简易数字存储示波器毕业论文

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1、 1 引言11 选题的背景意义和研究现状 1.1.1 选题的背景和意义 1909年的诺贝尔物理奖得主Karl Ferdinand Braun于1897年发明世界上第一台阴极射线管示波器，至今许多德国人仍称CRT为布朗管(Braun Tube)。 根据IEEE的文献记载1972年英国的Nicolet公司发明了第一台的数字示波器(DSO) ，到1996年惠普科技(安捷伦科技前身)发明了全球第一台混合信号示波器(MSO)，数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来 ，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一 。时间到了21世纪这是一个科学和技术都在飞速发展的时代，随着电子技术、计算机技术、通信技术

2、和自动化技术的高速发展,电子测量仪器也有了巨大的发展。数字式示波器就以其存储波形及多种信号分析、计算、处理等优良的性能从而逐步取代模拟示波器 。用数字示波器能完成对信号的一次性采集 ，把波形存储起来，还可以通过移位操作观察波形的任何一部分等等 。 数字存储示波器是随着数字集成电路技术的发展而出现的新型智能化示波器 ，己经成为电子测量领域的基础测试仪器。随着新技术、新器件的发展，它正在向宽带化、模块化 、多功能和网络化的方向发展。数字存储示波器的优势是可以实现高带宽及强大的分析功能。现在高端数字存储示波器的实时带宽已达到20GHz ，可以广泛应用于各种千兆以太网 、光通讯等测试领域 。而低端数字

3、存储示波器几乎可以应用于国民经济各个领域的通用测试，同时可广泛应用于高校及职业学校的教学，为社会培养众多的后备人才。数字存储示波器的技术基础是数据采集，其设计技术可以应用于更广泛的数据采集产品中 ，具有深远的意义 。 为了巩固大学4年来所学的知识 ，将课本上的理论知识运用到实际中，而且能掌握和了解本专业的仪器测量这块的先进发展趋势，我选择了简易数字存储示波器这个题目作为的大学毕业设计题目。1.1.2 国内外研究现状自从1972年世界上第一台数字存储示波器(DSO ，又称数字示波器)问世以来，经历了三个发展阶段。1986年以前为DSO发展的初期阶段，当时的取样率较低，一般不超过50MSa/s，带

4、宽在20MHz以下 ，结构形式以数字存储加传统模拟示波器二合一的组合式为主，功能少，性能低 。主要代表性产品有美国哥德(Gould)公司生产的4035，HP公司生产的HP54200。1986年-1994年，伴随高速ADC和高速RAM的迅速发展，DSO的发展也进入了快车道 ，取样率达到了4GSa/s，记录长度超过32K。每年各示波器生产厂商都推出新的型号，技术上开始走向成熟 。1989年，HP公司率先停止了模拟示波器的生产 ，专心培育数字示波器市场。到1993年，DSO的销售额就超过了传统模拟示波器，使持续将近半个世纪的模拟示波器市场发生动摇。1995年以后，DSO在技术上己经成熟 ，带宽在10

5、0MHz以上，DSO已经完全取代了模拟示波器。2004年10月，AGILENT公司推出了具震撼性的DS081304A数字存储示波器，带宽3GHz，上升时间23ps，最高采样率40GHz 。这时，除了继续提高取样率(最高达40GSa/s)、带宽(达20GHz)和增加记录长度(达16MB)外，DSO制造商开始向100MHz以下带宽的通用DSO方向发展，并且性价比迅速提高。1996年，AGILENT公司面向通用DSO市场推出了100MHz带宽的数字存储示波器54645A及首款混合信号示波器54645D 。AGILENT公司在后续推出的54620/40A/D系列混合信号示波器中提供了强大的串行触发能力

6、 ，包括SPI、USB、IZE、LIN、和EAN等。通用DSO的单台价格己接近同档次的模拟示波器水平。目前，100MHz以下的DSO，将与模拟示波器同时并存发展。虽然模拟示波器本身也在不断的数字化，增加数字显示和光标测量的功能。但是 ，模拟示波器无法具备DSO所特有的预触发、存储和数据处理等测量功能 。可以预计，通用DSO全面取代模拟示波器的日子不会很远了。目前，100MHz数字存储示波器的代表性产品，国外的主要有Agilent公司的5000系列 ，Tektronix公司的TDSl000、TDS2000系列。国内DSO的研制工作起步较晚，第一台DSO于1993年在电子部41研究所研制成功，但是

7、起步水平较高，最先推出的是取样率为40MSa/s，带宽分别为750MHz和800MHz的两个型号产品。到96年就把带宽提高到了1GHz 。98年把取样率提高到1GSa/s。研制中的100MHz带宽的深存储型DSO已经取得了阶段性成果 。目前主要的生产厂家是美国安捷伦公司、泰克公司、力科公司、台湾的固纬公司 、国内的中国电子科技集团第41研究所和北京普源精电公司等。2 数字示波器的基本原理2.1 数字存储示波器的基本原理2.1.1 数字存储示波器的组成原理 一个典型的数字示波器原理框图如图2-1所示 ，它又分实时和存储两种工作模式，当处于实时工作模式时 ，其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的。

8、当处于存储工作模式时，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段，在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当的放大或衰减 ，然后经过取样和量化两个过程的数字化处理，将模拟信号转化成数字化信号 ，最后 ，数字化信号在逻辑控制电路的控制下一次写入到RAM中。 图 2-1数字示波器原理框图上述取样是获得模拟输入信号的离散值，而量化则是每个取样的离散值经A/D转换器转换成二进制数字 且取样,量化及写入过程都是在同一时钟频率下进行的。在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出来 ，并经DA转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。与此同时，CPU的读地址计数脉冲加之DA转换器，得到一个阶梯波的扫

9、描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。 显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字，点的垂直屏幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出 ，点的水平屏幕位置由对应的存储单元二进制地址给出 。若经DA转换的模拟信号内插器的插值处理，还可以使点显示变为连续显示 。数字存储示波器对模拟量进行实时取样。实时取样是对一个周期内的信号的不同点取样 ，它与取样示波器的跨周期取样是不同的。N个取样点得到的数字量分别存储于地址号为OOH-0NH的N个RAM存储单元中，这样，采样点所存储的地址信息即表示了采样点的时间信息 。在显示时依序取出采样

10、离散化数据，经DA变换后的输出送到Y偏转板；同时存储单元地址号从00H-0NH也经过DA转换，形成阶梯波，并送到X偏转板。在共同作用下 ，荧光屏上将显示离散的亮点。只要X方向和Y方向的量化程度足够精细，这些离散的亮点就能准确代表被测波形 。将数字存储技术和微处理器用于取样示波器 ，可以构成存储取样示波器。 2.1.2 数字存储示波器的工作方式 (1)数字存储示波器的功能 数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器 ，参考波形存储器 ，测量数据存储器和显示缓冲存储器四种 。信号数据存储器存放模拟信号取样数据 ；参考波形存储器存放参考波形的数据 ，它采用电池供电，或采用非易失性存储

11、器 ，故可以长期保存数据 ；测量数据存储器存放测量量与计算的中间数据和计算的结果，和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同；显示缓冲存储器存放现时代波形，荧光屏上显示的信息均有显示缓冲存储器提供 。(2)触发工作方式 数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式 1)常态触发 常态触发是在存储工作方式下自动形成的，同模拟示波器基本一样，可通过面板设置触发电平的幅度和极性，触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端，触发点位置通常用加亮的亮点来表示 。2)预置触发 预置触发即延迟触发，是人为设置触发点在复现波形上的位置，它是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触

12、发点位置的不同，可以观测到触发点前后不同区段上的波形，这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样，存储的第一点。预置触发对显示数据的选择带来了很大的灵活性 。(3)测量和计算工作方式 数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量，及示波器自动完成测量工作，并将测量结果以数字的形式显示在荧光屏上，特殊值的测量使用手动光标进行测量，即光标测量。光标测量指的是在荧光屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线，这四条光标线可在面板的控制下移动，光标和波形的交点，对应于信号存储器中的相应的数据 。测量时，示波器在测量程序控制下，根据光标的位置来完

13、成测量，并将测量结果以数字形式显示在荧光屏上。(4)面板按键操作方式 数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种，按下执行键后，示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时，屏幕下方显示一排菜单，屏幕有方则显示对应菜单的子菜单，然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作。 2.1.3 数字存储示波器的显示方式由于数字存储示波器可以对被测信号存储，波形的采集和显示可以分开进行，与宽带示波器相比，采集速度和显示速度可不相同，因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。数字存储示波器的显示方式灵活多样，具有基本显示，抹迹显示，卷动显示，放大显示和XY显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。(

14、1)存储显示 存储显示方式是数字示波器的基本显示方式，适用于一般信号的观测，在一次触发形成并完成信号数据的存储后，经过显示前的缓冲存储，并控制缓冲存储器的地址顺序，依次将欲显示的数据读出并进行DA变换，然后将信号稳定的显示在荧光屏上。 (2)抹迹显示 抹迹显示方式适用于观测一长窜波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时，应先根据预期的瞬态信号，设置触发电平和极性；观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下，当信号数据存储器被装满单瞬态信号未出现时，实现末端触发，在荧光屏上显示一个画面，保持一段时间后，被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现，在利用末端触发显示一个画面，这样一个个画

15、面显示下去，如同为了查找莫个内容，一页页的翻书一样，一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发，将捕捉到的瞬态信号波形稳定的显示在荧光屏上，并存入参考波形存储器中 。(3)卷动显示 卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号，它包括两种方式，一种是新波形逐渐代替旧波形，变换点自左向右移动；另一种是波形从右端向左一定，在左端消失，当异常波形出现时，可按下存储键，将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中 ，一边做更细致的观测与分析。如图2-2（a）所示。 (a)卷动显示 （b）放大显示图2-2两种显不方式(4) 放大显示 放大显示方式适于观测吸信号波形的细节 ，此方式是利用延迟扫描的方法实现

16、的，此时荧光屏一分为二，上半部分显示原波形 ，下半部分显示放大了的部分，其放大位置可用光标控制，放大比例也可调节，还可以用光标测量放大部分的参数 。 如图2-2（b）所示。 (5)XY显示 与通用示波器的显示方法基本相同，一般用于显示丽萨如图形，此处不做详述。 (6)显示的内插 数字存储示波器是将取样数据显示出来，由于取样点不能无限增多 ，能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题 ，一般要求每个信号显示20-25个点 。但是较少的采样点会造成视觉误差，可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间，主要有线性插入和曲线插入两种方式 。2.1.4 数字存储示波器的特点 与模拟示波器相比，数字存储示波器具有以下几个特点：