DSO基础知识介绍20191026

DSO基础知识介绍自动化工程学院测试计量技术研究所优利德—电子科大测试仪器研发中心主讲人：杨扩军2019年10月26日2教研室基本情况优利德-电子科大测试仪器研发中心3教研室简介项目组从上世纪90年代初开始，针对在宽带时域测量技术及数字示波器方向展开深入研究，相继承担了国家部委和企业的20多项课题，科研经费近5000万元。历史项目名称项目类别经费（万）负责人起止时间高速数字采集与波形存储技术总装预研300王厚军2019-2019大规模并行采样及宽带数字存储示波器国家自然基金（重点）110王厚军2019-2019优利德系列化数字存储示波器横向2300王厚军2019-201920G采样率宽带数字三维示波器军工型号350王厚军2019-20192.5G示波表军工型号240王厚军2009-20196G示波器军工型号380王厚军2019-20194教研室简介在国内数字存储示波器行业处于领先水平从事数字存储示波器的研究与设计已有12年5教研室简介开始研制手持式数字存储示波表2019年2019年2019年2019年2019年2019年2019年2019年第一台25MHz数字存储示波表研制成功与江苏科泰合作开发100MHz数字存储示波器完成100MHz数字存储示波器的研制，同时开始与江苏绿扬合作开发200MHz手持式数字存储示波表与香港优利德科技集团公司合作，迎来了发展的重要契机推出第一台优利德示波器产品，第一年便实现销售1万台的纪录制定数字存储示波器国家标准推出全国首台数字三维示波器及采样率为6GSPS，模拟带宽为1GHz的高性能数字存储示波器2019年将推出全国首台采样率为20GSPS，模拟带宽为2.5GHz的高性能数字存储示波器66G数字示波器数字三维示波器国内首家推出号称第三代示波器技术的——数字三维示波器，核心指标性能同国外主流产品相当。推出的6GSPS数字存储示波器，采样率指标居国内最高水平。示波器研究历史和水平——标志性成果7什么是示波器？示波器是形象地显示信号幅度随时间变化的波形显示仪器，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8示波器的类型及区别模拟示波器：ART数字存储示波器：DSO数字荧光示波器：DPO模拟数字混合示波器：MSO9示波器的类型及区别10示波器的类型及区别11DSO的典型构成模拟通道1模拟通道2A/D采样时钟电路触发电路FPGA存储器DSPSDRAM,FLASH等系统组件CH2CH112DSO各个部分的主要作用模拟通道：对外界输入信号进行调理，使其幅度进入ADC输入范围之内模拟通道1模拟通道2A/D采样时钟电路触发电路FPGA存储器DSPSDRAM,FLASH等系统组件CH2CH113DSO各个部分的主要作用ADC（模数转换器）：对模拟信号进行量化，将其转换为数字信号模拟通道1模拟通道2A/D采样时钟电路触发电路FPGA存储器DSPSDRAM,FLASH等系统组件CH2CH114DSO各个部分的主要作用FPGA：1、存储来自ADC的采样数据2、触发功能的实现3、控制信号通道和触发通道中的一些器件（DAC、程控放大器、选择器等）模拟通道1模拟通道2A/D采样时钟电路触发电路FPGA存储器DSPSDRAM,FLASH等系统组件CH2CH115DSO各个部分的主要作用DSP（数字信号处理器）：其相当于计算机的CPU，对整个示波器进行控制，主要功能有：1、采样数据的处理2、外围电路的控制3、波形的运算、测量、存储模拟通道1模拟通道2A/D采样时钟电路触发电路FPGA存储器DSPSDRAM,FLASH等系统组件CH2CH116示波器的四大技术指标1、模拟带宽2、采样率3、存储深度4、波形捕获率（死区时间）17模拟带宽定义：示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，显示屏上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下降3dB时，其下限到上限频率的范围。100%（0dB）71%（-3dB）示波器的带宽（BW）只能测量低频交流的仪表在处也下滑。幅频特性曲线18模拟带宽与上升时间的关系例如：某示波器的上升时间为3.5ns，则该示波器的模拟带宽为100MHz][35.0][GHzBWnstr另一示波器的上升时间为350ps，则该示波器的模拟带宽为1GHz19模拟带宽对测量的影响][35.0][GHzBWnstr20模拟带宽对测量的影响][35.0][GHzBWnstr21上升时间多快才是足够快示波器上升时间上升时间慢/异常幅度衰减等于信号的上升时间41%2倍于信号的上升时间12%3倍于信号的上升时间5%5倍于信号的上升时间2%10倍于信号的上升时间0.5%22采样率单位时间内对信号进行采样的次数（Sa/s或SPS）。为区分实时采样和等效采样，通常将基于实时采样的采样率称为实时采样率，基于等效采样的采样率称为等效采样率。23实时采样一次采集信号上的若干采样点，并基于采样点的时间顺序显示被测波形的方法。24等效采样对于周期（重复）信号，每次在一个信号周期采集一定数量的采样点，经过对多个信号周期进行多次采集，积累足够的采样点数量，并基于多次采集之间的时间关系，对采样点重新排列，进而显示出被测波形。25采样率对观察信号的影响毛刺与窄脉冲精确捕获复现能力26采样率对观察信号的影响对单次事件精确捕获复现能力27采样率对观察信号的影响脉冲序列精确复现能力28采样率太低的后果——混叠29如何选择采样率30存储深度表示示波器在最高实时采样率下连续采集并存储采样点的能力，通常用采样点数（pts）表示。最大存储深度由示波器的存储器容量决定，增加存储深度可通过外部存储器实现。存储深度越深越利于观察波形细节31存储深度对观察波形的影响32存储深度对观察波形的影响sTtN由该公式可以看出，总采集时间T是采样周期和存储深度N的乘积。总采集时间T由时基档确定，例如，设一示波器显示屏共有10格时基为1ms/div时，T=1ms/div*10div=10ms.时基为10ns/div时，T=10ns/div*10div=100ns.可见，时基档位越慢，则总采集时间越长，即T越大。增大T有两种方法，一是增大采样周期，二是增加存储深度。当存储深度达到示波器的极限时，就只能增大采样周期，即降低采样率。因此，存储深度越深，在慢速时基档的采样率越高。33存储深度对观察波形的影响24K2Msps12sfms设屏幕上共有12格，时基为1ms/div，则总采样时间为12ms存储深度为24K时：存储深度为60M时：60M5Gsps12sfms34存储深度小结1、随着时基的增加，用到的存储深度会增加或者采样率会下降2、如果捕获时间和采样率的乘积超过了最大存储深度，采样率会下降3、更深的存储深度使得在给定采样率下能捕获更长时间的波形4、更深的存储深度使得在给定捕获时间下有更高的采样率和数字带宽5、更高的采样率减少了混叠的危险35波形捕获率单位时间内示波器所能捕获并显示的波形幅数，通常以波形幅数/秒（wfms/s）表示。示波器完成一次完整采集过程后，将对采集到的数据进行处理，这就造成了在两次采集过程之间存在较大的间隙，称为示波器的“死区时间”。死区时间采集显示窗口采集显示窗口36波形捕获率对波形观察的影响波形捕获率越高，越容易捕获到异常信号37示波器的四大子系统1、时基系统：X方向2、垂直系统：Y方向3、触发系统4、采集系统38示波器的四大子系统39时基系统时基：指屏幕上每格代表的时间长度（s/div,ms/div,us/div,ns/div）如何控制时基？ssfNTN*时基时基Nfs软件抽点数时基*Nfs40时基系统41垂直系统——模拟通道的结构ADC信号输入单端转差分1MΩ/50Ω选择控制交直流耦合网络控制∏型衰减网络选择与控制可变增益放大模块阻抗变换网络偏置调节电路带宽控制网络去触发电路42垂直系统——垂直档位的控制假定ADC最大输入范围为500mVpp，则垂直档位满屏电压总放大倍数粗衰减档ADC前级匹配可变增益5V50V1/1001/501/212V20V1/401/501/22.51V10V1/201/501/25500mV5V1/101/501/210200mV2V¼1/501/225100mV1V½11/2150mV500mV111/2220mV200mV2.511/2510mV100mV511/2105mV50mV1011/2202mV20mV2511/25043垂直系统——基本概念耦合：交流、直流、接地带宽限制探头比例反相：以基线位置对称44触发系统——触发的意义}}}321不正常触发正常触发abc45触发系统——触发的意义触发电路的作用就是保证每次时基扫描或采集的时候，都从输入信号上与定义的相同的触发条件开始，这样每一次采集或扫描的波形就同步，每次捕获的波形相重叠，从而显示稳定的波形。对单次信号进行捕获对重复信号中的异常波形或单次事件中的特殊波形就行隔离捕获46触发系统——触发的意义触发设置是示波器使用最麻烦的一点示波器都是根据信号特征进行的，需对被测信号有一定了解不同触发功能响应不同的触发条件，根据信号特征加以设定，会简化测试，帮助快速发现问题高级触发可以使你单独关注波形中感兴趣的细节47触发系统——预触发及后触发预触发：在触发条件满足之前，先存储一部分波形，从而使得用户能观察到触发点之前的信号预触发深度：触发条件满足之前存储的采样点数后触发：在触发条件之后，一定时间之后才开始存储波形，从而使得用户可以观察触发点之后较长时间内的波形48触发系统——预触发及后触发49触发系统——触发类型边沿触发脉宽触发斜率触发视频触发50触发系统——触发源CH1、CH2、CH3、CH4交替触发外触发、外触发除5市电触发AMPADCFPGAACDC高频抑制低频抑制比较器CH2市电触发外触发/EXT/5CH1比较电平GNDACDC51触发系统——触发耦合直流耦合交流耦合低频抑制高频抑制AMPADCFPGAACDC高频抑制低频抑制比较器CH2市电触发外触发/EXT/5CH1比较电平GNDACDC52触发系统——触发释抑隔离时间过短波形混迭a正确隔离时间b实际信号触发隔离时间采集后显示的信号上升沿53触发系统——触发方式自动：预触发深度满后一段时间内触发条件没有满足则关闭FIFO读使能，结束边读边写过程，将FIFO写满正常：预触发深度满后，必须等到触发条件满足才关闭FIFO读使能，否则一直边读边写过程单次：一次触发条件满足之后，将FIFO存满，则停止采集。54触发系统——高级触发功能视频触发码型触发毛刺触发SPI触发I2C触发RS232触发55采集系统——采样方式正常采样峰值检测：以最高的采样速率运行ADC，既便设置的时基非常慢，采样模式不能捕获采样点之间的快速变化的信号，而峰值检测模式可以捕获到。利用该模式可非常有效地观察到偶尔发生的窄脉冲。平均采样包络检测：示波器在连续采集过程中，对波形记录中的每个采样点位置的最小值和最大值都存储下来，并以此构成波形显示。56一种特殊的显示方式——SCAN/ROLL在慢速时基档下，存满FIFO的时间很长，例如50ms/div档，要600msFIFO才会写满。此时如果触发方式选择为自动，则当软件循环到读采样数据时，不论FIFO中有多少点，都将这些点读取去显示。57示波器的其它功能光标参数测量存储：USB、FLASH数学运算：加减乘除、滤波、FFTAUTOSET自校正XY模式波形录制58根据波形特征设置示波器。59根据波形特征设置示波器垂直方向：幅度、耦合方式、带宽、探头比例、反相水平方向时基、预触发深度触发触发电平、触发耦合、触发源、触发方式、触发类型采集获取方式、存储深度TheEnd!Thankyou！