電子測(cè)量及儀器 第四章 時(shí)域測(cè)量-電子示波器2

1、 又稱(DSO, Digital Storage Osilloscope)。 數(shù)字存貯示波器采用數(shù)字電路，將輸入信號(hào)先經(jīng)過A/D變換器，將模擬波形變換成數(shù)字信息，存貯于數(shù)字存貯器中。需要顯示時(shí)，再?gòu)拇尜A器中讀出，通過D/A變換器，將數(shù)字信息變換成模擬波形顯示在示波管上，或是直接將數(shù)字信號(hào)顯示于LCD屏上。A/D+RAM+D/A+CPU存貯時(shí)間長(zhǎng)；能捕捉觸發(fā)前的信號(hào)；可與計(jì)算機(jī)相連接；可分析復(fù)雜的單次瞬變信號(hào)。儀器科學(xué)與工程系一、數(shù)字示波器的一、數(shù)字示波器的:（不同時(shí)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(shù)字、模擬兩種工

2、作方式下工作。在Y通道中插入數(shù)字元件A/D、RAM、D/A，X通道仍產(chǎn)生鋸齒波。功能、性能受限制，靜電偏轉(zhuǎn)示波管帶寬有限。能在數(shù)字、模擬兩種工作方式下工作取樣門與保持A/DI/Oui被測(cè)信號(hào)外觸發(fā)信號(hào)內(nèi)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(chǔ)、讀出、顯示等，信息通道總線交換。鍵盤+CPU+程序ROM。ROM內(nèi)寫有儀器的工作程序，通過鍵盤進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，測(cè)試等。模擬信號(hào)A/D數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于RAM。此過程受CPU控制。Y通道將RAM中的數(shù)字信號(hào)重新恢復(fù)成模擬信號(hào)；X通道產(chǎn)生

3、階梯掃描電壓。X、Y通道同時(shí)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(shù)字化提高采集速度、帶寬，反混迭失真 模擬通道：包括多個(gè)模擬通道，信號(hào)經(jīng)衰減器、前置放大、S/H、后置放大器后送入A/D轉(zhuǎn)換。前置放大器的信號(hào)同時(shí)送入觸發(fā)選擇器。 采集處理器：示波器中使用隨機(jī)使用隨機(jī)- -重復(fù)采樣技術(shù)重復(fù)采樣技術(shù)，采樣處理器根據(jù)采樣與觸發(fā)的對(duì)應(yīng)關(guān)系來確定數(shù)據(jù)在波形存儲(chǔ)器中的位置，以便重構(gòu)波形。 波形翻譯器：專用的處理器。將數(shù)據(jù)點(diǎn)與時(shí)間值按時(shí)間順序?qū)?yīng)，翻譯成與顯示器Y、X相對(duì)應(yīng)的水平像素位置。 主微處理器：人機(jī)接口，軟件操作系統(tǒng)，增強(qiáng)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(chǔ)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(hào)調(diào)整觸發(fā)選擇前置放大外觸發(fā)電源信號(hào)觸發(fā)電平HP54600 LeCroy(USA)3 測(cè)量與分析數(shù)字處理器&協(xié)處理器操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件RAM4 存儲(chǔ)可存儲(chǔ)軟盤IC存儲(chǔ)卡及硬盤連接到計(jì)算機(jī)打印機(jī)的數(shù)據(jù)總線2 顯示顯示顯示處理器1 采集ABC放大器輸入信號(hào)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(hào)采集處理技術(shù)二、信號(hào)采集處理技術(shù) 屏幕更新率低. 更新率指每秒鐘可以捕獲波形的數(shù)目。單CPU示波器無

5、法滿足實(shí)時(shí)要求，存在死區(qū)時(shí)間。即信號(hào)經(jīng)“A/D存儲(chǔ)處理D/A顯示”至下一次波形的采集會(huì)產(chǎn)生時(shí)間間隔。 提高更新率，400k幅的更新率 數(shù)字實(shí)時(shí)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)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(cè)，以峰值為基本采樣點(diǎn)，加上其它采樣點(diǎn)，則不會(huì)產(chǎn)生失真。 抗混疊技術(shù)-101欠采樣生成的混迭失真滿足采樣定理，內(nèi)插顯示(45)BW，不內(nèi)插10BW。 高速A/D及RAM價(jià)格比較高，對(duì)于重復(fù)信號(hào)，以較低的采樣頻率獲得較高的采樣帶寬。每個(gè)周期采集一定數(shù)量的樣點(diǎn)，經(jīng)多個(gè)周期的樣點(diǎn)恢復(fù)出波形。信號(hào)與采樣時(shí)鐘非同步，采樣觸發(fā)點(diǎn)與下一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，信號(hào)為周期

6、信號(hào)，每個(gè)周期的采樣，等效為對(duì)“同一波形”的(欠)采樣。滿每一周期采一個(gè)樣點(diǎn)。所需要時(shí)間長(zhǎng)，不能觀測(cè)單次信號(hào)123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:15-Mar-2006Sheet of File:F:My Documents電 子 測(cè) 量 技 術(shù) 與 儀 器 課 件 PPTcircuit.ddbDrawn By:(a) 實(shí)時(shí)采樣(b) 隨機(jī)采樣(c) 順序采樣一個(gè)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(shù)字化速率。描述方式： 單位時(shí)間內(nèi)的采樣次數(shù)，20Msps 采樣頻率描述，20MHz 信息率描述，單位時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)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(chǔ)器容量的限制。一般在不同掃描時(shí)，采樣速率是不一樣的，但存儲(chǔ)容量是相同的，如存儲(chǔ)10000點(diǎn)。 主要是指A/D器件。高速的A/D技術(shù)，目前已有10Gsps.。高速的A/D技術(shù)有兩種類型： 同時(shí)通過多個(gè)A/D交叉復(fù)用，控制時(shí)鐘依次叉開，可進(jìn)一步成倍提高采樣速率。 這種組合方式降低了對(duì)A/D的速率及RAM的存儲(chǔ)速度的要求。+_C3+_C1+_C2編碼器RRRR參考信號(hào)Ur輸入信號(hào)Vin比較器輸出并聯(lián)比

8、較式A/D-最快的A/D轉(zhuǎn)換器缺點(diǎn): 器件復(fù)雜, 需要2n個(gè)比較器.A/D1uiA/D2RAM1RAM2S組合輸出數(shù)據(jù)多個(gè)A/D交叉復(fù)用，可使采樣速率成倍提高.DDR: Double Data Rate CCD：高速模擬存儲(chǔ) 2.5Gsps A/D：低速數(shù)字化處理YA順序取樣YB順序取樣通道轉(zhuǎn)換AB通道轉(zhuǎn)換A/DRAMCCDuiAuiB缺點(diǎn): CCD記錄長(zhǎng)度有限. 速度要求：多個(gè)低速存儲(chǔ)器分時(shí)輪流寫入。要求精確定時(shí)。 數(shù)據(jù)更新：具有循環(huán)存儲(chǔ)功能。 負(fù)延遲觸發(fā)：可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)之前的信號(hào)。 正延遲觸發(fā)：是指可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)以后的信號(hào)。 距離觸發(fā)點(diǎn)的。 負(fù)延遲在模擬示波器中無法實(shí)現(xiàn)負(fù)延遲在模擬示波器中

9、無法實(shí)現(xiàn)。觸發(fā)點(diǎn)正延時(shí)負(fù)延時(shí)觸發(fā)點(diǎn)終止記錄負(fù)延時(shí)觸前發(fā)采樣存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)循環(huán)存儲(chǔ)觸發(fā)功能觸發(fā)后推進(jìn)觸發(fā)后推進(jìn)=總長(zhǎng)總長(zhǎng)-負(fù)延時(shí)負(fù)延時(shí)N=L-M尖峰干擾設(shè)定時(shí)間窗觸發(fā)源：內(nèi)觸發(fā)(各個(gè)通道皆可)，外觸發(fā)，電源觸發(fā)觸發(fā)模式：自動(dòng)，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(shí)別尖峰干擾 采樣速率與記錄長(zhǎng)度有以下關(guān)系： L(p)=fs(sps)S(t/div)10(div) 早期DSO，掃速與采樣速率聯(lián)動(dòng)。（現(xiàn)在這樣的DSO也常用）。即改變A/D轉(zhuǎn)換速率。缺點(diǎn)：記錄長(zhǎng)度太短，10000個(gè)點(diǎn)，不能完整記錄一個(gè)較復(fù)雜的信號(hào)。不便同時(shí)觀測(cè)快慢信號(hào)。如電視信號(hào)中含有快慢的波形(圖6.6

10、4) ?？鞉撸龗叨疾焕?。增加記錄長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)超快、超長(zhǎng)的采集存儲(chǔ)器。(1) )掃速與采樣速率聯(lián)動(dòng)掃速與采樣速率聯(lián)動(dòng).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(chǔ)深度為1MB；B的最高采樣率為200MS/s，存儲(chǔ)深度為1KB。問當(dāng)掃速?gòu)?0ns/div變化到1000ms/div時(shí)，試計(jì)算采樣率的變化情況. 分辨率都較低，8bit，受信號(hào)頻率，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量，干擾等限制。三、波形顯示技術(shù)三、波形顯示

11、技術(shù)用較少的點(diǎn)構(gòu)成波形：視覺混淆 線性內(nèi)插 正弦內(nèi)插：專用于正弦信號(hào)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(guān)CRT、LCD（光柵掃描）四、示波器的技術(shù)指標(biāo)四、示波器的技術(shù)指標(biāo)幅度隨頻率變化下跌3dB時(shí)的頻率寬度 重復(fù)帶寬：采用非實(shí)時(shí)取樣技術(shù)，可做到很寬，幾十GHz 單次帶寬：有效存儲(chǔ)帶寬，與采樣速率，波形重組方法有關(guān)與模擬示波器的不同. 掃速（采樣間隔） 2點(diǎn) or 3點(diǎn)？V/div 1-2-5步進(jìn) (與校準(zhǔn)信號(hào)比較得到誤差與校準(zhǔn)信號(hào)比較得到誤差)與A/D比特?cái)?shù)有關(guān)A/D的最高采樣速率，現(xiàn)代DSO可達(dá)20GS/s以上。 采樣速率fs，每格樣