第8章数字示波器1

第8章数字存储示波器（2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概述8.1.1数字存储示波器的组成原理8.1.2数字存储示波器的主要技术指标1．最大取样速率：单位时间内完成的完整A／D转换的最高次数称仪器的最大取样速率，常以频率来表示。数字存储示波器在测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数(t／div)来推算。其推算公式为divtNf/式中：N——为每格的取样数;t／div——为扫描时间因数，即扫描一格所占用的时间。例：扫描时间因数为10µs/div，每格取样数为100时，此时的取样速率等于10MHz。••2．存储带宽：存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等于信号频率的2倍，便可重现原信号波形。实际上，为保证显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点，一般取4~10倍或更多。•3．分辨率：分辨率是反映存储信号波形细节的综合特性，它包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。垂直分辨率与A／D转换器的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级／div)、或百分数来表示。示波管平面是一个二维平面，—般屏幕上的坐标刻度为8×10div，如果采用8位A／D转换器(256级)，则仪器垂直分辨率表示为32级／div，或用百分数来表示为1/2560.39％。水平分辨率由存储器的容量来决定，常以屏幕每格合多少个取样点或以百分数来表示。如果采用容量为lK(1024个字节)的存储器，屏幕水平显格为10格，则仪器的水平分辨率为1024／10100点/div，或用百分数表示为l／l0240.1％。•4.存储容量：存储容量又称记录长度，它由采集存储器(主存储器)的最大存储容量来表示，常以字(word)为单位。存储容量与水平分辨率在数值上有互为倒数的关系。•5．读出速度：读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间)／div来表示。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：在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶段，其读出速度可以采取一个固定的速率，并不受取样速率的限制，因而可以获得清晰而稳定的波形。•2.数字存储示波器能长时间地保存信号：有些信号，如单次冲击波、放电现象等都是在短暂的一瞬间产生、在示波器的屏幕上一闪而过，很难观察。•3.先进的触发功能：数字存储示波器不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后的时间，这对材料强度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具。除此之外，数字存储示波器还可以向用户提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式，来实现多种触发功能，方便、准确地对电信号进行分析。•4．测量精度高：模拟示波器水平精度由锯齿波的线性度决定，故很难实现较高的时间精度，一般限制在3％-5％，而数字存储示波器由于使用晶振作高稳定时钟，有很高的测时精度，采用多位A／D转换器也使幅度测量精度大大提高。尤其是能够自动测量直接读数，有效地克服示波管对测量精度的影响，使大多数的数字存储示波器的测量精度优于1％。•5.很强的处理能力：这是由于数字存储示波器内含微处理器，因而能自动实现多种波形参数的测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、频率、峰-峰值等参数的测量与显示。能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行+，-，等运算处理。同时还能使仪器具有许多自动操作功能，例如自检与自校等功能，使仪器使用很方便。•6．数字信号的输入输出功能：所以可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算或分析处理。同时还可以通过GP—IB接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。8.2数字存储示波器的原理分析数字存储示波器按其工作原理可分为波形的取样与存储、波形的显示、波形的测量与波形的处理等几部分。对被测信号的波形进行特定的取样和存储是存储示波器最基础的工作。数字存储示波器的取样存储方式有实时取样和等效实时取样两种。•8.2.1实时取样存储方式基本概念：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A／D转换并存入存储器中。一、取样与A／D转换•若想把波形用数字方式存储起来，首先要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t／div控制电路原理图见图8—4所示。表8-2时基时钟分频Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q0编码时钟t/div*******0020MHz5us11111101FD1010us11111011FB520us11111001F9250us11110101F510.1ms11110011F30.50.2ms11110001F10.20.5ms11100101E50.11ms11100011E3502ms11100001E1205ms11000101C51010ms11000011C3520ms11000001C1250ms100001018510.1S10000011830.50.2S10000001810.20.5S00000101050.11S0000001103502S0000000101205S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A／D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。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中的数字序列Y1[n]中的每一数据右移一位(即除以2)，再将Y1[n]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Y2[n]右移一位，将Y2[n]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。•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(ΔU)以及时间差(Δt)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、ΔU和Δt的测量•智能数字示波器对波形上任意两点间的电位差(ΔU)和时间差(Δt)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。1．加亮标志法Δt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Δt，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Δt。2．加亮标志法ΔU测量原理在计算ΔU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。二两波形的“加”运算两波形的“加”运算是指把存放在不同页面中的波形数据对应相加。相加时，要求波形的扫描时间因数必须相同，否则无法表示相加后的时间。同时应注意两个页面的灵敏度也要相同，若灵敏度不同，应在运算之前把两页面的灵敏度给以调整或“对齐”，记下灵敏度调整系数。相加时，如有溢出还应能自动调整，使相加结果不超过255。灵敏度对齐程序的依据是表8-6所示的灵敏度与代码关系表。首先把A页面和B页面的灵敏度代码相减，若相减结果为零，则说明两页面的灵敏度相同不需要调整。若不为零，则应把相减的差值L(即灵敏度的差值)按2计算出调整系数，找出调整系数就可以开始调整了。调整的原则是向低灵敏度对齐，把灵敏度高的页面当做被调整页，先把高灵敏度的代码改为低灵敏度的代码，然后再把被调整页的每一单元的数都除以调整系数即可，当灵敏度“对齐”以后，便把两页面对应地址中的数相加，相加的结果放在B页面对应的地址中，若两个数相加有溢出，则把溢出标志码AAH存入E寄存器中，其流程图见图8-18所示。“加”运算程序完成后，应查询有无溢出标志码，若无，可以转至下一个程序，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。