1、第8章 数字存储示波器 （4学时）,本章主要内容 数字存储示波器的基本组成 数字存储示波器的原理分析 数字存储示波器的设计举例,8.1 示波器的基本概念,什么是示波器 波和波形 示波器技术的发展,什么是示波器,示波器是形象地显示信号随时间变化波形地仪器，是一种综合的信号特性测试仪，是电子测量仪器的基本种类。 示波器的用途： 电压表，电流表，功率计、频率计，相位计 脉冲特性，阻尼振荡 示波器的应用： 电子，电力，电工 压力，振动，声，光，热，磁 以示波器为基础的仪器： 逻辑分析仪，时域反射仪，晶体管特性测试仪，心电图。,示波器的主要功能是：精确地再现时间和电压幅度的函数波形。用它可以即时地观察电
2、压幅度相对时间的变化情况，从而获得波形的质量信息，如幅度和频率，波形，不同波形的时间和相位的关系 在概念上，模拟示波器和数字示波器的测量的目标是相同的，而在实际结构上它们的内部采用的技术不同，所以它们的表现形式并不相同。 数字示波器的蓬勃发展与模拟示波器的逐渐消亡将成为历史的必然趋势。数字技术的发展赋予示波器更多波形捕获能力，更多的数学运算功能，它可以是一台具有波形显示的功率计，可以进行波形参数分析，它还能存储各种波形以及相关的信息,什么是波,随时间变化的模式称为波，声波、脑电波、海浪、电压波形都是波 波形能够揭示信号的许多特性 当看到波形的高度变化，则表示电压值在变化 当看到的是平坦的水平线
3、，则表示在一段时间内，信号没有变化。 平直斜线表示线性变化，电压以恒定的斜率上升或下降。 波形中的尖角指示的是突然的变更,波的类型,大多数波都属于如下类型： 正弦波 方波和矩形波 三角波和锯齿波 阶跃波和脉冲波 噪声波 复杂波 还有很多波是上述波形的组合,波的参数,周期 频率 正脉冲宽度 负脉冲宽度 上升时间 下降时间 幅度 占空比 占空比 延迟 相位,突发宽度 峰-峰值 均值 周期均值 高 低值 最小值 最大值 过冲 过冲 均方值 周期均方,示波器的类型,模拟示波器 模数混合示波器 数字示波器 数字荧光示波器 取样示波器,示波器的典型结构,ART,DSO,DPO,放大器,水平 放大器,垂直
4、放大器,延迟线,触发,放大器,多路 分解器,采集信号 存储器,uP,显示 存储器,A/D,放大器,数字 荧光器,A/D,uP,模拟实时 显示,串行 处理,并行 处理,示波器的刻度,水平刻度,垂直刻度,触发电平,刻度格线,8.1.1 数字存储示波器的组成原理,水平系统 垂直系统 扫描系统 触发系统 显示系统,普通示波器的组成,8.1.2 数字存储示波器的主要技术指标,1最大取样速率 2带宽 3分辨率 4. 存储容量 5读出速度,8.1.3 数字存储示波器的特点,1. 对波形的采样和存储与显示可以分离 2. 数字存储示波器能长时间地保存信号 3. 先进的触发功能 4测量精度高 5. 很强的处理能力
5、 6数字信号的输入输出功能,8.2 数字存储示波器的原理分析,波形的取样与存储 波形的显示 波形的测量 波形的处理,8.2.1 实时取样原理存储方式,基本概念：实时取样存储是指对波形进行等时间间隔取样，然后再按照取样先后的次序进行AD转换并存入存储器中。 数字实时(Real-Time)采样(DRT),实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽45倍或更高。 每通道都有同样的表现，单一频带宽，重复带宽单次带宽 不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的有效方法。,采样,采样是等间隔地进行； 采样率以 “点/秒”来表示。,采样时发生了什么？,采样过程,信号,
6、采样,数字化,存储,采样保持,转换成为数据,顺序存储,屏幕显示选定,部分的内存,屏 幕,10111001 11110101 . . .,1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 1 ,只需一次触发已采集信号所有资料,实时采样是最直观的采样方式，采样率超过模拟带宽45倍或更高。重复带宽单次带宽不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的有效方法。,数字实时采样技术,单次采样带宽也就是我们常说的实时带宽，它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定，因此它决定了所构建的单次波形的完整性 。波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法。,对于单次事
7、件，示波器必须具有足够的采样速率用以恢复单次捕捉所获得的波形。奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍从而保证信号在恢复时不发生混迭现象。,单次采集带宽,泰克公司数字实时采样技术轻易地捕捉到5ns的毛刺,最小水平时基为100ns，即未能对单次毛刺进行捕捉,采样率对单次信号的捕获的影响,欠幅脉冲捕捉,毛刺捕捉,实际工作中，比如：冲击电流、破坏性试验的捕捉和测量，对欠幅脉冲、单脉冲、毛刺、电源中断、电压击穿、开关特性等等瞬态信号和非重复信号进行捕捉和分析，这些都是每天都要面对的。 （稳态和瞬态的分析）,单次信号的捕获应用广泛,一、取样与AD转换,若想把波形用数字方式存储起来，首先要
8、解决模拟波形离散化的问题。连续波形的离散化是通过取样的方法来完成，其原理可用图8-3所示,二、扫描时间因数t/div控制器,扫描时间因数t/div控制器实际上是一个时基分频器，用于控制A/D转换采样速率以及存储器的写入速度，它应由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合电路组成。一个典型的tdiv控制电路原理图见图84所示。,表8-2 时基时钟分频,三、写地址计数器,写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器的计数频率应该与控制AD转换器的取样时钟的频率相同。写地址计数器原理图见图8-5所示。,四、预置触发器,预置触发功能
9、含正延迟触发和负延迟触发两种情况。在数字存储示波器中可以通过控制存储器的写操作过程来实现，并且正负延迟及延迟时间都可以进行预置。,8.2.3 等效实时取样存储方式,等效实时取样存储方式是先将周期性的高速信号经过取样变成波形与之形状相似的周期性低频信号，然后再作进一步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。,数字等效采样与实时采样比较,采样间隔,8.2.3 波形的显示,一、存储显示显示波形是由一次触发捕捉到的信号片断，即在一次触发形成并完成信号数据存储之后，通过控制存储器的地址依次将数据读出，再经D/A转换稳定地显示在CRT上。 1. CPU控制方式的显示过程是将存储器中的数据按地址顺序取
10、出，经输出指令送到D/A转换器转换，还原为模拟量送至Y铀；将地址按同样顺序送出，经D/A转换器转换为阶梯波送至 CRT的X轴，就能把被测波形显示在CRT屏幕上。如图 8-10和图8-11所示。 2. 直接控制方式的数据传送不经过CPU而直接对内存进行输入输出操作，如图 8-12所示。,二、双踪显示,双踪显示与存储方式密切相关：存储时，为了使两条复现的波形在时间上保持原有的对应关系，常采用交替存储技术。可以利用写地址的最低位A0来控制通道开关，使取样和A/D转换电路轮流对两通道输入信号进行取样和转换，其存储方式见图8-13所示。,两个通道信号的波形分别显示于显示屏幕的上半部和下半部,将存入存储器
11、中的数字序列Y1n中的每一数据右移一位(即除以2)，再将Y1n中的每一个数据的最高位MSB置“1”。 将存入存储器中的数字序列Y2n右移一位，将Y2n中的每一个数据的最高位MSB保持 “0”。可达到两通道信号分区域显示的效果。但这种处理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。,三、锁存和半存显示,锁存显示就是把一幅波形数据存入存储器之后，只允许从存储器中读出数据进行显示，不准新数据再写入。半存显示是指波形被存储之后，允许存储器奇数(或偶数)地址中的内容更新，但偶数(或奇数)地址中的内容保持不变。于是屏幕上便出现两个波形，一个是已存储的波形信号，另一个是实时测量的波形信号。这种显示方法可以实现将现行波形
12、与过去存储下来的波形进行比较的功能。,四、滚动显示,被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。 每当采集到一个新的数据时，就把已存在存储器中的所有数据都向前移动一个单元，即将第一个单元的数据冲掉，其他单元的内容依次向前递进，然后再在最后一个单元中存入新采集的数据。每写入一个数据，就进行一次读过程，读出和写入的内容不断更新，因而可以产生波形滚滚而来的滚动效果。,五、差值显示,所谓差值显示，即在波形上两个测试点数据间进行估值。数字示波器广泛采用矢量插值法和正弦插值法两种方式。 矢量插值法是用斜率不同的直线段来连接相邻的点，当被测信号频率为采样信号频率的1/10以下时，采用矢量插值效果好。
13、正弦插值法是以正弦规律，用曲线连接各数据点的显示方式，它能显示频率为采样频率1/2.5以下的被测波形，如图8-15所示。,8.2.4 波形参数的测量与处理,数字示波器的测量及处理功能包括：波形上任意两点间的电位差(U)以及时间差(t)测量、波形的前后沿时间测量、峰-峰值测量、有效值测量、频率测量、现实波形的平均值处理、两波形的+，-，运算、波形的频谱分析等。,一、U和t的测量,智能数字示波器对波形上任意两点间的电位差(U)和时间差(t)的测量，一般采用加亮标志法或光标测量法。加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光标测量法是通过设置两条水平光标线或两条垂直光标线对波形被测部分进行标志。,
14、1加亮标志法t测量原理设扫描线由255个点组成，当扫描时间因数确定之后，每两点之间的步进时间T便是确定的。若想测量波形某一部分的时间t，只需把这一部分加亮，把加亮部分的点数求出来，再用点数乘以步进时间T即可求出t。 2加亮标志法U测量原理在计算U的处理程序中，把存放U的B寄存器中的数作为地址，从该地址中取出数据放在D寄存器中，把存放U的C寄存器中的数当作地址，从该寄存器中取出数据放在E寄存器中，此时加亮波形起点与终点的相对幅度之差为U=|E-D|*S。式中S为灵敏度 。 3字符的显示字符显示一般采用点阵法来实现。,两波形的“加”运算是指把存放在不同页面中的波形数据对应相加。要求波形的扫描时间因数、灵敏度必须相同。相加时，如有溢出还应能自动调整，使相加结果不超过255。 应查询有无溢出标志码，若有，则应进行溢出调整。溢出调整程序是把A页回和B页面对应地址中的数都除以2，然后把灵敏度代码加1(即灵敏度降低一挡)，调整完后再进行相加。,二 两波形的“加”运算,总 结,一、数字示波器基本组成 二、主要技术指标及特点 三、原理分析采样原理、 波形显示、参数测量课 后 作 业 P265页：8.1；8.2；8.3,
