選項并打開或關(guān)閉對通道波形顯示.伏/格CH1CH2：選擇標(biāo)定的刻度系數(shù)。MATH數(shù)學(xué)計算菜單：顯示波形的數(shù)學(xué)運算并可用于打開和關(guān)閉數(shù)學(xué)波形。23水平控制位置：調(diào)整所有通道和數(shù)學(xué)波形的水平位置。該控制的分辨率隨時基設(shè)置的不同而改變。HORIZ水平位置按鈕：用來控制觸發(fā)相對顯示屏中心的位置。在整個波形顯示和部分顯示細節(jié)的放大波形之間切換。設(shè)置為零按鈕：用來將水平位置設(shè)置為零。秒/格旋鈕：用于改變水平時間刻度,以便放大或壓縮波形。24觸發(fā)控制電平和高級旋鈕：使用邊沿觸發(fā)時，電平旋鈕的功能是設(shè)置電平幅度，信號必須高于它才能進行采集。高級燈亮?xí)r指示相應(yīng)功能(釋疑、視頻線數(shù)、脈沖寬度)TRIG觸發(fā)：顯示觸發(fā)菜單。設(shè)置為50%：觸發(fā)電平設(shè)置為觸發(fā)信號峰值的垂直中點。強制觸發(fā)：不管觸發(fā)信號是否適當(dāng)都完成采集。如采集已停止則該按鈕無用。觸發(fā)視圖：顯示觸發(fā)波形而不顯示通道波形。25菜單和控制按鈕保存/調(diào)出(SAVE/RECALL)：顯示設(shè)置和波形的保存/調(diào)出菜單測量(MEASURE):顯示自動測量菜單。采集(ACQUIRE):

顯示采集菜單。顯示(DISPLAY):

顯示類型功能表。光標(biāo)(CURSOR):

顯示光標(biāo)功能表，光標(biāo)被激活，垂直位置控制方式可以調(diào)整光標(biāo)的位置。離開光標(biāo)菜單后，光標(biāo)保持顯示但不可調(diào)整。26輔助功能(UTILITY)：顯示輔助功能菜單。幫助(HELP)：顯示幫助菜單。默認(rèn)設(shè)置(DEFAULTSETUP)：調(diào)出廠家設(shè)置。自動設(shè)定(AUTOSET)：自動設(shè)置示波器控制狀態(tài)，以產(chǎn)

生適用于輸出信號的顯示圖形。單次序列(SINGLESEQ)：采集單個波形，然后停止。運行/停止(RUN/STOP)：啟動和停止波形獲取。打印(PRINT)：開始打印操作。27（三）數(shù)字存儲示波器的特點（1）可以長期存儲波形存儲示波器:采用存儲柵網(wǎng)示波管

數(shù)字存儲示波器:采用存儲器28長期的存儲波形可以更長期的存儲波形，只要存儲器不急于存入其他波形，已存波形就可以繼續(xù)保存下去，而且存儲時間無限長。還可以將已存儲的信號進行擴展或縮小作仔細觀察。為了有效利用存儲器的容量，可以變換記錄波形的記錄速度。29（2）可以進行負(fù)延遲（預(yù)延遲）可觀察觸發(fā)點以前的信號，并且可任意選擇超前或滯后的時間。因為數(shù)字存儲示波器的觸發(fā)點只是一個存儲的參考點，而不一定是取樣、存儲的第一點，這就給顯示數(shù)據(jù)的選擇帶來很大靈活性。而且可以高速捕捉，低速顯示，單次信號、低頻信號和毛刺脈沖都能清晰地顯示。

觸發(fā)點30負(fù)延遲利用數(shù)字存儲示波器的負(fù)延遲特性可觀察振蕩器起振過程。選擇觸發(fā)點的觸發(fā)電平介于零和穩(wěn)定振幅之間的某一數(shù)值，觸發(fā)極性為正，預(yù)延遲4.5格。在熒光屏上可以同時觀察到觸發(fā)前和觸發(fā)后的情況，即顯示了從起振到穩(wěn)定的全過程。31（3）便于觀測單次過程和緩慢變化的信號數(shù)字存儲示波器只要對波形進行一次取樣存儲，就可以長期保存、多次顯示，并且取樣、存儲和讀出、顯示的速度可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。這種示波器便于捕捉和顯示單次瞬變信號或緩慢變化的信號。對于地震、金屬斷裂、材料變形、武器發(fā)射等偶發(fā)事件或緩慢變化的信號。32（4）多種顯示方式“自動抹跡”（Auto-Erase）也叫自動清除。每滿足一次觸發(fā)條件，例如加一次觸發(fā)脈沖，屏上原來的波形就被新存儲的波形所更新。這個新波形的顯示時間是可以調(diào)節(jié)的，在顯示時間超過預(yù)置的時間以后，若再次滿足觸發(fā)條件，則自動抹掉舊畫面，顯示這次觸發(fā)存儲的新畫面。33

“卷動”（Roll）顯示方式

(a)新波形逐漸更新老波形(b)波形自窗口右端向左移動推出34

“卷動”顯示方式最適于在緩慢變化的信號中尋找感興趣的部分。卷動顯示通常有兩種形式：圖(a)是用新波形逐漸更新舊波形，這反映了存儲區(qū)中存儲的內(nèi)容正被改寫。圖(b)把屏幕比作一個窗口，波形從窗口右端推出向左移動，移至最左端就消失了。這實質(zhì)上是從立即就要被覆蓋的存儲單元，向后顯示一個完整的頁面。35（5）具有很強的數(shù)據(jù)處理能力

圖a：脈沖信號被淹沒在噪聲中，只是勉強可見。圖b：對這個信號進行了一千次平均以后，得到大為改善的信號。

（a）利用平均技術(shù)從噪聲中提取信號(b)36

（6）可用字符顯示測量結(jié)果（7）便于程控和用多種方式輸出（8）便于進行功能擴展

數(shù)字存儲示波器中運用計算機技術(shù)為儀器的功能擴展提供了條件。例如運用計算機的運算功能，可以對存儲的數(shù)據(jù)進行快速傅立葉變換（FFT）。從時域信號得到它的頻域特性，利用FFT功能，還可以對信號進行失真度分析、調(diào)制特性分析等多種分析。

37快速傅立葉變換功能a）時域信號b）頻域信號ω

f（t）

t

F（ω）

（a）

（b）

U(t)38（9）測量精度高數(shù)字存儲示波器的掃描由取樣點的時鐘間隔和掃線上單位長度的取樣點數(shù)來決定。由于使用晶振時鐘，因此具有很高的測時精度；由于采用高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和隨機重復(fù)采樣，因此可達到很高的等效采樣率。例如：HP51400A/D型數(shù)字化示波器可達100GHz等效采樣率，10ps的時間分辨力，有效存儲帶寬為1GHz。39總結(jié)：一、智能儀器的特點（一）強大的控制能力

（二）強大的數(shù)據(jù)處理功能

（三）實現(xiàn)儀器功能多樣化4