《數(shù)字示波器》作品解析(趙茂泰)

1、數(shù)字示波器數(shù)字示波器作品解析作品解析一、題意分析一、題意分析二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)四、輸入電路通道的設(shè)計(jì)四、輸入電路通道的設(shè)計(jì)五、賽況簡(jiǎn)要分析五、賽況簡(jiǎn)要分析數(shù)字示波器（本科數(shù)字示波器（本科C題）題） 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的數(shù)字示波器，示意圖如圖所示。數(shù)字示波器，示意圖如圖所示。 1A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為1MSa/s，并要求設(shè)計(jì)獨(dú)立的取樣保持電路。 2顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。取取樣樣與與保保持持電電路路A A / / D D轉(zhuǎn)

2、轉(zhuǎn)換換與與存存儲(chǔ)儲(chǔ)控控 制制 電電路路顯顯示示部部分分輸輸入入電電路路觸觸發(fā)發(fā)電電路路T TP P（1）頻率范圍為）頻率范圍為10Hz10MHz，實(shí)時(shí)采樣速率，實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s，等，等效采樣速率效采樣速率200MSa/s。（2）垂直分辨率為）垂直分辨率為8bits，垂直靈敏度含，垂直靈敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三檔。電壓測(cè)量誤差三檔。電壓測(cè)量誤差5%。在。在2mV/div檔，輸入短檔，輸入短路時(shí)的輸出噪聲峰路時(shí)的輸出噪聲峰-峰值小于峰值小于2mV。（3）掃描速度含）掃描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三檔，波形三檔，波形周期測(cè)量誤

3、差周期測(cè)量誤差5%。水平顯示分辨率。水平顯示分辨率20點(diǎn)點(diǎn)/ div。1、A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為1MSa/s。2、顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。、顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。題目主要要求題目主要要求一、題意分析一、題意分析競(jìng)賽的第1步是選題，選題要用理性分析代替憑感覺(jué)選題。分析時(shí)，先找出主要指標(biāo)，然后分析其實(shí)現(xiàn)的可能性。 采樣速率：采樣速率： 單位時(shí)間內(nèi)在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上獲取模擬輸入量并進(jìn)行量化的單位時(shí)間內(nèi)在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上獲取模擬輸入量并進(jìn)行量化的次數(shù)，單位用次數(shù)，單位用Sa/s（ Sampling/s ）表示。）表示。 根據(jù)

4、取樣定理，采樣速率應(yīng)根據(jù)取樣定理，采樣速率應(yīng)信號(hào)最高頻率分量的信號(hào)最高頻率分量的2倍。倍。 當(dāng)數(shù)字示波器采用點(diǎn)顯示方式時(shí)，為保證顯示波形的分辨率，當(dāng)數(shù)字示波器采用點(diǎn)顯示方式時(shí)，為保證顯示波形的分辨率， 其其 “倍數(shù)倍數(shù)”應(yīng)取應(yīng)取1020；采用插值顯示時(shí)，；采用插值顯示時(shí)，“倍數(shù)倍數(shù)”應(yīng)取應(yīng)取2.510數(shù)字示波器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)數(shù)字示波器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)一、題意分析一、題意分析 頻帶寬度：頻帶寬度： 當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示的信號(hào)當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示的信號(hào)幅度下降幅度下降3dB所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)上、下限頻率之差，稱(chēng)為示波器所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)上、

5、下限頻率之差，稱(chēng)為示波器的頻帶寬度，單位為的頻帶寬度，單位為MHz或或GHz。（1）頻率范圍為）頻率范圍為10Hz10MHz，實(shí)時(shí)采樣速率，實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s，等效采，等效采樣速率樣速率200MSa/s。（限定（限定A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率為轉(zhuǎn)換器最高采樣速率為1MSa/s）（2）垂直靈敏度含）垂直靈敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三檔。三檔。（3）掃描速度含）掃描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三檔。三檔。（顯示屏刻度為（顯示屏刻度為8 div10div，垂直分辨率為，垂直分辨率為8bit，水平顯示分辨率，水平顯示分辨率20點(diǎn)點(diǎn)/ di

6、v）取取 樣樣 與與保保 持持 電電 路路A A / / D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換與與 存存 儲(chǔ)儲(chǔ)控控 制制 電電 路路顯顯示示部部分分輸輸 入入電電 路路觸觸 發(fā)發(fā)電電 路路T TP Pl 采樣與保持電路輸入信號(hào)的最高頻率為采樣與保持電路輸入信號(hào)的最高頻率為10MHzl 設(shè)計(jì)應(yīng)采用點(diǎn)顯示方式，且采樣速率設(shè)計(jì)應(yīng)采用點(diǎn)顯示方式，且采樣速率信號(hào)最高頻率分量的信號(hào)最高頻率分量的2020倍。則當(dāng)輸入信號(hào)頻率倍。則當(dāng)輸入信號(hào)頻率50KHz50KHz時(shí)，采用實(shí)時(shí)采樣方式，時(shí)，采用實(shí)時(shí)采樣方式，當(dāng)輸入信當(dāng)輸入信號(hào)頻率范圍為號(hào)頻率范圍為 50KHz50KHz50KHz50KHz時(shí)時(shí)，采用等效采樣方式，采用等效采樣方式

7、l 如果如果A/DA/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓范圍為轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓范圍為0 0 2V2V，則輸入電路中放大，則輸入電路中放大器的放大倍數(shù)為器的放大倍數(shù)為125125倍倍, ,帶寬為帶寬為10MHz.10MHz.本題可分解為三個(gè)主要問(wèn)題：本題可分解為三個(gè)主要問(wèn)題：一、題意分析一、題意分析l 設(shè)計(jì)一個(gè)采用實(shí)時(shí)采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高采樣設(shè)計(jì)一個(gè)采用實(shí)時(shí)采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高采樣速率為速率為1MSa/s，輸入信號(hào)頻率范圍為，輸入信號(hào)頻率范圍為10Hz 50KHz，并具，并具有有“存儲(chǔ)存儲(chǔ)/調(diào)出調(diào)出”、“單次觸發(fā)單次觸發(fā)”等功能。等功能。l 設(shè)計(jì)一個(gè)采用等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高

8、等效設(shè)計(jì)一個(gè)采用等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高等效采樣速率為采樣速率為200MSa/s，輸入信號(hào)頻率，輸入信號(hào)頻率 50KHz 10MHz。l 設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)約設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)約125125倍、帶寬為倍、帶寬為10MHz10MHz的寬帶寬放大器的寬帶寬放大器 獲全國(guó)一等獎(jiǎng)的作品均能很好地完成前兩個(gè)獲全國(guó)一等獎(jiǎng)的作品均能很好地完成前兩個(gè)問(wèn)題，區(qū)別僅在完成第三個(gè)問(wèn)題的程度不同。問(wèn)題，區(qū)別僅在完成第三個(gè)問(wèn)題的程度不同?，F(xiàn)代數(shù)字示波器多數(shù)采用現(xiàn)代數(shù)字示波器多數(shù)采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式”二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式等效采

9、樣方式等效采樣方式順序采樣方式順序采樣方式隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式在獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)的五個(gè)作品中在獲得全國(guó)一等獎(jiǎng)的五個(gè)作品中:四個(gè)作品采用四個(gè)作品采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+順序采樣方式順序采樣方式”一個(gè)作品采用一個(gè)作品采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式”數(shù)字示波器的采樣方式：數(shù)字示波器的采樣方式：實(shí)時(shí)采樣方式：實(shí)時(shí)采樣方式： 所有采樣點(diǎn)的采集都是按照一個(gè)固定的次序，并且這個(gè)采樣的次序和采樣點(diǎn)在示波器屏幕上出現(xiàn)的次序是相同的。 只要一個(gè)觸發(fā)事件就可以啟動(dòng)全部的采集動(dòng)作。二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)觸發(fā)一次觸發(fā)一次輸輸入入電電路路雙雙口口 R RA

10、 AM M( (Y Y輸輸入入）( (X X輸輸入入) )普普通通示示波波器器邏邏輯輯控控制制電電路路( (C CP PL LD D) )單單片片機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)A A/ /D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換觸觸發(fā)發(fā)電電路路D D/ /A A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換D D/ /A A轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換鍵鍵盤(pán)盤(pán)與與顯顯示示電電路路寫(xiě)寫(xiě)地地址址讀讀地地址址時(shí)時(shí)鐘鐘二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案： 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ) 波形的顯示波形的顯示 波形數(shù)據(jù)的處理波形數(shù)據(jù)的處理 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： 由時(shí)鐘、t/div控制器、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器、RAM讀寫(xiě)控制等組成。 t

11、/divt/div控制器：控制器：實(shí)際上是一個(gè)分頻器，產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/div”量程對(duì)應(yīng)的頻率，用作A/D采樣頻率和寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器的輸入頻率。 寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器：寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器：實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的寫(xiě)RAM地址。 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： t/divt/div控制器：控制器：實(shí)際上是一個(gè)分頻器，產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/div”量程對(duì)應(yīng)的頻率，用作A/D采樣頻率和寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器的輸入頻率。 已知屏幕水平方向有10格（div），且20點(diǎn)/div。則采用點(diǎn)顯示時(shí)（不做插值運(yùn)算），屏幕水平方向顯示點(diǎn)數(shù)N=200。 設(shè)掃描速度為t/div，相對(duì)應(yīng)的采樣率為 f，則20ms/div對(duì)

12、應(yīng)的采樣率應(yīng)為1kSa/s，即 divtNf/掃描速度（掃描速度（div）20ms200s20s2s100ns采樣速率（采樣速率（MSa/s）0.0010.11-等效采樣速率（等效采樣速率（MSa/s） -10200 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： 寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器：寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器：實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)的寫(xiě)RAM地址。 已知屏幕水平方向有10格，且20點(diǎn)/div。則屏幕水平方向顯示點(diǎn)數(shù)N=200。寫(xiě)寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器應(yīng)地址計(jì)數(shù)器應(yīng)采用八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器即可。 即本題采樣存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)深度為200 每個(gè)觸發(fā)信號(hào)能啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集與寫(xiě)入RAM的過(guò)程 一方面， 控制器產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/d

13、iv”量程對(duì)應(yīng)的采樣頻率，使A/D按設(shè)定的采樣頻率轉(zhuǎn)換，得到一串8位數(shù)據(jù)流；另一方面，控制器產(chǎn)生寫(xiě)使能信號(hào)W送至RAM，使寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器按順序遞增, 確保每個(gè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。 一旦200個(gè)單元寫(xiě)滿(mǎn)， 一個(gè)寫(xiě)入循環(huán)就完成了。二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案： 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ) 波形的顯示波形的顯示 波形數(shù)據(jù)的處理波形數(shù)據(jù)的處理雙口雙口 RAM RAMD/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換讀地址讀地址發(fā)生器發(fā)生器讀讀地地址址時(shí)時(shí)鐘鐘CPLD控制器部分CPLD控制器部分Y軸Y軸放大放大X軸X軸放大放大X X(

14、 (t t) )Y Y( (t t) )示波器示波器部分部分 波形的顯示波形的顯示 一方面，讀地址計(jì)數(shù)器提供連續(xù)的RAM 讀地址，依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號(hào)()，然后送至示波器CRT的Y軸； 另一方面， 讀地址計(jì)數(shù)器提供的地址同時(shí)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸，作同步的掃描信號(hào)()。 于是在CRT屏幕上便形成了被測(cè)試模擬信號(hào)的波形。 波形的顯示波形的顯示二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 波形的顯示與波形的采集與存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù)以何種速度寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以固定的速度不斷地讀出。 對(duì)于頻率極低的信號(hào)。

15、可以用較慢的掃描速度進(jìn)行采集，而以相對(duì)快的速度讀出顯示，這樣我們就可以無(wú)閃爍的觀察極慢信號(hào)， 這是模擬示波器無(wú)能為力的。 對(duì)于觀測(cè)極快信號(hào)來(lái)說(shuō)，可以用較快的掃描速度進(jìn)行采集，而以相對(duì)慢的速度讀出顯示，不但可以獲得清淅而穩(wěn)定波形，而且不需要帶寬很高的陰極射線示波管（帶寬高的示波管價(jià)格高，且一般顯示精度和穩(wěn)定性都較低）。1 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 順序等效采樣要求：每次觸發(fā)在每個(gè)周期波形上只采樣一點(diǎn)，且每次延遲一個(gè)已知的t 時(shí)間。 順序采樣能以低的采樣速度獲得高的被測(cè)信號(hào)帶寬。三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)l 高速取樣及窄取樣脈沖的產(chǎn)生：本題要求被測(cè)信號(hào)帶寬為010M

16、Hz，因此要求取樣脈沖的底寬應(yīng)不大于45ns。l 精確t的產(chǎn)生：本題要求最高等效采樣率為200MHz，因此最小的t應(yīng)為5ns。1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式兩個(gè)難點(diǎn)：兩個(gè)難點(diǎn)：順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 高速取樣門(mén)及窄取樣脈沖的產(chǎn)生， 產(chǎn)生精確的t 步進(jìn)延遲電路，兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：高速取樣門(mén)高速取樣門(mén)1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生 示波器的帶寬主要取決取樣門(mén)，取樣脈沖要足夠窄。 根據(jù)取樣示波器的設(shè)計(jì)原理，取樣脈沖的底寬 與帶寬 fBW 的關(guān)系為

17、： 本題 fBW = 10MHz，計(jì)算得 = 45ns. 實(shí)際脈寬應(yīng)考慮小于15nsBWf45.0l 取樣脈沖要足夠窄；取樣脈沖要足夠窄；l VDVD：采用高速開(kāi)關(guān)二極管；：采用高速開(kāi)關(guān)二極管；1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 高速取樣示例：高速取樣示例：（100MHz, 帶寬帶寬5ns） 高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生四管平衡取樣門(mén)電路 參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門(mén)參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門(mén)采樣階段：采樣階段：logic=0logic=0，模擬開(kāi)關(guān)閉合，故V1 V2 V3，同時(shí)V2很快對(duì)Ch充電.保持階段：保持階段： logiclog

18、ic1 1，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于V2無(wú)放電回路，Ch上電壓值基本不變，故使V3值得以保存。V2V1logic V3 應(yīng)選擇符合應(yīng)選擇符合題目要求的采保題目要求的采保電路芯片，特別電路芯片，特別注意速度方面的注意速度方面的性能指標(biāo)！性能指標(biāo)！參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門(mén)參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門(mén) 孔徑時(shí)間（孔徑時(shí)間（T TAPAP）：）： 在保持命令發(fā)出后至開(kāi)關(guān)完全斷開(kāi)的稱(chēng)孔徑時(shí)間，這一延遲會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度誤差（孔徑誤差） 孔徑時(shí)間抖動(dòng)（孔徑時(shí)間抖動(dòng)（T TAPAP） ： 指孔徑時(shí)間變化的范圍。如果改善保持命令發(fā)出的時(shí)間，可將孔徑時(shí)間的影響消除，因而在模擬通道中可以?xún)H考

19、慮孔徑時(shí)間抖動(dòng)對(duì)采樣頻率的影響。其可數(shù)字化最高正弦信號(hào)頻率為 本題：fmax=10MHz，對(duì)于一個(gè)8bit（M=8）系統(tǒng)，要求采樣采樣保持電路的保持電路的TAP應(yīng)小于125ps)(21maxHzTfAPM 高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生 如果改善保持命令發(fā)出的時(shí)間，可將孔徑時(shí)間的影響消除，因而在模擬通道中可以?xún)H考慮孔徑時(shí)間抖動(dòng)對(duì)采樣頻率的影響。 l 高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生信息工程大學(xué)作品采用的方案信息工程大學(xué)作品采用的方案 采用AD783構(gòu)建采樣保持電路，由FPGA控制其采樣保持時(shí)鐘，使其頻率與ADC采樣時(shí)鐘同步，相位超前/25。 AD783

20、的孔徑時(shí)間抖動(dòng)的孔徑時(shí)間抖動(dòng)TAP = 50ps l 高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門(mén)及取樣脈沖的產(chǎn)生武漢大學(xué)作品采用的方案武漢大學(xué)作品采用的方案 選用高輸入阻抗的運(yùn)放LM7171以射級(jí)跟隨器的形式實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離，模擬開(kāi)關(guān)S選用TI公司的模擬開(kāi)關(guān)TS12A4515，電容選用低漏電型100pF聚苯電容。其中，TS12A4515的導(dǎo)通電阻為20, 頻率響應(yīng)為20MHz 250MHz。 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案 高速取樣門(mén)及窄取樣脈沖的產(chǎn)生， 產(chǎn)生精確的產(chǎn)生精確的t t 步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路

21、，1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式關(guān)鍵技術(shù)之二：步進(jìn)延遲電路關(guān)鍵技術(shù)之二：步進(jìn)延遲電路（產(chǎn)生精確的（產(chǎn)生精確的t t）l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路l 采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路l 采用純數(shù)字方法采用純數(shù)字方法l 采用分離元件組成的采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式l 采用分離元件組成的采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路快斜波發(fā)生器階梯波發(fā)生器比較器觸發(fā)脈沖步進(jìn)脈沖快斜波階梯波觸發(fā)脈沖快斜波階梯波比較過(guò)程步進(jìn)脈沖t2t3t 觸發(fā)脈沖經(jīng)斜波發(fā)

22、生器產(chǎn)生與觸發(fā)脈沖同的斜波，階梯波發(fā)生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的階梯波。 斜波與階梯波在比較器進(jìn)行比較，當(dāng)波幅度達(dá)到階梯波電平時(shí)，比較器產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號(hào)， l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路l 采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路 典型芯片之一：典型芯片之一：AD9500AD9500主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：l 最小最小t：10psl 內(nèi)置內(nèi)置DACl 采用采用ECL電路電路l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路l 采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專(zhuān)用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路

23、 AD9500AD9500的典型應(yīng)用示例：的典型應(yīng)用示例：l 采用純數(shù)字方法采用純數(shù)字方法（參賽隊(duì)普遍采用該方法）（參賽隊(duì)普遍采用該方法）設(shè)被測(cè)信號(hào)頻率為10MHz，等效采樣率為200MHz（5ns）。則在順序等效采樣中，應(yīng)取T=100ns，t=5ns那么， 上述過(guò)程可用FPGA實(shí)現(xiàn)，其工作時(shí)鐘頻率應(yīng)為 200MHz 如果被測(cè)信號(hào)頻率進(jìn)一步提高，則FPGA的工作時(shí)鐘頻率也需要進(jìn)一步提高。使該方法的應(yīng)用有很大的限制。2 2、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)1 1、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式 采樣時(shí)，采樣時(shí)，也需要經(jīng)過(guò)多次掃描，并且每次掃描的觸

24、發(fā)點(diǎn)是一致的。與順序等效采樣方式不同的是：每次掃描采集多個(gè)采樣點(diǎn)，并且每次掃描的觸發(fā)點(diǎn)與其后的第一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間（t1、t2、t3 ）是隨機(jī)的。 波形重組時(shí)，波形重組時(shí)，首先精確短時(shí)間t1、t2、t3 ，然后以觸發(fā)點(diǎn)為基準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)按時(shí)間先后的次序?qū)?shù)據(jù)重新排列，并寫(xiě)入顯示存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址單元中。2 2、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式由于被測(cè)時(shí)間極短，很難直接測(cè)量，一般采用精密的內(nèi)插器進(jìn)行擴(kuò)展后再進(jìn)行測(cè)量。內(nèi)插器主要由相位檢測(cè)、時(shí)間展寬、方波轉(zhuǎn)換和時(shí)間測(cè)量四個(gè)部分。難點(diǎn)：短時(shí)間測(cè)量難點(diǎn)：短時(shí)間測(cè)量 相位檢測(cè)主要完成觸相位檢測(cè)主要完成觸發(fā)時(shí)刻與觸發(fā)后第一個(gè)采樣發(fā)時(shí)刻與觸發(fā)后第一個(gè)采樣點(diǎn)間

25、的時(shí)間間隔點(diǎn)間的時(shí)間間隔TxTx；時(shí)間展；時(shí)間展寬部分主要完成將寬部分主要完成將TxTx按一定按一定的比例展寬成鋸齒波，展寬的比例展寬成鋸齒波，展寬比由放電電流與充電電流之比由放電電流與充電電流之比來(lái)決定；比來(lái)決定；-學(xué)生作品未做說(shuō)明四、輸入通道電路的設(shè)計(jì)四、輸入通道電路的設(shè)計(jì)要求：垂直靈敏度含要求：垂直靈敏度含1V/div1V/div、0.1V/div0.1V/div、2mV/div 2mV/div 三檔三檔 垂直分辨率為垂直分辨率為8bits8bits，顯示屏的刻度為，顯示屏的刻度為8 div8 div10div10div， 對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的最大幅度分別是對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)的最大幅度分別是 8V、

26、0.8V 、16mV 。 如果選擇的如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為1V，計(jì)算得到，計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的輸入電路的增益應(yīng)分別為對(duì)應(yīng)的輸入電路的增益應(yīng)分別為0.125、1.25、62.5。 垂直靈敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div前級(jí)增益前級(jí)增益0.1251.2562.5取取樣樣與與保保持持電電路路A A / / D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換與與存存儲(chǔ)儲(chǔ)控控 制制 電電路路顯顯示示部部分分輸輸入入電電路路觸觸發(fā)發(fā)電電路路T TP P 1 V /div檔檔: 0.125 1 1 = 0.125 0.1V/div檔檔: 1 1 1.25 = 1.25 2mV/div

27、檔檔: 1 8 7.8 = 125垂直靈敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div前級(jí)增益前級(jí)增益0.1251.2562.5 示波器通道放大器示波器通道放大器: : 每級(jí)放大器的放大倍數(shù)一般應(yīng)小于10；且每級(jí)放大器件應(yīng)具有足夠的增益帶寬積 第一級(jí)放大應(yīng)考慮低噪聲,后級(jí)放大應(yīng)具有足夠的壓擺率。例一、武漢大學(xué)方案例一、武漢大學(xué)方案A/D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換器選用MAX118：采樣速率為采樣速率為1MS/s，輸入電壓范圍為輸入電壓范圍為05V垂直垂直靈敏度靈敏度2 2 mV/divmV/div0.1 0.1 V/divV/div1 1 V/divV/div前級(jí)增益前級(jí)增益312.5312.5

28、6.256.250.6250.625312.5（兩級(jí)）（兩級(jí)）阻抗轉(zhuǎn)換阻抗轉(zhuǎn)換6.25.625 A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為05V，然而由輸入電路歸一化后送來(lái)的雙極牲信號(hào)最大幅度范圍為2.5V2.5V，為此應(yīng)在A/D轉(zhuǎn)換器之前加上一個(gè)電平變換電路，將輻度范國(guó)為2.5V2.5V 的信號(hào)變換為05V 之間。 例一、武漢大學(xué)方案例一、武漢大學(xué)方案表表4 0.1V/div4 0.1V/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度Fin(Vpp=0.4V)V實(shí)測(cè)（格數(shù)） 誤差10Hz401KHz40100KHz401MHz3.92.510MHz3.85 Fin(Vpp=16mV)V實(shí)測(cè)（格數(shù)） 誤差10Hz7.82.5

29、1KHz7.65100KHz7.47.51MHz4.68510MHz3.8105表表5 2mV/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度表表3 1V/div3 1V/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度 Fin(Vpp=4V)V實(shí)測(cè)(格數(shù)) 誤差10Hz401KHz40100KHz401MHz 4010MHz3.9 2.5 2 mV/div 2 mV/div 檔垂直靈敏檔垂直靈敏度的誤差超標(biāo)！度的誤差超標(biāo)！ 增益為增益為312312的放大器未的放大器未達(dá)預(yù)定指標(biāo)！達(dá)預(yù)定指標(biāo)！例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例二、解放軍信息工程大學(xué)方案A/D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換器選用AD7822輸入電壓范圍為輸入電壓范圍為 02V垂直靈

30、敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div前級(jí)增益前級(jí)增益0.252.5125 實(shí)際作品中，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為實(shí)際作品中，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為 0.1，1，50 ，然后通過(guò)微調(diào)，然后通過(guò)微調(diào)模擬示波器的垂直靈敏度來(lái)保證顯示模擬示波器的垂直靈敏度來(lái)保證顯示8格。格。？4.511運(yùn)放選用運(yùn)放選用OPA690 ：采樣速率為采樣速率為1MS/s，增益帶寬積為增益帶寬積為 500MHz 0.11阻抗轉(zhuǎn)換阻抗轉(zhuǎn)換 例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例二、解放軍信息工程大學(xué)方案垂直靈敏度1V/div，信號(hào)峰峰值VPP=5V頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差10Hz99.55ms0.4

31、5%5.000.00%100kHz9.67us3.30%5.010.20%50Hz20.08ms0.40%5.020.40%500kHz1.96us2.00%5.112.20%10kHz99.16us0.84%5.040.80%1MHz997.5ns0.25%5.061.20%50kHz20.01us0.05%5.020.40%10MHz98.75ns1.25%5.234.60%垂直靈敏度0.1V/div，信號(hào)峰峰值VPP=5mV頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差10Hz99.49ms0.51%0.500.00%100kHz9.67us3.30%0.512.00%50

32、Hz20.07ms0.35%0.512.00%500kHz1.96us2.00%0.512.00%10kHz99.14us0.86%0.512.00%1MHz995.0ns0.50%0.512.00%50kHz20.01us0.05%0.500.00%10MHz98.75ns1.25%0.500.00%例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例二、解放軍信息工程大學(xué)方案垂直靈敏度2mV/div，信號(hào)峰峰值VPP=10mV頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差頻率實(shí)測(cè)周期誤差實(shí)測(cè)Vpp誤差10Hz99.51ms0.49%10.131.30%100kHz9.67us3.30%10.040.40%50Hz20.07ms

33、0.35%10.030.30%500kHz1.96us2.00%10.040.40%10kHz99.16us0.84%9.871.30%1MHz997.5ns0.25%9.821.80%50kHz20.01us0.05%9.871.30%10MHz98.75ns1.25%9.673.30%短路噪聲噪聲峰峰值VPP=0.55mV結(jié)論：結(jié)論：1、所有量程的電壓測(cè)量誤差5%，系統(tǒng)模擬帶寬大于10MHz。2、示波器的垂直分辨率為7bit，未達(dá)預(yù)定指標(biāo)，相當(dāng)于使用了一只7位 A/D 轉(zhuǎn)換器五、賽況簡(jiǎn)要分析五、賽況簡(jiǎn)要分析 本題命題是在本題命題是在20012001年年“簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器”命命題的基礎(chǔ)上，