《數(shù)字示波器》作品(趙茂泰)

1、數(shù)字示波器數(shù)字示波器作品解析作品解析 一、題意分析一、題意分析 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn) 四、輸入電路通道的設(shè)計(jì)四、輸入電路通道的設(shè)計(jì) 五、賽況簡要分析五、賽況簡要分析 數(shù)字示波器（本科數(shù)字示波器（本科C題）題） 設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有實(shí)時(shí)采樣方式和等效采樣方式的 數(shù)字示波器，示意圖如圖所示。數(shù)字示波器，示意圖如圖所示。 1A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為1MSa/s，并要求設(shè) 計(jì)獨(dú)立的取樣保持電路。 2顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。 取取樣樣與與 保保持持電電路路 A

2、 A / / D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 與與存存儲(chǔ)儲(chǔ) 控控 制制 電電路路 顯顯 示示 部部 分分 輸輸入入 電電路路 觸觸發(fā)發(fā) 電電路路 T TP P （1）頻率范圍為）頻率范圍為10Hz10MHz，實(shí)時(shí)采樣速率，實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s，等，等 效采樣速率效采樣速率200MSa/s。 （2）垂直分辨率為）垂直分辨率為8bits，垂直靈敏度含，垂直靈敏度含1V/div、0.1V/div、 2mV/div 三檔。電壓測量誤差三檔。電壓測量誤差5%。在。在2mV/div檔，輸入短檔，輸入短 路時(shí)的輸出噪聲峰路時(shí)的輸出噪聲峰-峰值小于峰值小于2mV。 （3）掃描速度含）掃描速度含20ms/div、2s /d

3、iv、100 ns/div三檔，波形三檔，波形 周期測量誤差周期測量誤差5%。水平顯示分辨率。水平顯示分辨率20點(diǎn)點(diǎn)/ div。 1、A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為轉(zhuǎn)換器最高采樣速率限定為1MSa/s。 2、顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。、顯示部分可采用通用示波器，也可采用液晶顯示器。 題目主要要求題目主要要求 一、題意分析一、題意分析 競賽的第1步是選題，選題要用理性分析代替憑感覺選題。 分析時(shí)，先找出主要指標(biāo)，然后分析其實(shí)現(xiàn)的可能性。 采樣速率：采樣速率： 單位時(shí)間內(nèi)在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上獲取模擬輸入量并進(jìn)行量化的單位時(shí)間內(nèi)在不連續(xù)的時(shí)間點(diǎn)上獲取模擬輸入量并進(jìn)行量化的 次數(shù)，單

4、位用次數(shù)，單位用Sa/s（ Sampling/s ）表示。）表示。 根據(jù)取樣定理，采樣速率應(yīng)根據(jù)取樣定理，采樣速率應(yīng)信號最高頻率分量的信號最高頻率分量的2倍。倍。 當(dāng)數(shù)字示波器采用點(diǎn)顯示方式時(shí)，為保證顯示波形的分辨率，當(dāng)數(shù)字示波器采用點(diǎn)顯示方式時(shí)，為保證顯示波形的分辨率， 其其 “倍數(shù)倍數(shù)”應(yīng)取應(yīng)取1020；采用插值顯示時(shí)，；采用插值顯示時(shí)，“倍數(shù)倍數(shù)”應(yīng)取應(yīng)取2.5 10 數(shù)字示波器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)數(shù)字示波器的兩個(gè)重要技術(shù)指標(biāo) 一、題意分析一、題意分析 頻帶寬度：頻帶寬度： 當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號時(shí)，屏幕上顯示的信號當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號時(shí)，屏幕上顯示的信號 幅度下

5、降幅度下降3dB所對應(yīng)的輸入信號上、下限頻率之差，稱為示波器所對應(yīng)的輸入信號上、下限頻率之差，稱為示波器 的頻帶寬度，單位為的頻帶寬度，單位為MHz或或GHz。 （1）頻率范圍為）頻率范圍為10Hz10MHz，實(shí)時(shí)采樣速率，實(shí)時(shí)采樣速率1MSa/s，等效采，等效采 樣速率樣速率200MSa/s。（限定（限定A/D轉(zhuǎn)換器最高采樣速率為轉(zhuǎn)換器最高采樣速率為1MSa/s） （2）垂直靈敏度含）垂直靈敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三檔。三檔。 （3）掃描速度含）掃描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三檔。三檔。 （顯示屏刻度為（顯示屏刻度為8 div1

6、0div，垂直分辨率為，垂直分辨率為8bit，水平顯示分辨率，水平顯示分辨率20點(diǎn)點(diǎn)/ div） 取取 樣樣 與與 保保 持持 電電 路路 A A / / D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換換 與與 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 控控 制制 電電 路路 顯顯 示示 部部 分分 輸輸 入入 電電 路路 觸觸 發(fā)發(fā) 電電 路路 T TP P l 采樣與保持電路輸入信號的最高頻率為采樣與保持電路輸入信號的最高頻率為10MHz l 設(shè)計(jì)應(yīng)采用點(diǎn)顯示方式，且采樣速率設(shè)計(jì)應(yīng)采用點(diǎn)顯示方式，且采樣速率信號最高頻率分量的信號最高頻率分量的2020 倍。則當(dāng)輸入信號頻率倍。則當(dāng)輸入信號頻率50KHz50KHz時(shí)，采用實(shí)時(shí)采樣方式，時(shí)，采用實(shí)時(shí)采樣方

7、式，當(dāng)輸入信當(dāng)輸入信 號頻率范圍為號頻率范圍為 50KHz50KHz50KHz50KHz時(shí)時(shí)，采用等效采樣方式，采用等效采樣方式 l 如果如果A/DA/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓范圍為轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓范圍為0 0 2V2V，則輸入電路中放大，則輸入電路中放大 器的放大倍數(shù)為器的放大倍數(shù)為125125倍倍, ,帶寬為帶寬為10MHz.10MHz. 本題可分解為三個(gè)主要問題：本題可分解為三個(gè)主要問題： 一、題意分析一、題意分析 l 設(shè)計(jì)一個(gè)采用實(shí)時(shí)采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高采樣設(shè)計(jì)一個(gè)采用實(shí)時(shí)采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高采樣 速率為速率為1MSa/s，輸入信號頻率范圍為，輸入信號頻率范圍為10H

8、z 50KHz，并具，并具 有有“存儲(chǔ)存儲(chǔ)/調(diào)出調(diào)出”、“單次觸發(fā)單次觸發(fā)”等功能。等功能。 l 設(shè)計(jì)一個(gè)采用等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高等效設(shè)計(jì)一個(gè)采用等效采樣方式的數(shù)字示波器，要求最高等效 采樣速率為采樣速率為200MSa/s，輸入信號頻率，輸入信號頻率 50KHz 10MHz。 l 設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)約設(shè)計(jì)一個(gè)放大倍數(shù)約125125倍、帶寬為倍、帶寬為10MHz10MHz的寬帶寬放大器的寬帶寬放大器 獲全國一等獎(jiǎng)的作品均能很好地完成前兩個(gè)獲全國一等獎(jiǎng)的作品均能很好地完成前兩個(gè) 問題，區(qū)別僅在完成第三個(gè)問題的程度不同。問題，區(qū)別僅在完成第三個(gè)問題的程度不同。 現(xiàn)代數(shù)字示波器多數(shù)采用現(xiàn)代

9、數(shù)字示波器多數(shù)采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式” 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式 等效采樣方式等效采樣方式 順序采樣方式順序采樣方式 隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式 在獲得全國一等獎(jiǎng)的五個(gè)作品中在獲得全國一等獎(jiǎng)的五個(gè)作品中: 四個(gè)作品采用四個(gè)作品采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+順序采樣方式順序采樣方式” 一個(gè)作品采用一個(gè)作品采用 ”實(shí)時(shí)采樣方式實(shí)時(shí)采樣方式+隨機(jī)采樣方式隨機(jī)采樣方式” 數(shù)字示波器的采樣方式：數(shù)字示波器的采樣方式： 實(shí)時(shí)采樣方式：實(shí)時(shí)采樣方式： 所有采樣點(diǎn)的采集都是按照一個(gè)固定的次序，并且這個(gè)采 樣的次序和采樣點(diǎn)在

10、示波器屏幕上出現(xiàn)的次序是相同的。 只要一個(gè)觸發(fā)事件就可以啟動(dòng)全部的采集動(dòng)作。 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 觸發(fā)一次觸發(fā)一次 輸輸入入 電電路路 雙雙口口 R RA AM M ( (Y Y輸輸入入） ( (X X輸輸入入) ) 普普通通 示示波波器器 邏邏輯輯控控制制電電路路 ( (C CP PL LD D) ) 單單片片機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng) A A/ /D D 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 觸觸發(fā)發(fā) 電電路路 D D/ /A A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 D D/ /A A 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 鍵鍵盤盤與與 顯顯示示電電路路 寫寫 地地 址址 讀讀 地地 址址 時(shí)時(shí)鐘鐘 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)

11、數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案： 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ) 波形的顯示波形的顯示 波形數(shù)據(jù)的處理波形數(shù)據(jù)的處理 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： 由時(shí)鐘、t/div控制器、寫地址計(jì)數(shù)器、RAM讀寫控制等組成。 t/divt/div控制器：控制器：實(shí)際上是一個(gè)分頻器，產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/div” 量程對應(yīng)的頻率，用作A/D采樣頻率和寫地址計(jì)數(shù)器的輸入頻率。 寫地址計(jì)數(shù)器：寫地址計(jì)數(shù)器：實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生一個(gè) 對應(yīng)的寫RAM地址。 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： t/divt/div控制器：控制器：實(shí)際上是一個(gè)分頻器，產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/div” 量程對

12、應(yīng)的頻率，用作A/D采樣頻率和寫地址計(jì)數(shù)器的輸入頻率。 已知屏幕水平方向有10格（div），且20點(diǎn)/div。則采用點(diǎn)顯 示時(shí)（不做插值運(yùn)算），屏幕水平方向顯示點(diǎn)數(shù)N=200。 設(shè)掃描速度為t/div，相對應(yīng)的采樣率為 f，則20ms/div對應(yīng)的 采樣率應(yīng)為1kSa/s，即 divt N f / 掃描速度（掃描速度（div）20ms200s20s2s100ns 采樣速率（采樣速率（MSa/s）0.0010.11- 等效采樣速率（等效采樣速率（MSa/s） -10200 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ)： 寫地址計(jì)數(shù)器：寫地址計(jì)數(shù)器：實(shí)際上是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，用于產(chǎn)生一個(gè) 對應(yīng)的寫RAM地址。

13、 已知屏幕水平方向有10 格，且20點(diǎn)/div。則屏幕水 平方向顯示點(diǎn)數(shù)N=200。寫寫 地址計(jì)數(shù)器應(yīng)地址計(jì)數(shù)器應(yīng)采用八位二進(jìn) 制計(jì)數(shù)器即可。 即本題采樣存儲(chǔ)器的存 儲(chǔ)深度為200 每個(gè)觸發(fā)信號能啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集與寫入RAM的過程 一方面， 控制器產(chǎn)生一個(gè)與設(shè)定“t/div”量程對應(yīng)的采樣頻率， 使A/D按設(shè)定的采樣頻率轉(zhuǎn)換，得到一串8位數(shù)據(jù)流；另一方面，控 制器產(chǎn)生寫使能信號W送至RAM，使寫地址計(jì)數(shù)器按順序遞增, 確 保每個(gè)數(shù)據(jù)寫入到相應(yīng)的存儲(chǔ)單元中。 一旦200個(gè)單元寫滿， 一個(gè)寫入循環(huán)就完成了。 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)方案實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的

14、設(shè)計(jì)方案： 波形的采集與存儲(chǔ)波形的采集與存儲(chǔ) 波形的顯示波形的顯示 波形數(shù)據(jù)的處理波形數(shù)據(jù)的處理 雙口雙口 RAM RAM D/AD/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 D/AD/A 轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 讀地址讀地址 發(fā)生器發(fā)生器 讀讀 地地 址址 時(shí)時(shí) 鐘鐘 CPLD控制器部分CPLD控制器部分 Y軸Y軸 放大放大 X軸X軸 放大放大 X X( (t t) ) Y Y( (t t) ) 示波器示波器 部分部分 波形的顯示波形的顯示 一方面，讀地址計(jì)數(shù)器提供連續(xù)的RAM 讀地址，依次將存 儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號()，然后 送至示波器CRT的Y軸； 另一方面， 讀地址計(jì)數(shù)器提供的地址同時(shí)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換

15、器 形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸，作同步的掃描信號()。 于是在CRT屏幕上便形成了被測試模擬信號的波形。 波形的顯示波形的顯示 二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)二、實(shí)時(shí)數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 波形的顯示與波形的采集與存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不 管數(shù)據(jù)以何種速度寫入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以 固定的速度不斷地讀出。 對于頻率極低的信號。可以用較慢的掃描速度進(jìn)行采集， 而以相對快的速度讀出顯示，這樣我們就可以無閃爍的觀察極 慢信號， 這是模擬示波器無能為力的。 對于觀測極快信號來說，可以用較快的掃描速度進(jìn)行采集， 而以相對慢的速度讀出顯示，不但可以獲得清淅而穩(wěn)定波形， 而且不需要帶寬很高的陰極射線示

16、波管（帶寬高的示波管價(jià)格 高，且一般顯示精度和穩(wěn)定性都較低）。 1 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 順序等效采樣要求：每次觸發(fā)在每個(gè)周期波形上只采樣一 點(diǎn)，且每次延遲一個(gè)已知的t 時(shí)間。 順序采樣能以低的采樣速度獲得高的被測信號帶寬。 三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn) l 高速取樣及窄取樣脈沖的產(chǎn)生：本題要求被測信號帶寬為 010MHz，因此要求取樣脈沖的底寬應(yīng)不大于45ns。 l 精確t的產(chǎn)生：本題要求最高等效采樣率為200MHz，因 此最小的t應(yīng)為5ns。 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 兩個(gè)難點(diǎn)：兩個(gè)難點(diǎn)： 順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案順序等效采樣數(shù)字示波器

17、設(shè)計(jì)方案 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 高速取樣門及窄取樣脈沖的產(chǎn)生， 產(chǎn)生精確的t 步進(jìn)延遲電路， 兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)： 高速取樣門高速取樣門 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生 示波器的帶寬主要取決取 樣門，取樣脈沖要足夠窄。 根據(jù)取樣示波器的設(shè)計(jì)原 理，取樣脈沖的底寬 與 帶寬 fBW 的關(guān)系為： 本題 fBW = 10MHz，計(jì)算得 = 45ns. 實(shí)際脈寬應(yīng)考慮小于15ns BW f 45.0 l 取樣脈沖要足夠窄；取樣脈沖要足夠窄； l VDVD：采用高速開關(guān)二極管；：采用高速開關(guān)二極管； 1、順序等效采樣

18、方式、順序等效采樣方式 高速取樣示例：高速取樣示例： （100MHz, 帶寬帶寬5ns） 高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生 四管平衡取樣門電路 參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門 采樣階段：采樣階段：logic=0logic=0， 模擬開關(guān)閉合，故V1 V2 V3，同時(shí)V2很快對Ch充電. 保持階段：保持階段： logiclogic1 1， 模擬開關(guān)斷開，由于V2無放電回路，Ch上電壓值基本不變，故 使V3值得以保存。 V2 V1 logic V3 應(yīng)選擇符合應(yīng)選擇符合 題目要求的采保題目要求的采保 電路芯片，特別電路芯片，

19、特別 注意速度方面的注意速度方面的 性能指標(biāo)！性能指標(biāo)！ 參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門參賽作品廣泛采用采樣保持電路作為高速取樣門 孔徑時(shí)間（孔徑時(shí)間（T TAP AP）： ）： 在保持命令發(fā)出后至開關(guān)完全斷開的稱孔徑時(shí)間，這一延遲 會(huì)產(chǎn)生一個(gè)幅度誤差（孔徑誤差） 孔徑時(shí)間抖動(dòng)（孔徑時(shí)間抖動(dòng)（T TAP AP） ） ： 指孔徑時(shí)間變化的范圍。如果改善保持命令發(fā)出的時(shí)間，可 將孔徑時(shí)間的影響消除，因而在模擬通道中可以僅考慮孔徑時(shí)間 抖動(dòng)對采樣頻率的影響。其可數(shù)字化最高正弦信號頻率為 本題：fmax=10MHz，對于一個(gè)8bit（M=8）系統(tǒng)，要求采樣采樣 保持電路的保持電路的TAP應(yīng)

20、小于125ps )( 2 1 max Hz T f AP M 高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生 如果改善保持命令發(fā)出的時(shí)間，可將孔徑時(shí)間的影 響消除，因而在模擬通道中可以僅考慮孔徑時(shí)間抖動(dòng)對 采樣頻率的影響。 l 高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生 信息工程大學(xué)作品采用的方案信息工程大學(xué)作品采用的方案 采用AD783構(gòu)建采樣保持電路，由FPGA控制其采樣保 持時(shí)鐘，使其頻率與ADC采樣時(shí)鐘同步，相位超前/25。 AD783的孔徑時(shí)間抖動(dòng)的孔徑時(shí)間抖動(dòng) TAP = 50ps l 高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生高速取樣門及取樣脈沖的產(chǎn)生 武漢大學(xué)作品采用的方案武漢

21、大學(xué)作品采用的方案 選用高輸入阻抗的運(yùn)放LM7171以射級跟隨器的形式實(shí)現(xiàn) 信號的隔離，模擬開關(guān)S選用TI公司的模擬開關(guān)TS12A4515， 電容選用低漏電型100pF聚苯電容。其中，TS12A4515的導(dǎo)通 電阻為20, 頻率響應(yīng)為20MHz 250MHz。 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)： 順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案順序等效采樣數(shù)字示波器設(shè)計(jì)方案 高速取樣門及窄取樣脈沖的產(chǎn)生， 產(chǎn)生精確的產(chǎn)生精確的t t 步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路， 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 關(guān)鍵技術(shù)之二：步進(jìn)延遲電路關(guān)鍵技術(shù)之二：步進(jìn)延遲電路（產(chǎn)生精確的（產(chǎn)生精確的t

22、 t） l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路 l 采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路 l 采用純數(shù)字方法采用純數(shù)字方法 l 采用分離元件組成的采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路 1、順序等效采樣方式、順序等效采樣方式 l 采用分離元件組成的采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路步進(jìn)延遲電路 快斜波 發(fā)生器 階梯波 發(fā)生器 比較器 觸發(fā)脈沖 步進(jìn)脈沖 快斜波 階梯波 觸發(fā)脈沖 快斜波 階梯波 比較過程 步進(jìn)脈沖 t 2t 3t 觸發(fā)脈沖經(jīng)斜波發(fā)生器產(chǎn)生 與觸發(fā)脈沖同的斜波，階梯波發(fā) 生器產(chǎn)生相應(yīng)頻率的階梯波。 斜波

23、與階梯波在比較器進(jìn)行 比較，當(dāng)波幅度達(dá)到階梯波電平 時(shí)，比較器產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號， l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路 l 采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路 典型芯片之一：典型芯片之一：AD9500AD9500 主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)： l 最小最小t：10ps l 內(nèi)置內(nèi)置DAC l 采用采用ECL電路電路 l 采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路采用分離元件組成的步進(jìn)延遲電路 l 采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路采用專用大規(guī)模集成電路芯片組成的步進(jìn)延遲電路 AD9500AD9500的典型應(yīng)用示例：的典型應(yīng)

24、用示例： l 采用純數(shù)字方法采用純數(shù)字方法（參賽隊(duì)普遍采用該方法）（參賽隊(duì)普遍采用該方法） 設(shè)被測信號頻率為10MHz，等效采樣率為200MHz（5ns）。 則在順序等效采樣中，應(yīng)取T=100ns，t=5ns 那么， 上述過程可用FPGA實(shí)現(xiàn)，其工作時(shí)鐘頻率應(yīng)為 200MHz 如果被測信號頻率進(jìn)一步提高，則FPGA的工作時(shí)鐘頻率 也需要進(jìn)一步提高。使該方法的應(yīng)用有很大的限制。 2 2、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式 三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn)三、等效采樣方式及實(shí)現(xiàn) 1 1、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式 采樣時(shí)，采樣時(shí)，也需要經(jīng)過多次掃描，并且每次掃描的觸發(fā)點(diǎn)是一 致的。與順序等效采樣方式

25、不同的是：每次掃描采集多個(gè)采樣點(diǎn)， 并且每次掃描的觸發(fā)點(diǎn)與其后的第一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間（t1、 t2、t3 ）是隨機(jī)的。 波形重組時(shí)，波形重組時(shí)，首先精確短時(shí)間t1、t2、t3 ，然后以觸發(fā)點(diǎn) 為基準(zhǔn)，由計(jì)算機(jī)按時(shí)間先后的次序?qū)?shù)據(jù)重新排列，并寫入顯 示存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址單元中。 2 2、隨機(jī)等效采樣方式、隨機(jī)等效采樣方式 由于被測時(shí)間極短，很難直接測量，一般采用精密的內(nèi)插器 進(jìn)行擴(kuò)展后再進(jìn)行測量。內(nèi)插器主要由相位檢測、時(shí)間展寬、 方波轉(zhuǎn)換和時(shí)間測量四個(gè)部分。 難點(diǎn)：短時(shí)間測量難點(diǎn)：短時(shí)間測量 相位檢測主要完成觸相位檢測主要完成觸 發(fā)時(shí)刻與觸發(fā)后第一個(gè)采樣發(fā)時(shí)刻與觸發(fā)后第一個(gè)采樣 點(diǎn)間的時(shí)間間隔

26、點(diǎn)間的時(shí)間間隔TxTx；時(shí)間展；時(shí)間展 寬部分主要完成將寬部分主要完成將TxTx按一定按一定 的比例展寬成鋸齒波，展寬的比例展寬成鋸齒波，展寬 比由放電電流與充電電流之比由放電電流與充電電流之 比來決定；比來決定；-學(xué)生作品未做說明 四、輸入通道電路的設(shè)計(jì)四、輸入通道電路的設(shè)計(jì) 要求：垂直靈敏度含要求：垂直靈敏度含1V/div1V/div、0.1V/div0.1V/div、2mV/div 2mV/div 三檔三檔 垂直分辨率為垂直分辨率為8bits8bits，顯示屏的刻度為，顯示屏的刻度為8 div8 div10div10div， 對應(yīng)被測信號的最大幅度分別是對應(yīng)被測信號的最大幅度分別是 8V

27、、0.8V 、16mV 。 如果選擇的如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為1V，計(jì)算得到，計(jì)算得到 對應(yīng)的輸入電路的增益應(yīng)分別為對應(yīng)的輸入電路的增益應(yīng)分別為0.125、1.25、62.5。 垂直靈敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div 前級增益前級增益0.1251.2562.5 取取樣樣與與 保保持持電電路路 A A / / D D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換 與與存存儲(chǔ)儲(chǔ) 控控 制制 電電路路 顯顯 示示 部部 分分 輸輸入入 電電路路 觸觸發(fā)發(fā) 電電路路 T TP P 1 V /div檔檔: 0.125 1 1 = 0.125 0.1V/div檔檔: 1 1 1.

28、25 = 1.25 2mV/div檔檔: 1 8 7.8 = 125 垂直靈敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div 前級增益前級增益0.1251.2562.5 示波器通道放大器示波器通道放大器: : 每級放大器的放大倍數(shù)一般應(yīng)小于10；且每級放大器件應(yīng) 具有足夠的增益帶寬積 第一級放大應(yīng)考慮低噪聲,后級放大應(yīng)具有足夠的壓擺率。 例一、武漢大學(xué)方案例一、武漢大學(xué)方案 A/D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換器選用MAX118： 采樣速率為采樣速率為1MS/s， 輸入電壓范圍為輸入電壓范圍為05V 垂直垂直 靈敏度靈敏度 2 2 mV/divmV/div 0.1 0.1 V/divV/div 1 1

29、 V/divV/div 前級增益前級增益312.5312.56.256.250.6250.625 312.5（兩級）（兩級） 阻抗轉(zhuǎn)換阻抗轉(zhuǎn)換 6.25 .625 A/D轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍為05V，然而由輸入電路歸一化后 送來的雙極牲信號最大幅度范圍為2.5V2.5V，為此應(yīng)在 A/D轉(zhuǎn)換器之前加上一個(gè)電平變換電路，將輻度范國為2.5V 2.5V 的信號變換為05V 之間。 例一、武漢大學(xué)方案例一、武漢大學(xué)方案 表表4 0.1V/div4 0.1V/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度 Fin(Vpp=0. 4V) V實(shí)測（格 數(shù)） 誤差 10Hz40 1KHz40 100KHz40 1MHz3.9

30、2.5 10MHz3.85 Fin(Vpp=16 mV) V實(shí)測（格 數(shù)） 誤差 10Hz7.82.5 1KHz7.65 100KHz7.47.5 1MHz4.685 10MHz3.8105 表表5 2mV/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度 表表3 1V/div3 1V/div檔垂直靈敏度檔垂直靈敏度 Fin(Vpp=4 V) V實(shí)測(格 數(shù)) 誤差 10Hz40 1KHz40 100KHz40 1MHz 40 10MHz3.9 2.5 2 mV/div 2 mV/div 檔垂直靈敏檔垂直靈敏 度的誤差超標(biāo)！度的誤差超標(biāo)！ 增益為增益為312312的放大器未的放大器未 達(dá)預(yù)定指標(biāo)！達(dá)預(yù)定指標(biāo)！

31、例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例二、解放軍信息工程大學(xué)方案 A/D轉(zhuǎn)換器選用轉(zhuǎn)換器選用AD7822 輸入電壓范圍為輸入電壓范圍為 02V 垂直靈敏度垂直靈敏度1V/div0.1V/div2mV/div 前級增益前級增益0.252.5125 實(shí)際作品中，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為實(shí)際作品中，放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為 0.1，1，50 ，然后通過微調(diào)，然后通過微調(diào) 模擬示波器的垂直靈敏度來保證顯示模擬示波器的垂直靈敏度來保證顯示8格。格。？ 4.5 11 運(yùn)放選用運(yùn)放選用OPA690 ： 采樣速率為采樣速率為1MS/s， 增益帶寬積為增益帶寬積為 500MHz 0.1 1 阻抗轉(zhuǎn)換阻抗轉(zhuǎn)換 例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例

32、二、解放軍信息工程大學(xué)方案 垂直靈敏度1V/div，信號峰峰值VPP=5V 頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差 10Hz99.55ms0.45%5.000.00%100kHz9.67us3.30%5.010.20% 50Hz20.08ms0.40%5.020.40%500kHz1.96us2.00%5.112.20% 10kHz99.16us0.84%5.040.80%1MHz997.5ns0.25%5.061.20% 50kHz20.01us0.05%5.020.40%10MHz98.75ns1.25%5.234.60% 垂直靈敏度0.1V/

33、div，信號峰峰值VPP=5mV 頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差 10Hz99.49ms0.51%0.500.00%100kHz9.67us3.30%0.512.00% 50Hz20.07ms0.35%0.512.00%500kHz1.96us2.00%0.512.00% 10kHz99.14us0.86%0.512.00%1MHz995.0ns0.50%0.512.00% 50kHz20.01us0.05%0.500.00%10MHz98.75ns1.25%0.500.00% 例二、解放軍信息工程大學(xué)方案例二、解放軍信息工程大學(xué)方案 垂直

34、靈敏度2mV/div，信號峰峰值VPP=10mV 頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差頻率 實(shí)測周 期 誤差 實(shí)測 Vpp 誤差 10Hz99.51ms0.49%10.131.30%100kHz9.67us3.30%10.040.40% 50Hz20.07ms0.35%10.030.30%500kHz1.96us2.00%10.040.40% 10kHz99.16us0.84%9.871.30%1MHz997.5ns0.25%9.821.80% 50kHz20.01us0.05%9.871.30%10MHz98.75ns1.25%9.673.30% 短路噪聲噪聲峰峰值VPP=0.55mV 結(jié)論：結(jié)論： 1、所有量程的電壓測量誤差5%，系統(tǒng)模擬帶寬大于10MHz。 2、示波器的垂直分辨率為7bit，未達(dá)預(yù)定指標(biāo)，相當(dāng)于使用 了一只7位 A/D 轉(zhuǎn)換器 五、賽況簡要分析五、賽況簡要分析 本題命題是在本題命題是在20012001年年“簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器