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)測量高頻信號時，偏轉(zhuǎn)板電容C與引線電感 L構(gòu)成的諧振回路，將使階躍信號產(chǎn)生畸變，在上升沿處，形成過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況。過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。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 示波器及示波測量第1頁/共74頁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?？焖偈静ü艿钠D(zhuǎn)板從旁邊引出以減短其長度，從而減小了引線電感；同時增大偏轉(zhuǎn)板間距可減小C，但這樣又會使偏轉(zhuǎn)靈敏度降低。第四章 示波器及示波測量第2頁/共74頁3電子

2、渡越時間的影響： 當(dāng)電子束通過偏轉(zhuǎn)板時，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 電子渡越時間為110 ns 量級，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 示波器及示波測量第3頁/共74頁4對高頻信號 會因電子通過偏轉(zhuǎn)板期間偏轉(zhuǎn)板上的電壓有明顯變化，所顯示的波形會有很大的失真。對應(yīng)正弦波會使得波形振幅變小，且引入相位差；對脈沖波形，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 示波器及示波測量第4頁/共74頁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，高頻信號前后沿失真。 掃描速度不夠快： 顯示高頻信

3、號時，要有足夠高的掃描速度。普通示 波器無法達(dá)到。 亮度不夠： 對于高速脈沖，其亮度很低。 對于高頻信號的顯示必須采用更好的高速示波器和取樣示波器。第四章 示波器及示波測量第5頁/共74頁6 高速示波器顯示 ns、ps 級的脈沖或微波信號。它不同于普通示波器的關(guān)鍵是示波管、Y放大器、時基發(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，采用行波示波管。第四章 示波器及示波測量第6頁/共74頁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， 限制了被測脈沖的最高重復(fù)頻率。第四章 示波器及示波測量4-6.1、高速示波器(100MHz1GHz) 第7頁/共74頁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，經(jīng)過取樣（取樣速率可調(diào)），變換成低頻的重復(fù)性的周期信號，再運(yùn)用通用示波器的原理進(jìn)行顯示和觀測的示波器稱為取樣示波器 取樣示波器經(jīng)過頻率轉(zhuǎn)換，是一種“非實(shí)時取樣”示波器。第四章

5、示波器及示波測量第8頁/共74頁94-6.2、取樣示波器(1GHz20GHz) 非實(shí)時取樣技術(shù)把一個高頻或超高頻的信號經(jīng)過跨周期的取樣，形成一個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。對低頻信號的測量，要比對高頻信號的測量在技術(shù)上成熟得多，測量精度也宜于保證。 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 示波器及示波測量第9頁/共74頁10 對取樣脈沖，取樣脈沖的間隔為 T+t ( T為輸入信號Ui( t ) 的周期）。每次取樣相當(dāng)于前一個取樣點(diǎn)時間延遲t ，經(jīng)過多次取樣，

6、最后將被測信號的波形展寬顯示出來。)(tui( b )( c )( a )( d ) tui tp tus tuy1234561t2t3t4t5t6tttttTtt2t3t4t5123456圖4.63 非實(shí)時取樣過程 第四章 示波器及示波測量1、非實(shí)時取樣原理 被測高頻信號取樣脈沖采樣信號輸出的量化信號第10頁/共74頁11如圖（c）和（d）所示，（c）為采樣值，（d）是經(jīng)過保持及延長后形成的量化信號。通過若干周期對波形的不同點(diǎn)的采樣，將高頻信號轉(zhuǎn)換成低頻信號，以通用示波器顯示uy(t)的包絡(luò)波形來反映和表現(xiàn)被測的實(shí)際高頻信號波形。)(tui( b )( c )( a )( d ) tui t

7、p tus tuy1234561t2t3t4t5t6tttttTtt2t3t4t5123456圖4.63 非實(shí)時取樣過程 第四章 示波器及示波測量1、非實(shí)時取樣原理 被測高頻信號取樣脈沖采樣信號輸出的量化信號第11頁/共74頁122.取樣示波器組成取 樣 門放 大 器延 長電 路取 樣 門 脈沖 發(fā) 生 器延 長 門 脈沖 發(fā) 生 器取 樣 脈 沖時 基 單 元iu被 測 信 號同 步 信 號sut延 遲 脈 沖yu圖4.64 取樣示波器框圖 被測信號通過取樣門后，變成窄脈沖信號，經(jīng)放大后，送入延長電路，形成信號包絡(luò)。Y 通道由取樣門、放大電路及延長電路組成，延長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Us（t）展寬，得到量化的包絡(luò)信號。 第四章 示波器及示波測量第12頁/共74頁13 取樣信號波形由不連續(xù)的亮點(diǎn)構(gòu)成，須采用階梯波作掃描電壓。 其波形對應(yīng)關(guān)系如下圖。在量化信號（a）與階梯掃描信號（b）共同的作用下，就可在熒光屏上顯示出被測高頻信號的波形如圖（c）所示，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時，即圖（c）中亮點(diǎn)足夠密時，該波形便能無失真的表現(xiàn)出被測高頻波形。 tyu012456( a )2345610( c )xu( b )0123456圖4.6-5 顯示過程 第四章 示波器及示波測量第13頁/共74頁14 取樣示波器是一種非實(shí)時取樣過程，它只能觀測重復(fù)信號，對非重復(fù)的高頻信號或

9、單次信號，只能用高速示波器進(jìn)行觀測。 第四章 示波器及示波測量時基單元功能產(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/共74頁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，這些示波器沒有存儲功能，只有當(dāng)被測信號存在時，才能進(jìn)行觀測研究。第四章 示波器及示波測量第15頁/共74頁16 存儲示波器是將被測信號先存貯在某種介質(zhì)上，以便后來用于觀測，存儲和顯示是分開進(jìn)行的。 目前對信號的存貯有兩種方法，即模擬存儲和數(shù)字存儲。 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，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，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的波形帶來了極大的方便第四章 示波器及示波測量第16頁/共74頁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 示波器及示波測量第17頁/共74頁184-7.2、數(shù)字存儲示波器1數(shù)字存儲顯示基本原理 在數(shù)字存儲示波器中用于存儲數(shù)字化波形的器件是數(shù)據(jù)存儲器（RAM），以下簡稱存儲器。由于大多

11、數(shù)被測信號是模擬量，必須通過量化之后才能存入RAM，因此信號的存儲過程如圖4.7-4所示。 圖4.74 模擬信號的量化和存儲 第四章 示波器及示波測量第18頁/共74頁19 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）對模擬信號進(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，測量分辨力越高，而量化值就越接近模擬來量，測量誤差也越小。 A/D的位數(shù)是存儲示波器的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)。第四章 示波器及示波測量第19頁/共74頁20轉(zhuǎn)換速率是存儲示波器的另一項(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信號最高頻率分量的兩倍。第四章 示波器及示波測量第20頁/共74頁21 在

12、示波器中為了在屏幕上再現(xiàn)被測信號波形，需要依次從RAM中讀出數(shù)據(jù)，并經(jīng)過A/D（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）和Y 放大器恢復(fù)為模擬信號再作用于示波管的 Y偏轉(zhuǎn)板。4.7-5 數(shù)字存儲示波器原理框圖第四章 示波器及示波測量第21頁/共74頁22為了能在屏幕上將測量信號展現(xiàn)出來，還需要對X偏轉(zhuǎn)板加掃電壓。由于Y偏轉(zhuǎn)信號是時間離散的幅值，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)字存儲示波器的基本組成如下圖所示。4.7-5 數(shù)字存儲示波器原理框圖第四章 示波器及示波測量第22頁/共74頁23 由于被測信號已經(jīng)被存儲，波形的顯示和存儲可以分開進(jìn)行，因此與寬帶示波器相比，DSO對其顯示

13、功能的速度要求不高，只要選擇一個適合人們觀察的速度即可。此外，對于變化極慢的信號，由于采用了合適的顯示速度，也不會給人以閃爍的感覺。 第四章 示波器及示波測量第23頁/共74頁242.數(shù)字存儲顯示的特點(diǎn)及發(fā)展前景 1）數(shù)字存儲示波器的特點(diǎn)： 由于數(shù)字存儲示波器是以通用示波器為基礎(chǔ)，并采用計算機(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 示波器及示波測量第24頁/共74頁25 （1）使用方便： 早期數(shù)字存儲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、控制開關(guān)，一不小心就會操作失誤，得不到正確測量結(jié)果。第四章 示波器及示波測量第25頁/共74頁26 （1）使用方便：現(xiàn)今的

14、DSO可以提供操作菜單，利用鍵盤通過人機(jī)對話進(jìn)行各種選擇，而儀器面板僅有少數(shù)調(diào)節(jié)元件和開關(guān)。操作十分方便，而且不易出錯，屏幕上除了顯示波形之外，還用文字表示測量結(jié)果（如前所述的讀出示波器一樣）。第四章 示波器及示波測量第26頁/共74頁27 （2）測量精度高： 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基長度的取樣點(diǎn)數(shù)，每一點(diǎn)的時間決定于采樣時鐘速率；第四章 示波器及示波測量第27頁/共74頁28 （2）測量精度高：由于采樣時鐘來源于晶體振蕩器，所以DSO具有很高的測時精度和穩(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，測量精度也高。通常DSO的測量精度達(dá)1%左右，而通用示波器一般為3%5%。第四章 示波器及示波測量第28頁/共74頁29 （3）信號處理和顯示分開進(jìn)行： 信號處理是指模擬信號的處理及數(shù)據(jù)存儲，包括信號調(diào)理、采樣、A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)存儲等電路。 信號顯示主要包括CRT、X、Y通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換及X、Y放大器。 信號的顯示與處理可以分別進(jìn)行，可以分別設(shè)計。第四章 示波器及示波測量第29頁/共74頁30 （3）信號處理和顯示分開進(jìn)行： 信號處理部分必須根據(jù)被測信號的變化速率進(jìn)行設(shè)計，尤其是對于高速信號設(shè)計的難度較大； 對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 示波器及示波測量第30頁/共74頁31 （3）信號處理和顯示分開進(jìn)行： 對于變化極慢的信號，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)行信號采集、存儲；而顯示速度仍可較快，使之無閃爍感。 第四章 示波器及示波測量第31頁/共74頁32 （4）多種觸發(fā)方式： DSO的信號通道在不斷進(jìn)行采樣、量化、存儲器已經(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)信號出現(xiàn)的時刻僅作為停止存儲的一種標(biāo)志。 因此，DSO中有正延時觸發(fā)，也有負(fù)延時觸發(fā)。第四章 示波器及示波測量第32頁/共74頁33 （4）多種觸發(fā)方式：

17、正延時觸發(fā) 指可以觀測觸發(fā)點(diǎn)以后的被測信號，負(fù)延時觸發(fā) 可以觀測觸發(fā)點(diǎn)之前的信號，給波形分析帶來很大方便。 負(fù)延時觸發(fā)功能在通用模擬示波器中是無法實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樗荒茉谟|發(fā)點(diǎn)之后產(chǎn)生掃描，顯示被測信號，不可能觀測到觸發(fā)前的信號。第四章 示波器及示波測量第33頁/共74頁34 （5）多種顯示方式： 由于顯示的信號波形是取自存儲器的數(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器中讀取當(dāng)前采集存儲的數(shù)據(jù)，使得屏幕顯示不斷更新； 滾動顯示方式是指信號波形在屏幕上從右向左滾動，相當(dāng)于對信號觀察的窗口從左至右移動。第四章 示波器及示波測量

18、第34頁/共74頁35 （6）便于進(jìn)行多波形分析比較： 數(shù)字存儲示波器不僅像傳統(tǒng)的雙蹤示波器那樣對當(dāng)前的兩個信號波形進(jìn)行比較，而且還可以對已經(jīng)存儲的波形之間進(jìn)行比較，以及對當(dāng)前波形和已經(jīng)存儲的波形之間進(jìn)行比較。第四章 示波器及示波測量第35頁/共74頁36 （7）便于波形數(shù)據(jù)的分析處理： 數(shù)字存儲示波器內(nèi)含計算機(jī)（或者通過標(biāo)準(zhǔn)總線將信號數(shù)據(jù)送到外部計算機(jī)），能很方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到被測信號的周期，脈沖前后沿時間，信號幅度的最大值、最小值、有效值及信號任何一個部位的電壓和時間等量值，還可以進(jìn)一步計算信號的頻譜、方差等。第四章 示波器及示波測量第36頁/共74頁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、漂移對測量的影響，減輕對硬件的要求。第四章 示波器及示波測量第37頁/共74頁38 （8）可以實(shí)現(xiàn)永久性存儲： 只要存儲器不斷電，其數(shù)據(jù)將會長期存儲；如果將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存磁盤、光盤等其他存儲介質(zhì)亦可永久存儲。通用示波器是沒有這種存儲能力，即使是記憶示波器也只能存儲一個星期的時間。第四章 示波器及示波測量第38頁/共74頁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

20、示波器帶寬已經(jīng)達(dá)到2GHz，超過模擬示波器的水平。 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間已經(jīng)指日可待了。第四章 示波器及示波測量第39頁/共74頁403.數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標(biāo) （1）最高采樣速率： 指單位時間獲取被測信號的采樣點(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，最快時基因數(shù)為1ns/div時，則fsmax 應(yīng)該是100點(diǎn)/1納秒，或者為1011點(diǎn)/s第四章 示波器及示波測量第40頁/共74頁41（2）存儲帶寬： 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 示波器及示波測量第41頁/共74頁42（2）存儲帶寬：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，相應(yīng)帶寬為2GHz，即帶寬因子k=4。第四章 示波器及示波測量第42頁/共74頁43（3） 存儲長度： 表示一次采樣、存儲過程中獲取被測信號長度的能力。 A/D轉(zhuǎn)換所得數(shù)據(jù)寫入存儲器，存儲長度是以存儲器的存儲字的最大數(shù)量表示的。第四章 示波器及示波測量第43頁/共74頁44（3） 存儲長度： 一個存儲字相應(yīng)于一個采樣點(diǎn)的量化數(shù)據(jù)，如果A/D是8位，則一個字為8位二進(jìn)制數(shù)碼，占8位存儲器的一個單元，即存儲長度為1。 為了有較長的存儲長度，在多通道示波器中，有時只有一個通道工作，這時將原屬于各個通道的存儲器疊加使用。第四章 示波器及示波測量第44頁/共74

23、頁45 （4）測量分辨力和測量精度： 目前DSO的電壓分辯力為8位，時間分辯力達(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）所對應(yīng)的電壓表示其分辨力的高低。 例如，當(dāng)測量的滿度值為10V時，8位A/D測量分辨力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 示波器及示波測量第45頁/共74頁46 （4）測量分辨力和測量精度： 目前DSO的電壓分辯力為8位，時間分辯力達(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）所對應(yīng)的電壓表示其分辨力的高低。第四章 示波器及示波測量第46頁/共74頁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，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 示波器及示波測量第47頁/共74頁482)時間分辨力（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 示波器及示波測量第48頁/共74頁492)時間分辨力（或稱水平分辯力）：在DSO中，時間測量的分辨力也與時基因數(shù) Dx 有關(guān)。 例如當(dāng) Dx 為10ms/div時，時間分辨力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量的時間分辨力就越高。 時間測量精度主要

26、與D/A所用基準(zhǔn)電壓源以及控制時鐘的精度有關(guān)，而在模擬示波器掃描非線性是測量誤差的主要因素，相比之下DSO的測時精度要比模擬示波器高得多。第四章 示波器及示波測量第49頁/共74頁504.數(shù)字存儲示波器的主要部件及要求 從數(shù)字存儲示波器的組成來說，與模擬存儲示波器的主要差別在于采用了A/D、D/A、存儲器以及控制系統(tǒng)等部件。尤其是寬帶DSO對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 示波器及示波測量第50頁/共74頁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Vi同時作用于若干個比較器的輸入端，這些比較器具有不同的比較電平。對于n位A/D而言，一共用（2n-1）個比較器，與（ 2n-1 ）個量化等級相對應(yīng)，每一個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 示波器及示波測量 圖4.76 并行比較式A/D原理圖第51頁/共74頁52（1）并行比較式A/D：當(dāng)信號Vi 大于某個比較電平，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 示波器及示波測量 圖4.76 并行比較式A/D原

28、理圖第52頁/共74頁53下圖電路是在采樣時鐘的作用下工作的，當(dāng)信號Vi作用于輸入端時，比較器的輸出就跟蹤 Vi 的變化，只有在采樣時鐘為有效時，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 示波器及示波測量（1）并行比較式A/D：第53頁/共74頁54由于并行比較式A/D的各個比較器同時進(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 示波器及示波測量（1）并行比較式A/D：第54頁/共74頁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個比較器；如果8位A/D，將需要255個比較器，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 示波器及示波測量第55頁/共74頁56 圖中以6位A/D為例說明其組成結(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。 比較過程分兩步，第一步是4位二進(jìn)制數(shù)碼經(jīng)D/A對信號Vi進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得4位二進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果（b6b3）；第四章 示波器及示波測量（2）并串式A/D：第56頁/共74頁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 示波器及示波測量（2）并串式A/D：第57頁/共74頁58 并串式A/D所需比較器的個數(shù)為（24-1）+（ 22-1）=18，而6位并行式A/D則需要63個。 前者所用比較器的數(shù)量顯著減少，電路也簡單，但是要花兩步才能完成一次轉(zhuǎn)換過程，轉(zhuǎn)換速度要比并行式的慢一些。因此，在選用模數(shù)轉(zhuǎn)換器時必須對電路結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)換速度作出選擇。第四章 示波器及示波測量第58頁/共74頁592）存儲器 從DS

31、O的要求看存儲應(yīng)該是高速大容量的。在存儲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。圖4.78 高速數(shù)據(jù)的分路存儲第四章 示波器及示波測量第59頁/共74頁602）存儲器 圖中將A/D轉(zhuǎn)換所得的高速數(shù)據(jù)經(jīng)過寄存器后分為2路，分時存入RAM1和RAM2。有時還可以分為更多路進(jìn)行存儲，例如4路。這時對存儲器的速度要求可以降低到1/2或1/4，就可采用廉價的慢速存儲器存儲高速信號。圖4.78 高速數(shù)據(jù)的分路存儲第四章 示波器及示波測量第60頁/共74頁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)測量任務(wù)，而控制的核心是微處理器。有時CPU的速度還不能滿足

32、高速數(shù)采集和存儲的要求。必須有獨(dú)立的高速時鐘電路在CPU的管理下進(jìn)行工作。第四章 示波器及示波測量第61頁/共74頁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CPU很難及時完成這些任務(wù)。 因此，現(xiàn)代DSO出現(xiàn)多CPU系統(tǒng)。第四章 示波器及示波測量第62頁/共74頁633）控制系統(tǒng) 在電子儀器的多CPU系統(tǒng)中，通常一個CPU為主CPU，具有相應(yīng)的存儲器（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CPU用于數(shù)據(jù)采集、一個CPU用于顯示、一個CPU用于數(shù)據(jù)處理等。第四章 示波器及示波測量第63頁/共74頁645.高速信號采集技術(shù) 目前，世界各大儀器公司的高速A/D不斷問世，例如美國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，或者價格昂貴，對于一般用戶可望不可及。能否用低速器件采集和存儲高速信號呢？現(xiàn)有如下4種方案供參考。第四章 示波器及示波測量第64頁/共74頁65 （1）CCD器和A/D相結(jié)合采集高速信號： 其特點(diǎn)是重復(fù)取樣和實(shí)時取樣相結(jié)合，模擬存儲和數(shù)字存儲相結(jié)合。 首先對被測信號進(jìn)行重復(fù)非實(shí)時取樣，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，簡寫為CCD）進(jìn)行信號的模擬存儲。然后將CCD中存儲的信號讀出并進(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）。第四章 示波器及示波測量第65頁/共74頁66 （2）掃描交換管和A/D相結(jié)合采集高速信號： 這種采集過程是將高速信號存儲在掃描變換管的靶面上，然后通過電子掃描靶面以圖像信號輸出的形式取出存儲信號，并經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字化結(jié)果存入存儲器。由于靶面存儲信號的時間可以維持30s時間，所以對A/D轉(zhuǎn)換器及存儲器的速率要求都可以放低。第四章 示波器及示波測量第