数字存储示波器原理讲解

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1、一、 概述 二、 数字存储示波器的原理分析 三、 数字存储示波器的设计 数字存储示波器 数字存储示波器是20世纪年代初发展起来的一种新型 示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进 行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步 的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值 等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出 现使传统示波器的功能发生了重大变革。 数字存储示波器的组成原理 一、 概述 典型的数字存储示波器原理框图如图所示 数字存储示波器的主要技术指标 定义：单位时间内完成的完整 AD 转换的最高次数。 最大取样速率主要由 AD转换器的最高转换速

2、率来决定。 最大取样速 率愈高，仪器捕捉信号的能力愈强。 1 最大取样速率 fmax 数字存储示波器在某个测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定 的扫描时间因数（t/div）推算。其推算公式为 式中 N 每格的取样数； t/div扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度， 例如， 若某数字示波器的扫描时间因数设定为10s/div， 每格取样数为 100点，则此时的取样速率等于10MHz。 很显然，数字示波器最大取样速率fmax与示波器最快扫描速度相对应。 若该数字示波器最快扫描速度为100ns/div，则其fmax为1GHz。 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

3、大于或等 于信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。实际上，在数字存储示波 器的设计中，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 一个周期取410点。 2 存储带宽 分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。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) 表示。水平分辨率由存储器的容 量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点/div）表示。 示波管屏幕坐标的刻度一般为 810 div。若示波器采用8位 A/D 转换器 (256级)，则其垂直分辨率为32级/div，用百分数表示为 1/2560.39。若采

4、 用容量为1KB的存储器，则水平分辨率为 1 024/10100 点/div，或用百分数 表示为 1/1 0240.1。 3 分辨率 存储容量又称记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示， 常以字（word）为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。 数字存储器的存储容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存储容 量愈大，水平分辨率就愈高。但存储容量并非越大越好，由于仪器最高取样 速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的 重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。 4 存储容量 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

5、间)/div表示 。其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量读脉冲周期。 使用时，示波器应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的不同要求 ，选择不同的读出速度。 5 读出速度 数字存储示波器的主要技术指标 (1) 数字存储示波器在存储工作阶段，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，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获 得清晰而稳定的波形。 可以无闪烁地观察频率很低的信号，这是模拟示波器无能为力的。 对于观测频率很高的信号来说，模拟示波器必须选择带宽很高的阴 极射线示波管，这就使造价上升，并且显示精度和稳定性

6、都较低。而数字存 储示波器采用了一个固定的相对较低的速率显示，从而可以使用低带宽、高 分辨率、高可靠性而低造价的光栅扫描式示波管，这就从根本上解决了上述 问题。若采用彩色显示,还可以很好地分辨各种信息. 数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。 (3) 具有先进的触发功能。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

7、。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%。 (2) 数字存储示波器能长时间地保存信号。这种特性对观察单次出现的瞬 变信号尤为有利。 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。数字存储示波器问世以前，屏幕照相是“ 存储”波形采取的主要方法。数字存储示波器把波形以数字方式存储起来，因

8、 而操作方便，且其存储时间在理论上可以是无限长的。 (6) 具有数字信号的输入/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GPIB 接口与计算机一起构成强有力的自动测试系统。 (5) 具有很强的处理能力，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加、减、乘等运算处 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

9、方便。 数字存储示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换 器最大转换速率等因素的影响，数字存储示波器目前还不能用 于观测频率较高的信号。 数字存储示波器的原理分析 波形的采集 波形的显示 波形的测量 波形的处理 一、 实时取样方式的采集原理 二、 等效时间取样方式的采集原理 三、 波形的显示 四、 波形参数的测量与处理 实时取样 等效时间取样 实时取样方式的采集原理 实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次 序进行A/D转换并存入存储器中。 典型实时取样方式的采集电路如图。 本节重点分析： 一、 取样与A/D转换 二、 t/div 控制器 三、 写地址计数器 四、 预置触发

10、功能 8.2.1 实时取样方式的采集原理 一、 取样与A/D转换 取样即连续波形的离 散化，其方法可用右图说 明。把模拟波形送到加有 反偏的取样门的a点，在c 点加入等间隔取样脉冲， 则对应时间 tn(n1，2， 3，) 取样脉冲打开取样 门的瞬间，在b点就得到 相应的模拟量an(n1，2 ，3，)，这个模拟量an 就是取样后得到的离散化 的模拟量。 、取样 8.2.1 实时取样方式的采集原理 、取样 2、A/D转换 若把an中的每一个离散模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量。 例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H； a7 A/D01H。 如果把这些数字量按序存

11、放在存储器中， 就相当于把一幅模拟波形以数字 量的形式存储起来 一、 取样与A/D转换 A/D转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储 带宽以及垂直分辨率等多项指标。目前存储示波器采用的A/D转换的形式有逐次 比较型、并联比较型、串并联型以及CCD器件与A/D转换器相配合的形式等。 并联比较式A/D转换器的转换速度可以做得较高，但价格也较贵，是数字存 储示波器采用最多的一种形式 。 8.2.1 实时取样方式的采集原理 二、扫描速度t/div 控制器 扫描速度t/div控制器实际上是一个时基分频器，用于控制A/D 转换速率以及 存储器的写入速度，它由一个准确度、稳定性很好的

12、晶体振荡器、一组分频器和 相应的组合电路组成。典型的t/div控制电路原理如图 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如图示。 四、 预置触发功能 预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。并且正负延迟及延 迟时间都可以进行预置。 在数字存储示波器中预置触发可以通过控制存储器的写操作过程来实现 。 当被测信号大于预置电平时，触发电路便产生触发信号，于是存储器 就从零地址开始写入采集的数据，设示波器的存储容量为1024，则当写 满1 024

13、个单元后便停止写操作。显示也从零地址开始读数据，则对应示 波器屏幕上显示的信号便是触发点开始后的波形。 在常态触发状态下， 在正延迟时(即显示延迟触发点 N 个取样点时间)，触发信号到来后，存 储器不立即写入数据，而是延迟 N 次取样之后才开始写入。这样当显示 时，示波器屏幕上显示的信号便是触发点之后 N 个取样点的波形。这等 效于示波器的时间窗口右移。 在正延迟时 四、 预置触发功能 在负延迟时(即显示超前触发点 N 个取样点时间)，触发信号到来前 ， 存储器信号便就一直处于01 023单元不断循环写入的过程中，当 写满1 024个单元之后，新内容将覆盖旧内容继续写入。当触发信号到 来后，使

14、存储器再写入1 024 N 个取样点之后停止写操作。显示时 ，不是从零地址读数据， 而是从停止写操作时地址的下一个地址作为 显示首地址连续读 1 024 个单元的内容。这样，示波器屏幕上显示 的便是触发点之前 N 次取样点为起点的波形，这等于示波器的时间 窗口左移。 在负延迟时 四、 预置触发功能 8.2.2 等效时间取样方式的采集原理 实时取样方式对观测单次出现的信号非常有效， 是数字 存储示波器必须具备的取样方式，但实时取样方式受到A/D转 换器最高转换速率的限制，使观察和存储信号的频带宽度受 到了限制。 等效时间取样方式是先采用“取样技术”，将周期性的高频 信号变换成波形与其相似的周期性

15、低频信号，然后再做进一 步的处理，因而可以比较容易地获得很宽的频带宽度。但等 效时间取样仅限于处理重复性的周期信号。 一个典型的采用等效时间取样方式的采集系统如图8-7所示。 步进系统在等效时间取样方式中起了关键性的作用，电路原理框图如图。 静态时，D触发器的Q 端为高电平，VT11导通。 触发脉冲到来时，D触发器的Q 端变为低电平，VT11关闭，电容C充电形 成斜波信号，VT11、VT12 组成的自举电路用以保证斜波的线性。 斜波信号加在比较器正端，阶梯波加在比较器负端。当斜波电压上升超过 比较器负端电平时，比较器输出翻转，并经反相送给D，D复位Q 返回到高。 每次取样后，阶梯波都会抬高一阶

16、，如此重复下去，就能在比较器输出端 得到一系列的步进延迟脉冲信号。 综上所述，通过改变斜波斜率与阶梯波的阶梯电压值，可 以得到特定大小的步进延迟时间，从而使示波器的带宽在很大 范围内降低了对A/D转换器转换速率的要求。 用等效时间取样方式设计的数字存储示波器，其带宽可以 较容易地达到1 000MHz，而且能较容易地把ps量级的脉冲波形 存储起来。但该方法要求被测信号必须是周期性信号。 由图知，若阶梯波的单位阶梯电压 为UA，斜波信号的斜率为uF，则步进 脉冲滞后触发脉冲的步进时间t为 t= U A u F (8.4) 上式说明，t与阶梯波电压成正比 ，与斜波斜率成反比。 8.2.3 波形的显示 为适应不同波形的观测，数字存储示波器具有多种灵活的显示方式 一、 存储显示 存储显示是数字存储示波器最基本的显示方式。它显示的波 形是触发后所存储的一帧波形信号，即在一