數(shù)字示波器原理分析-精選課件

1、8.1 概述 8.2 數(shù)字存儲示波器的原理分析8.3 數(shù)字存儲示波器的設(shè)計第8章 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器是20世紀年代初發(fā)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現(xiàn)對模擬信號波形進行長期存儲并能利用機內(nèi)微處理器系統(tǒng)對存儲的信號做進一步的處理，例如對被測波形的頻率、幅值、前后沿時間、平均值等參數(shù)的自動測量以及多種復(fù)雜的處理。數(shù)字存儲示波器的出現(xiàn)使傳統(tǒng)示波器的功能發(fā)生了重大變革。 8.1.1 數(shù)字存儲示波器的組成原理8.1 概述典型的數(shù)字存儲示波器原理框圖如圖所示 8.1.2 數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標 定義：單位時間內(nèi)完成的完整 AD 轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。最大取樣速率主要由 AD

2、轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來決定。 最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號的能力愈強。 1 最大取樣速率 fmax數(shù)字存儲示波器在某個測量時刻的實際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時設(shè)定的掃描時間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為 （8.1） 式中 N每格的取樣數(shù)； t/div掃描時間因數(shù)，掃描一格所占用的時間。亦稱掃描速度，例如， 若某數(shù)字示波器的掃描時間因數(shù)設(shè)定為10s/div， 每格取樣數(shù)為100點，則此時的取樣速率等于10MHz。 很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對應(yīng)。若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100s/div，則其fmax為1GHz。存儲帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，

3、如果取樣速率大于或等于信號最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號波形。實際上，在數(shù)字存儲示波器的設(shè)計中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點， 一般一個周期取410點。 2 存儲帶寬 分辨率用于反映存儲信號波形細節(jié)的綜合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)，常以屏幕每格的分級數(shù) (級/div) 表示。水平分辨率由存儲器的容量來決定，常以屏幕每格含多少個取樣點（點/div）表示。示波管屏幕坐標的刻度一般為 810 div。若示波器采用8位 A/D 轉(zhuǎn)換器(256級)，則其垂直分辨率為32級/div，用百分數(shù)表示為 1/2560.39。若采用容

4、量為1KB的存儲器，則水平分辨率為 1 024/10100 點/div，或用百分數(shù)表示為 1/1 0240.1。3 分辨率 存儲容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲容量來表示，常以字（word）為單位。存儲容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲器的存儲容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存儲容量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲容量并非越大越好，由于儀器最高取樣速率的限制，若存儲容量選取不恰當(dāng)，往往會因時間窗口縮短而失去信號的重要成分，或者因時間窗口增大而使水平分辨率降低。 4 存儲容量 讀出速度是指將存儲的數(shù)據(jù)從存儲器中讀出的速度，常用(時間)/div表示。其

5、中，時間等于屏幕中每格內(nèi)對應(yīng)的存儲容量讀脈沖周期。使用時，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。5 讀出速度 8.1.2 數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標 (1) 數(shù)字存儲示波器在存儲工作階段，對快速信號采用較高的速率進行取樣與存儲，對慢速信號采用較低速率進行取樣與存儲，但在顯示工作階段，其讀出速度采取了一個固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲得清晰而穩(wěn)定的波形?？梢詿o閃爍地觀察頻率很低的信號，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，模擬示波器必須選擇帶寬很高的陰極射線示波管，這就使造價上升，并且顯示精度和穩(wěn)定性都較低。而數(shù)字存儲示波器采用

6、了一個固定的相對較低的速率顯示，從而可以使用低帶寬、高分辨率、高可靠性而低造價的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述問題。若采用彩色顯示,還可以很好地分辨各種信息. 數(shù)字存儲示波器與模擬示波器相比較有下述幾個特點。 (3) 具有先進的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲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間，這對材料強度、地震研究、生物機能實驗提供了有利的工具。除此之外，數(shù)字存儲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，來實現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、準確地對電信號進行分析。 (4) 測量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決定，

7、故很難實現(xiàn)較高的時間精度，一般限制在3%5%。而數(shù)字存儲示波器由于使用晶振作高穩(wěn)定時鐘，有很高的測時精度。采用多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測量精度大大提高。尤其是能夠自動測量直接讀數(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)字存儲示波器的測量精度優(yōu)于1%。 (2) 數(shù)字存儲示波器能長時間地保存信號。這種特性對觀察單次出現(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，很難觀察。數(shù)字存儲示波器問世以前，屏幕照相是“存儲”波形采取的主要方法。數(shù)字存儲示波器把波形以數(shù)字方式存儲起來，因而操作方便，且其存儲時間在理論上可以是無限長的。 (6)

8、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的數(shù)據(jù)送到計算機或其他外部設(shè)備,進行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算或分析處理。同時還可以通過GPIB 接口與計算機一起構(gòu)成強有力的自動測試系統(tǒng)。 (5) 具有很強的處理能力，這是由于數(shù)字存儲示波器內(nèi)含微處理器， 因而能自動實現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量與顯示，例如上升時間、下降時間、脈寬、頻率、峰峰值等參數(shù)的測量與顯示。能對波形實現(xiàn)多種復(fù)雜的處理，例如取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對兩波形進行加、減、乘等運算處理。同時還能使儀器具有許多自動操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器使用很方便。數(shù)字存儲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

9、因素的影響，數(shù)字存儲示波器目前還不能用于觀測頻率較高的信號。 8.2 數(shù)字存儲示波器的原理分析 波形的采集 波形的顯示 波形的測量 波形的處理 8.2.1 實時取樣方式的采集原理 8.2.2 等效時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)的測量與處理實時取樣等效時間取樣 8.2.1 實時取樣方式的采集原理 實時取樣是指對波形進行等時間間隔取樣，按照取樣先后的次序進行A/D轉(zhuǎn)換并存入存儲器中。 典型實時取樣方式的采集電路如圖。 本節(jié)重點分析：一、 取樣與A/D轉(zhuǎn)換二、 t/div 控制器 三、 寫地址計數(shù)器 四、 預(yù)置觸發(fā)功能 8.2.1 實時取樣方式的采集原理一、 取

10、樣與A/D轉(zhuǎn)換取樣即連續(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，在c點加入等間隔取樣脈沖，則對應(yīng)時間 tn(n1，2，3，) 取樣脈沖打開取樣門的瞬間，在b點就得到相應(yīng)的模擬量an(n1，2，3，)，這個模擬量an 就是取樣后得到的離散化的模擬量。 、取樣 8.2.1 實時取樣方式的采集原理、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換若把an中的每一個離散模擬量進行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H； a7 A/D01H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲器中， 就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字量的形式存儲起來 一、 取樣與A/D轉(zhuǎn)

11、換A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲帶寬以及垂直分辨率等多項指標。目前存儲示波器采用的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)換器相配合的形式等。并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可以做得較高，但價格也較貴，是數(shù)字存儲示波器采用最多的一種形式 。 8.2.1 實時取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div 控制器 掃描速度t/div控制器實際上是一個時基分頻器，用于控制A/D 轉(zhuǎn)換速率以及存儲器的寫入速度，它由一個準確度、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控制電路原理如圖 三、 寫地址計數(shù)器

12、寫地址計數(shù)器用來產(chǎn)生寫地址信號，它由二進制計數(shù)器組成，計數(shù)器的位數(shù)由存儲長度來決定。寫地址計數(shù)器的計數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時鐘的頻率相同。寫地址計數(shù)器原理圖如圖示。四、 預(yù)置觸發(fā)功能 預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負延遲觸發(fā)兩種情況。并且正負延遲及延遲時間都可以進行預(yù)置。 在數(shù)字存儲示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過控制存儲器的寫操作過程來實現(xiàn)。當(dāng)被測信號大于預(yù)置電平時，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號，于是存儲器就從零地址開始寫入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲容量為1024，則當(dāng)寫滿1 024個單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開始讀數(shù)據(jù)，則對應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號便是觸發(fā)點開始后的波形。 在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)

13、下，在正延遲時(即顯示延遲觸發(fā)點N個取樣點時間)，觸發(fā)信號到來后，存儲器不立即寫入數(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，示波器屏幕上顯示的信號便是觸發(fā)點之后N個取樣點的波形。這等效于示波器的時間窗口右移。在正延遲時四、 預(yù)置觸發(fā)功能 在負延遲時(即顯示超前觸發(fā)點N個取樣點時間)，觸發(fā)信號到來前， 存儲器信號便就一直處于01 023單元不斷循環(huán)寫入的過程中，當(dāng)寫滿1 024個單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫入。當(dāng)觸發(fā)信號到來后，使存儲器再寫入1 024 N個取樣點之后停止寫操作。顯示時，不是從零地址讀數(shù)據(jù)， 而是從停止寫操作時地址的下一個地址作為顯示首地址連續(xù)讀1 024個單元的

14、內(nèi)容。這樣，示波器屏幕上顯示的便是觸發(fā)點之前N次取樣點為起點的波形，這等于示波器的時間窗口左移。在負延遲時四、 預(yù)置觸發(fā)功能8.2.2 等效時間取樣方式的采集原理 實時取樣方式對觀測單次出現(xiàn)的信號非常有效， 是數(shù)字存儲示波器必須具備的取樣方式，但實時取樣方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀察和存儲信號的頻帶寬度受到了限制。 等效時間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的高頻信號變換成波形與其相似的周期性低頻信號，然后再做進一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。但等效時間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號。 一個典型的采用等效時間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-7所示。 步進系統(tǒng)在等

15、效時間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框圖如圖。靜態(tài)時，D觸發(fā)器的Q 端為高電平，VT11導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖到來時，D觸發(fā)器的Q 端變?yōu)榈碗娖?，VT11關(guān)閉，電容C充電形成斜波信號，VT11、VT12 組成的自舉電路用以保證斜波的線性。斜波信號加在比較器正端，階梯波加在比較器負端。當(dāng)斜波電壓上升超過比較器負端電平時，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)反相送給D，D復(fù)位Q 返回到高。每次取樣后，階梯波都會抬高一階，如此重復(fù)下去，就能在比較器輸出端得到一系列的步進延遲脈沖信號。綜上所述，通過改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到特定大小的步進延遲時間，從而使示波器的帶寬在很大范圍內(nèi)降低了對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速

16、率的要求。用等效時間取樣方式設(shè)計的數(shù)字存儲示波器，其帶寬可以較容易地達到1 000MHz，而且能較容易地把ps量級的脈沖波形存儲起來。但該方法要求被測信號必須是周期性信號。 由圖知，若階梯波的單位階梯電壓為UA，斜波信號的斜率為uF，則步進脈沖滯后觸發(fā)脈沖的步進時間t為t= UA uF (8.4)上式說明，t與階梯波電壓成正比，與斜波斜率成反比。8.2.3 波形的顯示 為適應(yīng)不同波形的觀測，數(shù)字存儲示波器具有多種靈活的顯示方式 一、 存儲顯示 存儲顯示是數(shù)字存儲示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是觸發(fā)后所存儲的一幀波形信號，即在一次觸發(fā)所完成的一幀信號數(shù)據(jù)采集之后，再通過控制存儲器的地址依次

17、將數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。 依照讀出方法的不同，又可分為: CPU控制方式 直接控制方式。 一、 存儲顯示 CPU 控制方式顯示過程：將存儲器中的數(shù)據(jù)按地址順序取出，送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還原為模擬量送至Y軸；與此同時，將地址按同樣順序送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為階梯波送至X軸。這樣就能把被測波形顯示在CRT屏幕上。設(shè)存儲波形時是以255個地址為一頁面 ，現(xiàn)通過下圖說明其原理。一、 存儲顯示 直接控制方式一方面，地址計數(shù)器在顯示時鐘的驅(qū)動下， 產(chǎn)生的連續(xù)地址信號依次將存儲器中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)地送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后將恢復(fù)的模擬量送至CRT的Y軸；另一方面， 地址計數(shù)器提供的地

18、址信號經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成階梯波送至CRT的X軸作同步的掃描信號。于是在CRT屏幕上便形成了被顯示的模擬波形。很顯然，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時鐘的速率，速度較快。 特點：數(shù)據(jù)傳輸不再經(jīng)過CPU，而直接對內(nèi)存進行讀/寫操作，因此速度快。顯示原理見圖。一、 存儲顯示 存儲顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示之分。在連續(xù)觸發(fā)顯示方式下，每滿足一次觸發(fā)條件，就完成一幀數(shù)據(jù)的取樣與存儲，同時，屏幕上原來的顯示波形就被新存儲的數(shù)據(jù)更新一次。單次觸發(fā)顯示只不斷顯示一次觸發(fā)而取樣與存儲的數(shù)據(jù)波形。CPU控制方式顯示的特點： 無論是Y軸還是X軸的數(shù)據(jù)，都必須通過CPU傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定的限制。

19、直接控制方式顯示的特點：直接在時鐘的驅(qū)動下對內(nèi)存進行讀/寫操作，不再經(jīng)過CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度僅取決于時鐘速率，而不是由軟件決定的，速度較快。 二、 雙蹤顯示 存儲時，為了使兩條波形保持原有的時間對應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲技術(shù)。即利用寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣電路輪流對兩通道輸入信號進行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲方式如圖所示。讀出時，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2n中每一個數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n中每一個數(shù)據(jù)的最高位保持

20、為零，便可達到兩通道信號分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 二、 雙蹤顯示 存儲時，為了使兩條波形保持原有的時間對應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲技術(shù)。即利用寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣電路輪流對兩通道輸入信號進行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲方式如圖所示。讀出時，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2n中每一個數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n中每一個數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達到兩通道信號分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式

21、使波形垂直分辨率降低了一倍。 三、 鎖存和半存顯示 鎖存顯示就是把一幅波形數(shù)據(jù)存入存儲器之后，只允許從存儲器中讀出數(shù)據(jù)進行顯示，不準新數(shù)據(jù)再寫入。半存顯示是指波形被存儲之后，允許存儲器奇數(shù)(或偶數(shù))地址中的內(nèi)容更新，但偶數(shù)(或奇數(shù))地址中的內(nèi)容保持不變。于是屏幕上便出現(xiàn)兩個波形，一個是已存儲的波形信號，另一個是實時測量的波形信號。這種顯示方法可以實現(xiàn)將現(xiàn)行波形與過去存儲下來的波形進行比較的功能。 四、 滾動顯示 滾動顯示的表現(xiàn)形式是：被測波形連續(xù)不斷地從屏幕右端進入，從屏幕左端移出。示波器猶如一臺圖形記錄儀，記錄筆在屏幕的右端，記錄紙由右向左移動，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欲研究的波形部分時，還可將波形存儲或固定

22、在屏幕上，以作細微的觀察與分析。滾動顯示方式的機理是：每當(dāng)采集到一個新的數(shù)據(jù)時，就把已存在存儲器中的所有數(shù)據(jù)都向前移動一個單元，即將第一個單元的數(shù)據(jù)沖掉，其他單元的內(nèi)容依次向前遞進，然后再在最后一個單元中存入新采集的數(shù)據(jù)。每寫入一個數(shù)據(jù)，就進行一次讀過程，讀出和寫入的內(nèi)容不斷更新，因而可以產(chǎn)生波形滾滾而來的滾動效果。滾動顯示主要適于緩慢變化的信號。 五、 點顯示與插值顯示 數(shù)字示波器屏幕顯示的波形一般是由一些密集的點構(gòu)成，通常稱點顯示。在點顯示情況下，當(dāng)被觀察的信號在一周期內(nèi)采樣點數(shù)較少時會引起視覺上的混淆現(xiàn)象，使觀察者很難辨認。一般認為當(dāng)采樣頻率低于被測信號頻率的2.5倍時，點顯示就會造成視

23、覺混淆。采用插值顯示可以克服視覺的混淆現(xiàn)象，同時又不降低帶寬指標。 如圖所示，當(dāng)采用點顯示方式顯示采樣點數(shù)較少的正弦波形時所造成的視覺混淆，以及采用插值顯示的效果。 所謂插值顯示，即在波形上兩個測試數(shù)據(jù)點間插入一個估值。數(shù)字示波器廣泛采用矢量插值法和正弦插值法兩種方式。矢量插值法是用斜率不同的直線段來連接相鄰的點。正弦插值法是以正弦規(guī)律，用曲線連接各數(shù)據(jù)點的顯示方式，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。 對每周期采樣點數(shù)較少的正弦波，采用正弦插值處理會得到滿意的顯示效果，如圖81示。同樣，對脈沖信號采用矢量插值法會得到較滿意的效果，若選用正弦插值處理會在信號的前沿造成尖頭狀失真，如圖815示。五、

24、點顯示與插值顯示 幾乎所有微機化的數(shù)字示波器都充分地利用內(nèi)部微處理器系統(tǒng)以及A/D 轉(zhuǎn)換器等硬件，構(gòu)成多種測量及數(shù)據(jù)處理能力，使數(shù)字示波器成為一臺功能很強大的測量儀器。數(shù)字示波器的測量及處理功能包括：波形上任意兩點間的電位差（U）以及時間差（t）的測量、波形的前后沿時間測量、峰-峰值測量、有效值測量、頻率測量、顯示波形平均值處理、兩波形的加、減、乘運算、波形的頻譜分析等。8.2.4 波形參數(shù)的測量與處理 本節(jié)以U與t測量、兩波形相加處理為代表，討論波形參數(shù)的測量與處理的一般原理及方法。一、 U 、t 的測量 波形上任意兩點間的電位差(U)和時間差(t)的測量 一般采用加亮標志法或光標標志法。加

25、亮標志法是將欲測量的波形段加亮進行標志，而光標標志法是通過設(shè)置兩條水平光標線或兩條垂直光標線對波形被測部分進行標志。波形加亮部分的起點和終點，或者光標線的位置，可通過面板相應(yīng)按鍵的控制下作步進式的移動，波形加亮部分的起點和終點或光標線與波形的交點，對應(yīng)于信號存儲器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置不同的測量項目時，儀器即可在測量程序控制下實現(xiàn)不同的測量目的，并將測量結(jié)果直接顯示在CRT上。為了測量U、t的大小， 通常應(yīng)將掃描時間因數(shù) (t/div) 和靈敏度(m/div)分擋編成代碼，并與波形代碼一起存入存儲器，如表83和表84所示。 表8-3為掃描時間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時間因數(shù)都用相應(yīng)的代碼表示，

26、當(dāng)掃描時間因數(shù)總數(shù)為30擋時，用5位二進制代碼即可。 表8-4為靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)靈敏度總數(shù)為6擋時，用3位二進制代碼來表示6擋靈敏度。 最后，再把代表掃描時間因數(shù)的5位二進制代碼放在一個字節(jié)的高5位，代表靈敏度的3位二進制代碼放在同一字節(jié)的低3位，并在每次存儲一頁波形數(shù)據(jù)時，把這一字節(jié)內(nèi)容也存放在同一頁面的某個單元（例如0號單元）。1 加亮標志法t 測量原理 設(shè)波形由255個點組成，當(dāng)掃描時間因數(shù)確定之后，每兩點之間的步進時間Tstep便是確定的。若想測量波形某一部分的時間t，只需把這一部分加亮，把加亮部分的點數(shù)求出來，用點數(shù)乘以步進時間Tstep即可求出t

27、。 求解t 的步驟： 1、根據(jù)掃描時間因數(shù)確定步進時間Tstep； 2、求出測量波形（加亮部分）的點數(shù)； 3、 t = 點數(shù)Tstep。步進時間Tstep是隨不同的掃描時間而變的，此時只要把存放在波形頁面中0號地址的內(nèi)容取出來，根據(jù)它的高5位代碼就可以確定步進時間及單位。 圖8-16 波形加亮及控制流程 圖中，端口“I/O”為控制加亮輸入口，端口“I/O，Z”為控制加亮輸出口。其中“I/O”口的U0鍵和U1鍵分別對應(yīng)波形加亮部分的起點和終點，并定義D1為1表示要改變U1的位置，D2為1表示要改變U0的位置，究竟作如何改變(進或者退)則由進/退鍵來決定，定義D0為1時進，D1為0時退。在存儲階段

28、，在CPU兩次取樣之間訪問I/O口，若D1為1，則B寄存器加 1(若同時D0為1)或者減1(若同時D0為0); 若D2為1，則C寄存器加1(若同時D0為1)或者減 1(若同時D0為0)，使寄存器B和C分別寄存加亮部分起點和終點的地址。在顯示波形時，不斷地讓信號存儲器的地址計數(shù)器(L寄存器)與C寄存器比較，當(dāng)LC時，則使“I/O，Z”口的D0置1， 它與加亮信號組合起來就產(chǎn)生了在波形上加亮的效果。同樣若LB，則使“I/O，Z”口的D0置0，這就是加亮的結(jié)束。這樣，通過按動U0鍵、U1鍵和進退鍵，便可產(chǎn)生使波形加亮部分變寬、變窄以及左右移動的效果。于是，可以得到加亮待測波形部分的時間T(B-C)

29、Tstep，式中的(B-C)即為加亮標志間的點數(shù)。二、 兩波形的“加”運算 兩波形的“加”運算是指把存放在不同頁面中的波形數(shù)據(jù)對應(yīng)相加。相加時，要求波形的掃描時間因數(shù)必須相同，否則無法表示相加后的時間； 應(yīng)注意兩個頁面的靈敏度要相同，若靈敏度不同，應(yīng)在運算之前把兩頁面的靈敏度給以調(diào)整或“對齊”， 記下靈敏度調(diào)整系數(shù)。相加時，如有溢出還應(yīng)能自動調(diào)整，使每兩點相加結(jié)果不超過255。 靈敏度對齊程序的依據(jù)是表86所示的靈敏度與代碼關(guān)系表。首先把A、B頁面的靈敏度代碼相減，若結(jié)果為零，說明兩頁面的靈敏度相同不需要調(diào)整。若不為零，應(yīng)把相減的差值 L（即靈敏度的差值）按2L計算出調(diào)整系數(shù)，然后進行調(diào)整。調(diào)

30、整原則是：向低靈敏度對齊，即把靈敏度高的頁面做被調(diào)整頁，將其代碼改為低靈敏度代碼，再把被調(diào)整頁每一單元的數(shù)都除以調(diào)整系數(shù)。當(dāng)靈敏度“對齊”以后，便把兩頁面對應(yīng)地址中的數(shù)相加，相加的結(jié)果放在B 頁面對應(yīng)的地址中。若兩個數(shù)相加有溢出，則把溢出標志碼AAH存入E寄存器中， 二、 兩波形的“加”運算“加”運算流程 8.3 數(shù)字存儲示波器的設(shè)計 8.3.1 簡易數(shù)字存儲示波器的設(shè)計 設(shè)計并制作一臺用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字存儲示波器，示意圖如下： 考慮到電子競賽的特點，將示波器被測信號的最高頻率分量（存儲帶寬）限定在50kHz，其顯示部分用模擬示波器（XY工作方式）來替代。(1) 具有連續(xù)觸發(fā)和

31、單次觸發(fā)兩種存儲顯示方式。在連續(xù)觸發(fā)存儲顯示方式中，儀器能連續(xù)對信號進行采集、存儲并實時顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲當(dāng)前波形）功能。在單次觸發(fā)存儲顯示方式下，每按動一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時，能對被測周期信號或單次非周期信號進行一次采集與存儲，然后連續(xù)顯示采集的波形。(2) 器垂直分辨率為32級/div，水平分辨率為20點/div(設(shè)示波器顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為8div)，輸入阻抗大于100k。(3) 頻率范圍為DC50kHz，最少設(shè)置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三擋掃描速度，其誤差5%；最少設(shè)置1V/div、0.1V/div、0

32、.01V/div三擋垂直靈敏度，其誤差5%。(4) 儀器觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。(5) 具有雙蹤示波功能，能同時顯示兩路被測信號波形。(6) 具有水平移動擴展顯示功能，要求將存儲深度增加一倍，并且能通過操作“移動”鍵顯示被存儲信號波形的任一部分。(7) 其他，例如具有量程自動調(diào)節(jié)(Autoscale)功能、頻譜分析功能等。要求達到的功能和技術(shù)指標： 8.3.1 簡易數(shù)字存儲示波器的設(shè)計 一、技術(shù)指標分析及總體方案的制定 設(shè)計要求存儲示波器具有單次觸發(fā)功能，能對單次出現(xiàn)的信號進行測量，非實時的等效時間取樣方式無能為力；另一方面，本題要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率僅為2M

33、Hz，因此，本設(shè)計選用實時取樣方式。 1. 取樣方式的選擇本題要求示波器垂直分辨率為32級/div，而顯示屏的垂直刻度為8div，因而要求A/D轉(zhuǎn)換器能分辨328256級，應(yīng)選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器。本題要求示波器的最快掃描速度為20s/div，水平分辨率為20點/div，因而A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為1MHz。若考慮雙蹤輸入情況，A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)選擇在2MHz以上。根據(jù)上述分析，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)選擇最高轉(zhuǎn)換速率為2MHz以上的8位A/D轉(zhuǎn)換器，例如CA 3308、TLC 5510等。 2. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇 8.3.1 簡易數(shù)字存儲示波器的設(shè)計 一、技術(shù)指標分析及總體方案的制定 本

34、題要求水平分辨率為20點/div，而顯示屏水平刻度為10div，因而滿屏掃描顯示需2010200點?？紤]雙蹤示波功能，存儲深度應(yīng)增加到400點，若再考慮水平移動擴展顯示功能的需要，可考慮選擇容量為1KB以上的存儲器。數(shù)字存儲示波器工作的一個重要特點是要求數(shù)據(jù)的寫入與讀出能同時進行，這就存在一個共享RAM的問題?？梢钥紤]采用如下兩種方案：(1) 采用一般的RAM并設(shè)計相應(yīng)的外圍控制電路，使數(shù)據(jù)的寫入與讀出分時使用同一套總線。(2)采用具有兩套總線的雙口RAM器件。根據(jù)上述分析，本設(shè)計的存儲器擬選擇雙口RAM器件，例如選擇容量為2KB的雙口RAM器件IDT 7132。 3. 存儲器的選擇由于存儲示

35、波器一般采樣速率較高(本題要求最高采樣速率不小于2MHz)，控制的實時性較強，并且采集與存儲要求保持嚴格的同步，因此采用普通單片機直接控制很難勝任。本設(shè)計采用了 “CPLD單片機”的兩層控制方案，底層控制由CPLD或普通IC為核心的高速邏輯控制電路，實現(xiàn)對系統(tǒng)實時控制和高速的數(shù)據(jù)采集、存儲與傳輸；頂層由單片機實現(xiàn)人機交互、數(shù)據(jù)處理等項工作。這種控制方案使單片機和高速邏輯器件揚長避短地有效地結(jié)合在一起。4. 控制方案的確定 二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計 輸入電路主要作用是將輸入信號的幅度調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓范圍內(nèi)。題目要求垂直靈敏度擋位范圍在0.01V/div1V/div之間，示波器顯示屏的

36、垂直刻度為8div，則對應(yīng)被測信號電壓幅度的范圍應(yīng)在0.08V8V之間。如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為2V，則計算得到對應(yīng)的輸入電路的衰減放大系數(shù)的范圍應(yīng)為0.2525。若考慮Autoscale功能的要求，則應(yīng)按125分配原則設(shè)置7擋垂直靈敏度的量程（覆蓋題目要求的3擋量程）。不同垂直靈敏度（V/div擋）與對應(yīng)的衰減放大系數(shù)的關(guān)系如表所示。 1. 輸入電路的分析與設(shè)計很顯然，輸入電路應(yīng)是一個寬帶的數(shù)控衰減放大電路。根據(jù)表8-7提供的數(shù)據(jù)，輸入電路可以由二擋量程的程控衰減器(1、0.1)和四擋量程的程控放大器(2.5、5、12.5、25)組合而成，或者采用具有7擋量程的程控衰減器和放

37、大倍數(shù)固定為25的放大器組成等方案。 垂直靈敏度(V/div) 10mV 20mV 50mV 0.1V 0.2V 0.5V 1V 衰減放大系數(shù) 25 12.5 5 2.5 1.25 0.5 0. 25二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計 1. 輸入電路的分析與設(shè)計 本題要求儀器輸入帶寬不小于50kHz，選用集成運放LF356(GBW為5MHz)；實際輸入電路設(shè)計還要考慮雙蹤輸入，單雙蹤控制由多路選擇器IC6完成，當(dāng)P1.1為高電平時，儀器為雙蹤示波功能；主放大器IC3是根據(jù)表8-7設(shè)計的具有七擋量程的程控放大器，通過控制模擬選擇開關(guān)IC7實現(xiàn)垂直靈敏度的選擇；IC4組成電平移位電路，以使輸入信號的電平移位

38、到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的02V范圍內(nèi)。 （典型的輸入電路設(shè)計方案舉例）2. 采樣與存儲控制電路的設(shè)計 存儲示波器的采樣與存儲控制電路一般由時鐘、t/div控制器、寫地址計數(shù)器、RAM讀/寫控制等組成，圖822給出了能滿足本設(shè)計要求的采樣與存儲控制電路原理簡要框圖。 輸入信號經(jīng)輸入電路分送至A/D轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)電路。控制電路一旦接到來自觸發(fā)電路的觸發(fā)信號，就啟動一次數(shù)據(jù)采集及RAM寫入過程：一方面，“t/div”控制器產(chǎn)生一個對應(yīng)控制轉(zhuǎn)換速率的采集信號，使A/D轉(zhuǎn)換器按設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率對輸入信號進行采集；另一方面，使寫地址計數(shù)器按順序遞增，以選通RAM中對應(yīng)的存儲單元。為了保證下一個數(shù)據(jù)能可靠寫入到對

39、應(yīng)的存儲單元中，應(yīng)安排在時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到存儲器，在其下降沿將地址計數(shù)器加1。一旦200個存儲單元寫滿，就完成了一個寫入循環(huán)。 2. 采樣與存儲控制電路的設(shè)計 t /div 控制器用于控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和對應(yīng)的存儲器的寫入地址，它是采集與存儲控制電路的核心。t /div 控制器實際上是一個時基分頻器，題目要求掃描速度范圍在0.2s/div20s/div之間，水平分辨率為20點/div，則根據(jù)式(8.1)進行推算，得A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的范圍在100Hz1MHz之間。若考慮Autoscale功能的要求，應(yīng)按1-2-5分配原則設(shè)置13擋掃描速度量程。經(jīng)計算得到不同 t/div 擋

40、與對應(yīng)轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系如表所示。3. 波形顯示電路的設(shè)計 波形顯示控制電路一般由時鐘、讀地址計數(shù)器、RAM讀控制等部分組成，用以控制雙口RAM的一組地址和控制總線。波形顯示控制電路和采集與存儲控制電路在邏輯關(guān)系上是可以分離的，但在設(shè)計中兩者可以設(shè)計在同一可編程邏輯器件中。 數(shù)字存儲示波器區(qū)別于模擬示波器的一個重要方面是，波形的顯示與波形的采集和存儲在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù)以何種速度寫入到存儲器中，存儲器中存儲的數(shù)據(jù)均以固定的速度讀出，因而可以得到清晰而穩(wěn)定的波形。這樣我們就可以無閃爍地觀察極慢信號，同時也可以穩(wěn)定地顯示很高頻率的信號。這是模擬示波器所不能及的。3. 波形顯示電路的設(shè)計 簡易數(shù)

41、字存儲示波器的控制電路如圖所示。圖中，讀地址計數(shù)器一方面提供連續(xù)的RAM讀地址，依次將存儲器中的波形數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號() ，然后送至示波器CRT的Y軸；另一方面，提供的地址信號也同時經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸做同步的掃描信號() 。很顯然，由于()和() 信號都來源于同一地址發(fā)生器，因而在顯示屏上形成的波形非常穩(wěn)定。 三、 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 在數(shù)字存儲示波器軟件的作用除表現(xiàn)在底層控制和人機界面的控制外，更重要的是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方面。這是因為被測信號已按預(yù)定的速率取樣、量化并存儲在儀器中，因而通過軟件可以很自如地對這些數(shù)據(jù)進行各種處理，從而擴展出許多儀器功能

42、。例如基于幅度和頻率測量算法的自動測試功能基于幅度和頻率測量算法的自動測試功能： 這類算法的主要思想是：通過查找存儲在RAM中波形數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及過零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計算出信號的頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。這里特別要說明Autoscale功能，由于儀器已具備測頻和測幅的功能，所以儀器就能根據(jù)已經(jīng)測得的信號頻率和幅度，計算并設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號波形能自動地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能實際上是一個二維的自動量程轉(zhuǎn)換功能。 8.3.2 等效時間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計 本節(jié)擬通過對探地雷達回波信號數(shù)據(jù)采集、存儲及回波顯示系統(tǒng)

43、的分析，討論基于等效時間取樣方式的數(shù)字存儲示波器的設(shè)計方法。探地雷達的回波信號有兩個特點：一是回波信號的最高頻率分量高達GHz量級，這就對A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的要求；二是信號幅度變化的動態(tài)范圍很大，要求采用1416位A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實時取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，無論從技術(shù)條件還是從價格上都是困難的。所幸的是，探地雷達回波信號在一定的時間內(nèi)(ms級)，可以認為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號。因此，該系統(tǒng)采用等效時間取樣方案是非常合適的。 擬定的探地雷達回波信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。系統(tǒng)采用了“CPLD單片機PC機”三層控制方案。 底層控制由以CPLD

44、為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制高速數(shù)據(jù)采集、存儲和傳輸?shù)倪^程；中層控制由單片機組成，一方面接收并執(zhí)行由PC機發(fā)送的控制命令，實施對底層控制器的控制，同時將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出并迅速上傳至PC機；上層控制由便攜式PC機完成，一方面為用戶提供一個操作窗口，完成對儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實時接收單片機上傳的回波信號數(shù)據(jù)，并進行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示波形。 系統(tǒng)的時基電路按照PC機的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號，該信號一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的ns級寬度的窄脈沖電磁波信號；電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號，這些回

45、波信號由接收天線接收后經(jīng)過低噪放大，送往取樣門電路；時基電路送出的觸發(fā)脈沖信號也同時送給步進脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進脈沖信號，步進脈沖信號經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門電路對回波信號進行取樣；取樣后的回波信號經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號，然后再將該信號進行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)FIFO存儲器的緩沖，傳輸?shù)絇C機進行后處理及顯示；為保證存儲數(shù)據(jù)向PC機傳輸?shù)乃俣?，單片機與PC機接口采用USB總線。系統(tǒng)的工作流程如下本節(jié)側(cè)重分析步進系統(tǒng)及步進控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、存儲及高速傳輸電路三部分的原理。 一、步進脈沖系統(tǒng)及步進控制電路 功能：產(chǎn)生驅(qū)動取樣門電路取樣的取樣脈沖信號和啟

46、動A/D轉(zhuǎn)換的步進脈沖信號。本例設(shè)計的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進脈沖的最小步進時間達到0.1ns。 步進脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組成，原理見8.2.2節(jié)的介紹 。本例設(shè)計的系統(tǒng)采用了美國數(shù)字可編程延時發(fā)生器AD 9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器等電路，而且還內(nèi)置了D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時只需要提供外部觸發(fā)信號以及控制步進延時的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進延時達10ps的步進脈沖信號。若使用可編程邏輯器件實現(xiàn)對AD 9500的控制，則整個步進系統(tǒng)的電路將會大幅度簡化，使系統(tǒng)的可靠性進一步增強。 AD 9500是8位數(shù)字可編程延時發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時圖如圖所示。 AD 9500的核心部件線性斜波發(fā)生器由差分模擬輸入級、定時控制電路、基準電流、外接電容CEXT和外接電阻RSET等組成。從觸發(fā)到