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1、4.6 数字存储数字存储示波器示波器 数数数数字字字字示示示示波波波波器器器器，又称数数数数字字字字存存存存储储储储示示示示波波波波器器器器(DSO,Digital Storage Osilloscope)。数字存贮示波器采用数字电路，将输入信号先经过A/D变换器，将模拟波形变换成数字信息，存贮于数字存贮器中。需要显示时，再从存贮器中读出，通过D/A变换器，将数字信息变换成模拟波形显示在示波管上，或是直接将数字信号显示于LCD屏上。特点：特点：特点：特点：A/D+RAM+D/A+CPU优优优优点点点点：存贮时间长；能捕捉触发前的信号；可与计算机相连接；可分析复杂的单次瞬变信号。仪器科学与工程系
2、一、数字示波器的一、数字示波器的组成原理组成原理组成原理组成原理:（不同时期的DSO）1 1、模拟、模拟、模拟、模拟+数字存储示波器数字存储示波器数字存储示波器数字存储示波器(早期早期早期早期)输 入放大器A/DRAMD/A滤波Y输出放大器Y输入示波管逻辑控制电路同步放大扫描发生器扫描发生器能在数字、模拟两种工作方式下工作。在Y通道中插入数字元件A/D、RAM、D/A，X通道仍产生锯齿波。功能、性能受限制，静电偏转示波管带宽有限。2 2、单处理器数字示波器、单处理器数字示波器、单处理器数字示波器、单处理器数字示波器 (较早前较早前较早前较早前)能在数字、模拟两种工作方式下工作取样门与保持A/D
3、I/Oui被测信号外触发信号内D/AI/OD/AI/OX放大Y放大CRTX通道Y通道取样通道RAMCPUROM其它命令GPIB组成：组成：组成：组成：取样通道、X通道、Y通道、示波管、CPU、GPIB。CPU控制采样、存储、读出、显示等，信息通道总线交换。控制部分：控制部分：控制部分：控制部分：键盘+CPU+程序ROM。ROM内写有仪器的工作程序，通过键盘进行参数设定，测试等。采样通道：采样通道：采样通道：采样通道：模拟信号A/D数字信号存储于RAM。此过程受CPU控制。读出显示：读出显示：读出显示：读出显示：Y通道将RAM中的数字信号重新恢复成模拟信号；X通道产生阶梯扫描电压。X、Y通道同时
4、加在示波管CRT上把波形沿水平方向展开。RAMRAM采样采样采样采样 显示显示显示显示X通道读出采样脉冲数字化思考：如何确定采样频率思考：如何确定采样频率思考：如何确定采样频率思考：如何确定采样频率f fs s？3 3、多处理器数字示波器、多处理器数字示波器、多处理器数字示波器、多处理器数字示波器 (较新较新较新较新)提高采集速度、带宽，反混迭失真 模拟通道：包括多个模拟通道，信号经衰减器、前置放大、S/H、后置放大器后送入A/D转换。前置放大器的信号同时送入触发选择器。采集处理器：示波器中使用随机使用随机-重复采样技术重复采样技术，采样处理器根据采样与触发的对应关系来确定数据在波形存储器中的
5、位置，以便重构波形。波形翻译器：专用的处理器。将数据点与时间值按时间顺序对应，翻译成与显示器Y、X相对应的水平像素位置。CRTCRTD/AD/A，光栅，光栅，LCDLCD不需要不需要D/AD/A 主微处理器：人机接口，软件操作系统，增强功能按键接口接口选择模拟控制CPUROMRAM微处理器总线收发器波 形存储器波 形翻译器视 频RAM光栅扫描显示器波形总线采 集处理器A/D跟踪保持衰减器前置放大后置放大通道2A/D跟踪保持衰减器前置放大后置放大通道1触发比较器信号调整触发选择前置放大外触发电源信号触发电平HP54600 (三个处理器三个处理器三个处理器三个处理器)LeCroy(USA)3 测量
6、与分析数字处理器&协处理器操作系统应用软件RAM4 存储可存储软盘IC存储卡及硬盘连接到计算机打印机的数据总线2 显示显示显示处理器1 采集ABC放大器输入信号采 集 处理器触发器突出了突出了DSP及软件功能及软件功能二、信号采集处理技术二、信号采集处理技术1 1、早期数字示波器的缺点、早期数字示波器的缺点、早期数字示波器的缺点、早期数字示波器的缺点 屏幕更新率低.更新率指每秒钟可以捕获波形的数目。单CPU示波器无法满足实时要求，存在死区时间。即信号经“A/D存储处理D/A显示”至下一次波形的采集会产生时间间隔。提高更新率，400k幅的更新率 数字实时实时存储示波器 有混迭失真 造成混迭失真的
7、原因是欠采样。采样定理 避免措施：提高采样速率；峰值检测，以峰值为基本采样点，加上其它采样点，则不会产生失真。抗混叠技术欠采样生成的混迭失真2 2、采样方式、采样方式、采样方式、采样方式实时采样：实时采样：实时采样：实时采样：满足采样定理，内插显示(45)BW，不内插10BW。高速A/D及RAM价格比较高，对于重复信号，以较低的采样频率获得较高的采样带宽。随机采样：随机采样：随机采样：随机采样：每个周期采集一定数量的样点，经多个周期的样点恢复出波形。信号与采样时钟非同步，采样触发点与下一个采样点的时间间隔是随机的，信号为周期信号，每个周期的采样，等效为对“同一波形”的(欠)采样。顺序采样：顺序
8、采样：顺序采样：顺序采样：满每一周期采一个样点。所需要时间长，不能观测单次信号(a)实时采样(b)随机采样(c)顺序采样一个周期第1采样周期第2采样周期第3采样周期第4采样周期第1采样周期第2采样周期第3采样周期第n采样周期1 3 41 3 4 2 1 3 41 3 4221 2 3n3 3、采样速率、采样速率、采样速率、采样速率采样速率又称数字化速率。描述方式：单位时间内的采样次数，20Msps 采样频率描述，20MHz 信息率描述，单位时间内储存多少bit/byte.160Mb/s 采样速率可以提高DSO带宽，但采集速率还受采集存储器容量的限制。一般在不同扫描时，采样速率是不一样的，但存储
9、容量是相同的，如存储10000点。4 4、采集器件、采集器件、采集器件、采集器件 主要是指A/D器件。高速的A/D技术，目前已有10Gsps.。高速的A/D技术有两种类型：并联比较式并联比较式并联比较式并联比较式A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器 同时通过多个A/D交叉复用，控制时钟依次叉开，可进一步成倍提高采样速率。这种组合方式降低了对A/D的速率及RAM的存储速度的要求。+_C3+_C1+_C2编码器RRRR参考信号Ur输入信号Vin比较器输出并联比较式A/D-最快的A/D转换器缺点:器件复杂,需要2n个比较器.A/D1uiA/D2RAM1RAM2S组合输出数据多个A/D交叉
10、复用，可使采样速率成倍提高.DDR:Double Data Rate CCD+A/DCCD+A/DCCD+A/DCCD+A/D技术技术技术技术 CCD：高速模拟存储 2.5Gsps A/D：低速数字化处理YA顺序取样YB顺序取样通道转换AB通道转换A/DRAMCCDuiAuiB缺点:CCD记录长度有限.5 5、采样存储器、采样存储器、采样存储器、采样存储器 速度要求：多个低速存储器分时轮流写入。要求精确定时。数据更新：具有循环存储功能。6 6、触发功能、触发功能、触发功能、触发功能 负延迟触发：可以观测触发点之前的信号。正延迟触发：是指可以观测触发点以后的信号。距离触发点的延迟时间可以由程序设
11、定延迟时间可以由程序设定延迟时间可以由程序设定延迟时间可以由程序设定。负延迟在模拟示波器中无法实现负延迟在模拟示波器中无法实现。触发点正延时负延时触发点终止记录负延时触前发采样存储器结构循环存储触发功能触发后推进触发后推进=总长总长-负延时负延时N=L-M尖峰干扰设定时间窗触发源：内触发(各个通道皆可)，外触发，电源触发触发模式：自动，正常，单次触发类型：边缘触发，脉冲触发，延迟触发，毛刺触发毛刺触发用途：识别尖峰干扰7 7、采样速率与记录长度、采样速率与记录长度、采样速率与记录长度、采样速率与记录长度 采样速率与记录长度有以下关系：L(p)=fs(sps)S(t/div)10(div)早期D
12、SO，扫速与采样速率联动。（现在这样的DSO也常用）。即改变A/D转换速率。缺点：(1)记录长度太短，10000个点，不能完整记录一个较复杂的信号。(2)不便同时观测快慢信号。如电视信号中含有快慢的波形(图6.64)。快扫，慢扫都不利。(3)(3)发展方向：发展方向：发展方向：发展方向：增加记录长度，设计超快、超长的采集存储器。(4)波形快速缩放技术波形快速缩放技术波形快速缩放技术波形快速缩放技术 (波形显示也是很有意思波形显示也是很有意思波形显示也是很有意思波形显示也是很有意思地地地地)扫速与采样速率联动扫速与采样速率联动.BA扫速(t/div)采样频率(sps)0.1us 1us 10us
13、 100us 1ms 10ms 100ms 1000ms0.1K1K10K100K1M10M100M1G10G100G200M0.5us/div例：A的最高采样率为1GS/s，存储深度为1MB；B的最高采样率为200MS/s，存储深度为1KB。问当扫速从10ns/div变化到1000ms/div时，试计算采样率的变化情况.8 8、有效比特分辨率、有效比特分辨率、有效比特分辨率、有效比特分辨率 分辨率都较低，8bit，受信号频率，存储数据量，干扰等限制。三、波形显示技术三、波形显示技术1 1、点显示技术：、点显示技术：、点显示技术：、点显示技术：用较少的点构成波形：视觉混淆2 2、数据点内插技术
14、、数据点内插技术、数据点内插技术、数据点内插技术 线性内插 正弦内插：专用于正弦信号3 3、有效存储带宽：、有效存储带宽：、有效存储带宽：、有效存储带宽：正弦条件下，USB=fsmax/k.(单次带宽)USB与采样速率和波形重组方法有关4 4、显示屏：、显示屏：、显示屏：、显示屏：CRT、LCD（光栅扫描）四、示波器的技术指标四、示波器的技术指标1 1、带宽（、带宽（、带宽（、带宽（BWBW）：）：）：）：幅度随频率变化下跌3dB时的频率宽度 重复带宽：采用非实时取样技术，可做到很宽，几十GHz 单次带宽：有效存储带宽，与采样速率，波形重组方法有关2 2、上升时间、上升时间、上升时间、上升时间
15、(Rise Time)(Rise Time)：与模拟示波器的不同.扫速（采样间隔）2点 or 3点？3 3、垂直灵敏度、垂直灵敏度、垂直灵敏度、垂直灵敏度:V/div 1-2-5步进 (与校准信号比较得到误差与校准信号比较得到误差)4 4、垂直分辨率、垂直分辨率、垂直分辨率、垂直分辨率:与A/D比特数有关5 5、采样速率（、采样速率（、采样速率（、采样速率（Sample RateSample Rate）：）：）：）：A/D的最高采样速率，现代DSO可达20GS/s以上。采样速率fs，每格样点数 N/div，扫速 t/div fs=N/(t/div)6 6、记录长度、记录长度、记录长度、记录长度
16、(存储深度存储深度存储深度存储深度)：7 7、扫速：、扫速：、扫速：、扫速：t/div 1-2-5步进 (与校准信号比较得到误差与校准信号比较得到误差)8 8、水平分辨率：、水平分辨率：、水平分辨率：、水平分辨率：精密触发内插器N,分辨率1/Nfs9 9、触发灵敏度：、触发灵敏度：、触发灵敏度：、触发灵敏度：能够触发同步的最小信号幅度 触发晃动触发晃动触发晃动触发晃动：同步的良好程度五、基本功能五、基本功能1 1、自动刻度、自动刻度、自动刻度、自动刻度(Auto Scan)(Auto Scan)2 2、存储、存储、存储、存储/调出调出调出调出(Save/Recall)(Save/Recall)3 3、光标测量、光标测量、光标测量、光标测量:水平，垂直光标4 4、波形存储：、波形存储：、波形存储：、波形存储：波形存储器ROM(4ch)，像素存储器RAM5 5、延迟调节、延迟调节、延迟调节、延迟调节(Delay)(Delay)6 6、单次捕捉、单次捕捉、单次捕捉、单次捕捉(Single)(Single)7 7、捕捉尖峰干扰：、捕捉尖峰干扰：、捕捉尖峰干扰：、捕捉尖峰干扰：峰值存储技术作 业6-16-106-126-13