數(shù)字示波器參考材料課件

8.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理8.1概述典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示8.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理8.1概述典型的數(shù)18.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的完整A／D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。

最大取樣速率主要由A／D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來(lái)決定。最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號(hào)的能力愈強(qiáng)。1．最大取樣速率fmax數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測(cè)量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時(shí)設(shè)定的掃描時(shí)間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為（8.1）式中N——每格的取樣數(shù)；t/div——掃描時(shí)間因數(shù)，掃描一格所占用的時(shí)間。亦稱(chēng)掃描速度，例如，若某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10μs/div，每格取樣數(shù)為100點(diǎn)，則此時(shí)的取樣速率等于10MHz。很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對(duì)應(yīng)。若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100ns/div，則其fmax為1GHz。8.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)定義：?jiǎn)?存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號(hào)最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號(hào)波形。實(shí)際上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)，一般一個(gè)周期取4～10點(diǎn)。2．存儲(chǔ)帶寬分辨率用于反映存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié)的綜合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率相對(duì)應(yīng)，常以屏幕每格的分級(jí)數(shù)(級(jí)/div)表示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容量來(lái)決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)（點(diǎn)/div）表示。示波管屏幕坐標(biāo)的刻度一般為8×10div。若示波器采用8位A/D轉(zhuǎn)換器(256級(jí))，則其垂直分辨率為32級(jí)/div，用百分?jǐn)?shù)表示為1/256≈0.39％。若采用容量為1KB的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為1024/10≈100點(diǎn)/div，或用百分?jǐn)?shù)表示為1/1024≈0.1％。3．分辨率存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大3存儲(chǔ)容量又稱(chēng)記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)表示，常以字（word）為單位。存儲(chǔ)容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采用256B，512B，1KB，4KB等。存儲(chǔ)容量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲(chǔ)容量并非越大越好，由于儀器最高取樣速率的限制，若存儲(chǔ)容量選取不恰當(dāng)，往往會(huì)因時(shí)間窗口縮短而失去信號(hào)的重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平分辨率降低。4．存儲(chǔ)容量讀出速度是指將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用(時(shí)間)/div表示。其中，時(shí)間等于屏幕中每格內(nèi)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量×讀脈沖周期。使用時(shí)，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對(duì)速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。5．讀出速度存儲(chǔ)容量又稱(chēng)記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)48.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)數(shù)字存儲(chǔ)示波器在存儲(chǔ)工作階段，對(duì)快速信號(hào)采用較高的速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，對(duì)慢速信號(hào)采用較低速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，但在顯示工作階段，其讀出速度采取了一個(gè)固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲得清晰而穩(wěn)定的波形。

◆可以無(wú)閃爍地觀察頻率很低的信號(hào)，這是模擬示波器無(wú)能為力的?！魧?duì)于觀測(cè)頻率很高的信號(hào)來(lái)說(shuō)，模擬示波器必須選擇帶寬很高的陰極射線示波管，這就使造價(jià)上升，并且顯示精度和穩(wěn)定性都較低。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用了一個(gè)固定的相對(duì)較低的速率顯示，從而可以使用低帶寬、高分辨率、高可靠性而低造價(jià)的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述問(wèn)題。若采用彩色顯示,還可以很好地分辨各種信息.數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。8.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)5

(3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號(hào)，而且能顯示觸發(fā)前的信號(hào)，并且可以任意選擇超前或滯后的時(shí)間，這對(duì)材料強(qiáng)度、地震研究、生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)提供了有利的工具。除此之外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器還可以向用戶提供邊緣觸發(fā)、組合觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、延遲觸發(fā)等多種方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、準(zhǔn)確地對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析。

(4)測(cè)量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決定，故很難實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間精度，一般限制在3%～5%。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器由于使用晶振作高穩(wěn)定時(shí)鐘，有很高的測(cè)時(shí)精度。采用多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測(cè)量精度大大提高。尤其是能夠自動(dòng)測(cè)量直接讀數(shù)，有效地克服示波管對(duì)測(cè)量精度的影響，使大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量精度優(yōu)于1%。

(2)數(shù)字存儲(chǔ)示波器能長(zhǎng)時(shí)間地保存信號(hào)。這種特性對(duì)觀察單次出現(xiàn)的瞬變信號(hào)尤為有利。有些信號(hào)，如單次沖擊波、放電現(xiàn)象等都是在短暫的一瞬間產(chǎn)生，在示波器的屏幕上一閃而過(guò)，很難觀察。數(shù)字存儲(chǔ)示波器問(wèn)世以前，屏幕照相是“存儲(chǔ)”波形采取的主要方法。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把波形以數(shù)字方式存儲(chǔ)起來(lái)，因而操作方便，且其存儲(chǔ)時(shí)間在理論上可以是無(wú)限長(zhǎng)的。(3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)6

(6)具有數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出功能，所以可以很方便地將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備,進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算或分析處理。同時(shí)還可以通過(guò)GP－IB接口與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成強(qiáng)有力的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

(5)具有很強(qiáng)的處理能力，這是由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)含微處理器，因而能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測(cè)量與顯示，例如上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈寬、頻率、峰峰值等參數(shù)的測(cè)量與顯示。能對(duì)波形實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的處理，例如取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對(duì)兩波形進(jìn)行加、減、乘等運(yùn)算處理。同時(shí)還能使儀器具有許多自動(dòng)操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器使用很方便。數(shù)字存儲(chǔ)示波器也有它的局限性，例如，由于受A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速率等因素的影響，數(shù)字存儲(chǔ)示波器目前還不能用于觀測(cè)頻率較高的信號(hào)。(6)具有數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出功能，所以可以很方便地78.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析

波形的采集波形的顯示波形的測(cè)量波形的處理8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理

8.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理

8.2.3波形的顯示

8.2.4波形參數(shù)的測(cè)量與處理實(shí)時(shí)取樣等效時(shí)間取樣8.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析8.2.188.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理

實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存入存儲(chǔ)器中。典型實(shí)時(shí)取樣方式的采集電路如圖。本節(jié)重點(diǎn)分析：一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換二、t/div控制器三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器四、預(yù)置觸發(fā)功能8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)98.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換取樣即連續(xù)波形的離散化，其方法可用右圖說(shuō)明。把模擬波形送到加有反偏的取樣門(mén)的a點(diǎn)，在c點(diǎn)加入等間隔取樣脈沖，則對(duì)應(yīng)時(shí)間tn(n＝1，2，3，…)取樣脈沖打開(kāi)取樣門(mén)的瞬間，在b點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n＝1，2，3，…)，這個(gè)模擬量an就是取樣后得到的離散化的模擬量。１、取樣8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換108.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理１、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換若把a(bǔ)n中的每一個(gè)離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。例如a1→A/D→01H；a2→A/D→02H；a3→A/D→03H；…a7→A/D→01H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲(chǔ)器中，就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)起來(lái)一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ)帶寬以及垂直分辨率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)示波器采用的A/D轉(zhuǎn)換的形式有逐次比較型、并聯(lián)比較型、串并聯(lián)型以及CCD器件與A/D轉(zhuǎn)換器相配合的形式等。并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可以做得較高，但價(jià)格也較貴，是數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用最多的一種形式。8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理１、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換118.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div控制器

掃描速度t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制A/D轉(zhuǎn)換速率以及存儲(chǔ)器的寫(xiě)入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器和相應(yīng)的組合電路組成。典型的t/div控制電路原理如圖8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div12數(shù)字示波器參考材料課件13三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器

寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫(xiě)地址信號(hào)，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù)由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)決定。寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘的頻率相同。寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器原理圖如圖示。三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫(xiě)地址14四、預(yù)置觸發(fā)功能

預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)延遲觸發(fā)兩種情況。并且正負(fù)延遲及延遲時(shí)間都可以進(jìn)行預(yù)置。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過(guò)控制存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于預(yù)置電平時(shí)，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，于是存儲(chǔ)器就從零地址開(kāi)始寫(xiě)入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫(xiě)滿1024個(gè)單元后便停止寫(xiě)操作。顯示也從零地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，則對(duì)應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始后的波形。在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，在正延遲時(shí)(即顯示延遲觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，存儲(chǔ)器不立即寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開(kāi)始寫(xiě)入。這樣當(dāng)顯示時(shí)，示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)之后N個(gè)取樣點(diǎn)的波形。這等效于示波器的時(shí)間窗口右移。在正延遲時(shí)四、預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)15四、預(yù)置觸發(fā)功能

在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái)前，存儲(chǔ)器信號(hào)便就一直處于0～1023單元不斷循環(huán)寫(xiě)入的過(guò)程中，當(dāng)寫(xiě)滿1024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫(xiě)入。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，使存儲(chǔ)器再寫(xiě)入1024N個(gè)取樣點(diǎn)之后停止寫(xiě)操作。顯示時(shí)，不是從零地址讀數(shù)據(jù)，而是從停止寫(xiě)操作時(shí)地址的下一個(gè)地址作為顯示首地址連續(xù)讀1024個(gè)單元的內(nèi)容。這樣，示波器屏幕上顯示的便是觸發(fā)點(diǎn)之前N次取樣點(diǎn)為起點(diǎn)的波形，這等于示波器的時(shí)間窗口左移。在負(fù)延遲時(shí)四、預(yù)置觸發(fā)功能在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取16四、預(yù)置觸發(fā)功能四、預(yù)置觸發(fā)功能178.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理

實(shí)時(shí)取樣方式對(duì)觀測(cè)單次出現(xiàn)的信號(hào)非常有效，是數(shù)字存儲(chǔ)示波器必須具備的取樣方式，但實(shí)時(shí)取樣方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀察和存儲(chǔ)信號(hào)的頻帶寬度受到了限制。等效時(shí)間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的高頻信號(hào)變換成波形與其相似的周期性低頻信號(hào)，然后再做進(jìn)一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。但等效時(shí)間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號(hào)。一個(gè)典型的采用等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-7所示。8.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理18數(shù)字示波器參考材料課件19步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框圖如圖。靜態(tài)時(shí)，D觸發(fā)器的Q端為高電平，VT11導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，D觸發(fā)器的Q端變?yōu)榈碗娖?，VT11關(guān)閉，電容C充電形成斜波信號(hào)，VT11、VT12組成的自舉電路用以保證斜波的線性。斜波信號(hào)加在比較器正端，階梯波加在比較器負(fù)端。當(dāng)斜波電壓上升超過(guò)比較器負(fù)端電平時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)反相送給D，D復(fù)位Q返回到高。每次取樣后，階梯波都會(huì)抬高一階，如此重復(fù)下去，就能在比較器輸出端得到一系列的步進(jìn)延遲脈沖信號(hào)。步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框20綜上所述，通過(guò)改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到特定大小的步進(jìn)延遲時(shí)間，從而使示波器的帶寬在很大范圍內(nèi)降低了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的要求。用等效時(shí)間取樣方式設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其帶寬可以較容易地達(dá)到1000MHz，而且能較容易地把ps量級(jí)的脈沖波形存儲(chǔ)起來(lái)。但該方法要求被測(cè)信號(hào)必須是周期性信號(hào)。由圖知，若階梯波的單位階梯電壓為ΔUA，斜波信號(hào)的斜率為uF，則步進(jìn)脈沖滯后觸發(fā)脈沖的步進(jìn)時(shí)間Δt為Δt=ΔUAuF

(8.4)上式說(shuō)明，Δt與階梯波電壓成正比，與斜波斜率成反比。綜上所述，通過(guò)改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到218.2.3波形的顯示為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有多種靈活的顯示方式一、存儲(chǔ)顯示

存儲(chǔ)顯示是數(shù)字存儲(chǔ)示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是觸發(fā)后所存儲(chǔ)的一幀波形信號(hào)，即在一次觸發(fā)所完成的一幀信號(hào)數(shù)據(jù)采集之后，再通過(guò)控制存儲(chǔ)器的地址依次將數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。依照讀出方法的不同，又可分為:CPU控制方式直接控制方式。8.2.3波形的顯示為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)22一、存儲(chǔ)顯示CPU控制方式顯示過(guò)程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)按地址順序取出，送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還原為模擬量送至Y軸；與此同時(shí)，將地址按同樣順序送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為階梯波送至X軸。這樣就能把被測(cè)波形顯示在CRT屏幕上。設(shè)存儲(chǔ)波形時(shí)是以255個(gè)地址為一頁(yè)面，現(xiàn)通過(guò)下圖說(shuō)明其原理。一、存儲(chǔ)顯示CPU控制方式顯示過(guò)程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)23一、存儲(chǔ)顯示直接控制方式一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生的連續(xù)地址信號(hào)依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)地送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后將恢復(fù)的模擬量送至CRT的X軸；另一方面，地址計(jì)數(shù)器提供的地址信號(hào)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成階梯波送至CRT的Y軸作同步的掃描信號(hào)。于是在CRT屏幕上便形成了被顯示的模擬波形。很顯然，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時(shí)鐘的速率，速度較快。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸不再經(jīng)過(guò)CPU，而直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，因此速度快。顯示原理見(jiàn)圖。一、存儲(chǔ)顯示直接控制方式一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘24一、存儲(chǔ)顯示

存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示之分。在連續(xù)觸發(fā)顯示方式下，每滿足一次觸發(fā)條件，就完成一幀數(shù)據(jù)的取樣與存儲(chǔ)，同時(shí)，屏幕上原來(lái)的顯示波形就被新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更新一次。單次觸發(fā)顯示只不斷顯示一次觸發(fā)而取樣與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)波形。

CPU控制方式顯示的特點(diǎn)：無(wú)論是Y軸還是X軸的數(shù)據(jù)，都必須通過(guò)CPU傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定的限制。直接控制方式顯示的特點(diǎn)：直接在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，不再經(jīng)過(guò)CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度僅取決于時(shí)鐘速率，而不是由軟件決定的，速度較快。一、存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)25二、雙蹤顯示存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。即利用寫(xiě)地址的最低位A0來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號(hào)便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號(hào)的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1［n］與Y2［n］中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達(dá)到兩通道信號(hào)分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。二、雙蹤顯示存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)26二、雙蹤顯示存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。即利用寫(xiě)地址的最低位A0來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號(hào)便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號(hào)的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1［n］與Y2［n］中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達(dá)到兩通道信號(hào)分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。二、雙蹤顯示存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)27三、鎖存和半存顯示鎖存顯示就是把一幅波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器之后，只允許從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，不準(zhǔn)新數(shù)據(jù)再寫(xiě)入。半存顯示是指波形被存儲(chǔ)之后，允許存儲(chǔ)器奇數(shù)(或偶數(shù))地址中的內(nèi)容更新，但偶數(shù)(或奇數(shù))地址中的內(nèi)容保持不變。于是屏幕上便出現(xiàn)兩個(gè)波形，一個(gè)是已存儲(chǔ)的波形信號(hào)，另一個(gè)是實(shí)時(shí)測(cè)量的波形信號(hào)。這種顯示方法可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)行波形與過(guò)去存儲(chǔ)下來(lái)的波形進(jìn)行比較的功能。三、鎖存和半存顯示鎖存顯示就是把一幅波形數(shù)據(jù)存入存28四、滾動(dòng)顯示滾動(dòng)顯示的表現(xiàn)形式是：被測(cè)波形連續(xù)不斷地從屏幕右端進(jìn)入，從屏幕左端移出。示波器猶如一臺(tái)圖形記錄儀，記錄筆在屏幕的右端，記錄紙由右向左移動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欲研究的波形部分時(shí)，還可將波形存儲(chǔ)或固定在屏幕上，以作細(xì)微的觀察與分析。滾動(dòng)顯示方式的機(jī)理是：每當(dāng)采集到一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，就把已存在存儲(chǔ)器中的所有數(shù)據(jù)都向前移動(dòng)一個(gè)單元，即將第一個(gè)單元的數(shù)據(jù)沖掉，其他單元的內(nèi)容依次向前遞進(jìn)，然后再在最后一個(gè)單元中存入新采集的數(shù)據(jù)。每寫(xiě)入一個(gè)數(shù)據(jù)，就進(jìn)行一次讀過(guò)程，讀出和寫(xiě)入的內(nèi)容不斷更新，因而可以產(chǎn)生波形滾滾而來(lái)的滾動(dòng)效果。滾動(dòng)顯示主要適于緩慢變化的信號(hào)。四、滾動(dòng)顯示滾動(dòng)顯示的表現(xiàn)形式是：被測(cè)波形連續(xù)不斷地29五、點(diǎn)顯示與插值顯示數(shù)字示波器屏幕顯示的波形一般是由一些密集的點(diǎn)構(gòu)成，通常稱(chēng)點(diǎn)顯示。在點(diǎn)顯示情況下，當(dāng)被觀察的信號(hào)在一周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)會(huì)引起視覺(jué)上的混淆現(xiàn)象，使觀察者很難辨認(rèn)。一般認(rèn)為當(dāng)采樣頻率低于被測(cè)信號(hào)頻率的2.5倍時(shí)，點(diǎn)顯示就會(huì)造成視覺(jué)混淆。采用插值顯示可以克服視覺(jué)的混淆現(xiàn)象，同時(shí)又不降低帶寬指標(biāo)。如圖所示，當(dāng)采用點(diǎn)顯示方式顯示采樣點(diǎn)數(shù)較少的正弦波形時(shí)所造成的視覺(jué)混淆，以及采用插值顯示的效果。五、點(diǎn)顯示與插值顯示數(shù)字示波器屏幕顯示的波形一般是由30

所謂插值顯示，即在波形上兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)間插入一個(gè)估值。數(shù)字示波器廣泛采用矢量插值法和正弦插值法兩種方式。矢量插值法是用斜率不同的直線段來(lái)連接相鄰的點(diǎn)。正弦插值法是以正弦規(guī)律，用曲線連接各數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示方式，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。

對(duì)每周期采樣點(diǎn)數(shù)較少的正弦波，采用正弦插值處理會(huì)得到滿意的顯示效果，如圖8－1４示。同樣，對(duì)脈沖信號(hào)采用矢量插值法會(huì)得到較滿意的效果，若選用正弦插值處理會(huì)在信號(hào)的前沿造成尖頭狀失真，如圖8－15示。五、點(diǎn)顯示與插值顯示所謂插值顯示，即在波形上兩個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)間插入一個(gè)估值。31

幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都充分地利用內(nèi)部微處理器系統(tǒng)以及A/D轉(zhuǎn)換器等硬件，構(gòu)成多種測(cè)量及數(shù)據(jù)處理能力，使數(shù)字示波器成為一臺(tái)功能很強(qiáng)大的測(cè)量?jī)x器。數(shù)字示波器的測(cè)量及處理功能包括：波形上任意兩點(diǎn)間的電位差（ΔU）以及時(shí)間差（Δt）的測(cè)量、波形的前后沿時(shí)間測(cè)量、峰-峰值測(cè)量、有效值測(cè)量、頻率測(cè)量、顯示波形平均值處理、兩波形的加、減、乘運(yùn)算、波形的頻譜分析等。8.2.4波形參數(shù)的測(cè)量與處理本節(jié)以ΔU與Δt測(cè)量、兩波形相加處理為代表，討論波形參數(shù)的測(cè)量與處理的一般原理及方法。幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都充分地利用內(nèi)部微處理器系統(tǒng)32一、ΔU、Δt的測(cè)量波形上任意兩點(diǎn)間的電位差(ΔU)和時(shí)間差(Δt)的測(cè)量一般采用加亮標(biāo)志法或光標(biāo)標(biāo)志法。加亮標(biāo)志法是將欲測(cè)量的波形段加亮進(jìn)行標(biāo)志，而光標(biāo)標(biāo)志法是通過(guò)設(shè)置兩條水平光標(biāo)線或兩條垂直光標(biāo)線對(duì)波形被測(cè)部分進(jìn)行標(biāo)志。波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，或者光標(biāo)線的位置，可通過(guò)面板相應(yīng)按鍵的控制下作步進(jìn)式的移動(dòng)，波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)或光標(biāo)線與波形的交點(diǎn)，對(duì)應(yīng)于信號(hào)存儲(chǔ)器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置不同的測(cè)量項(xiàng)目時(shí)，儀器即可在測(cè)量程序控制下實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量目的，并將測(cè)量結(jié)果直接顯示在CRT上。為了測(cè)量ΔU、Δt的大小，通常應(yīng)將掃描時(shí)間因數(shù)(t/div)和靈敏度(mＶ/div)分擋編成代碼，并與波形代碼一起存入存儲(chǔ)器，如表8－3和表8－4所示。一、ΔU、Δt的測(cè)量波形上任意兩點(diǎn)間的電位差(33

表8-3為掃描時(shí)間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時(shí)間因數(shù)都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)總數(shù)為30擋時(shí)，用5位二進(jìn)制代碼即可。表8-3為掃描時(shí)間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時(shí)34

表8-4為靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)靈敏度總數(shù)為6擋時(shí)，用3位二進(jìn)制代碼來(lái)表示6擋靈敏度。

最后，再把代表掃描時(shí)間因數(shù)的5位二進(jìn)制代碼放在一個(gè)字節(jié)的高5位，代表靈敏度的3位二進(jìn)制代碼放在同一字節(jié)的低3位，并在每次存儲(chǔ)一頁(yè)波形數(shù)據(jù)時(shí)，把這一字節(jié)內(nèi)容也存放在同一頁(yè)面的某個(gè)單元（例如0號(hào)單元）。表8-4為靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相351．加亮標(biāo)志法Δt測(cè)量原理

設(shè)波形由255個(gè)點(diǎn)組成，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)確定之后，每?jī)牲c(diǎn)之間的步進(jìn)時(shí)間Tstep便是確定的。若想測(cè)量波形某一部分的時(shí)間Δt，只需把這一部分加亮，把加亮部分的點(diǎn)數(shù)求出來(lái)，用點(diǎn)數(shù)乘以步進(jìn)時(shí)間Tstep即可求出Δt。

求解Δt的步驟：

1、根據(jù)掃描時(shí)間因數(shù)確定步進(jìn)時(shí)間Tstep；

2、求出測(cè)量波形（加亮部分）的點(diǎn)數(shù)；

3、Δt=點(diǎn)數(shù)×Tstep。步進(jìn)時(shí)間Tstep是隨不同的掃描時(shí)間而變的，此時(shí)只要把存放在波形頁(yè)面中0號(hào)地址的內(nèi)容取出來(lái)，根據(jù)它的高5位代碼就可以確定步進(jìn)時(shí)間及單位。1．加亮標(biāo)志法Δt測(cè)量原理設(shè)波形由255個(gè)36

圖8-16波形加亮及控制流程圖8-16波形加亮及控制流程37

圖中，端口“I/O”為控制加亮輸入口，端口“I/O，Z”為控制加亮輸出口。其中“I/O”口的U0鍵和U1鍵分別對(duì)應(yīng)波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并定義D1為1表示要改變U1的位置，D2為1表示要改變U0的位置，究竟作如何改變(進(jìn)或者退)則由進(jìn)/退鍵來(lái)決定，定義D0為1時(shí)進(jìn)，D1為0時(shí)退。在存儲(chǔ)階段，在CPU兩次取樣之間訪問(wèn)I/O口，若D1為1，則B寄存器加1(若同時(shí)D0為1)或者減1(若同時(shí)D0為0);若D2為1，則C寄存器加1(若同時(shí)D0為1)或者減1(若同時(shí)D0為0)，使寄存器B和C分別寄存加亮部分起點(diǎn)和終點(diǎn)的地址。在顯示波形時(shí)，不斷地讓信號(hào)存儲(chǔ)器的地址計(jì)數(shù)器(L寄存器)與C寄存器比較，當(dāng)L＝C時(shí)，則使“I/O，Z”口的D0置1，它與加亮信號(hào)組合起來(lái)就產(chǎn)生了在波形上加亮的效果。同樣若L＝B，則使“I/O，Z”口的D0置0，這就是加亮的結(jié)束。這樣，通過(guò)按動(dòng)U0鍵、U1鍵和進(jìn)退鍵，便可產(chǎn)生使波形加亮部分變寬、變窄以及左右移動(dòng)的效果。于是，可以得到加亮待測(cè)波形部分的時(shí)間T＝(B-C)×Tstep，式中的(B-C)即為加亮標(biāo)志間的點(diǎn)數(shù)。圖中，端口“I/O”為控制加亮輸入口，端口“I38二、兩波形的“加”運(yùn)算

兩波形的“加”運(yùn)算是指把存放在不同頁(yè)面中的波形數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相加。相加時(shí)，要求波形的掃描時(shí)間因數(shù)必須相同，否則無(wú)法表示相加后的時(shí)間；應(yīng)注意兩個(gè)頁(yè)面的靈敏度要相同，若靈敏度不同，應(yīng)在運(yùn)算之前把兩頁(yè)面的靈敏度給以調(diào)整或“對(duì)齊”，記下靈敏度調(diào)整系數(shù)。相加時(shí)，如有溢出還應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整，使每?jī)牲c(diǎn)相加結(jié)果不超過(guò)255。靈敏度對(duì)齊程序的依據(jù)是表8－6所示的靈敏度與代碼關(guān)系表。首先把A、B頁(yè)面的靈敏度代碼相減，若結(jié)果為零，說(shuō)明兩頁(yè)面的靈敏度相同不需要調(diào)整。若不為零，應(yīng)把相減的差值L（即靈敏度的差值）按2L計(jì)算出調(diào)整系數(shù)，然后進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整原則是：向低靈敏度對(duì)齊，即把靈敏度高的頁(yè)面做被調(diào)整頁(yè)，將其代碼改為低靈敏度代碼，再把被調(diào)整頁(yè)每一單元的數(shù)都除以調(diào)整系數(shù)。當(dāng)靈敏度“對(duì)齊”以后，便把兩頁(yè)面對(duì)應(yīng)地址中的數(shù)相加，相加的結(jié)果放在B頁(yè)面對(duì)應(yīng)的地址中。若兩個(gè)數(shù)相加有溢出，則把溢出標(biāo)志碼AAH存入E寄存器中，二、兩波形的“加”運(yùn)算兩波形的“加”運(yùn)算是指把存放在39二、兩波形的“加”運(yùn)算“加”運(yùn)算流程二、兩波形的“加”運(yùn)算408.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)8.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)用普通示波器顯示被測(cè)波形的簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器，示意圖如下：考慮到電子競(jìng)賽的特點(diǎn)，將示波器被測(cè)信號(hào)的最高頻率分量（存儲(chǔ)帶寬）限定在50kHz，其顯示部分用模擬示波器（X－Y工作方式）來(lái)替代。8.3數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)8.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存41

(1)具有連續(xù)觸發(fā)和單次觸發(fā)兩種存儲(chǔ)顯示方式。在連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式中，儀器能連續(xù)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲(chǔ)當(dāng)前波形）功能。在單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式下，每按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對(duì)被測(cè)周期信號(hào)或單次非周期信號(hào)進(jìn)行一次采集與存儲(chǔ)，然后連續(xù)顯示采集的波形。

(2)器垂直分辨率為32級(jí)/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div(設(shè)示波器顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為8div)，輸入阻抗大于100kΩ。

(3)頻率范圍為DC～50kHz，最少設(shè)置0.2s/div、0.2ms/div、20μs/div三擋掃描速度，其誤差≤5%；最少設(shè)置1V/div、0.1V/div、0.01V/div三擋垂直靈敏度，其誤差≤5%。

(4)儀器觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。

(5)具有雙蹤示波功能，能同時(shí)顯示兩路被測(cè)信號(hào)波形。

(6)具有水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能，要求將存儲(chǔ)深度增加一倍，并且能通過(guò)操作“移動(dòng)”鍵顯示被存儲(chǔ)信號(hào)波形的任一部分。

(7)其他，例如具有量程自動(dòng)調(diào)節(jié)(Autoscale)功能、頻譜分析功能等。要求達(dá)到的功能和技術(shù)指標(biāo)：(1)具有連續(xù)觸發(fā)和單次觸發(fā)兩種存儲(chǔ)顯示方式。在連續(xù)觸428.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)

一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定設(shè)計(jì)要求存儲(chǔ)示波器具有單次觸發(fā)功能，能對(duì)單次出現(xiàn)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，非實(shí)時(shí)的等效時(shí)間取樣方式無(wú)能為力；另一方面，本題要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率僅為2MHz，因此，本設(shè)計(jì)選用實(shí)時(shí)取樣方式。1.取樣方式的選擇本題要求示波器垂直分辨率為32級(jí)/div，而顯示屏的垂直刻度為8div，因而要求A/D轉(zhuǎn)換器能分辨32×8＝256級(jí)，應(yīng)選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器。本題要求示波器的最快掃描速度為20μs/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div，因而A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為1MHz。若考慮雙蹤輸入情況，A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)選擇在2MHz以上。根據(jù)上述分析，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)選擇最高轉(zhuǎn)換速率為2MHz以上的8位A/D轉(zhuǎn)換器，例如CA3308、TLC5510等。2.A/D轉(zhuǎn)換器的選擇8.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)一、技術(shù)指標(biāo)分析438.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)

一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定本題要求水平分辨率為20點(diǎn)/div，而顯示屏水平刻度為10div，因而滿屏掃描顯示需20×10＝200點(diǎn)?？紤]雙蹤示波功能，存儲(chǔ)深度應(yīng)增加到400點(diǎn)，若再考慮水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能的需要，可考慮選擇容量為1KB以上的存儲(chǔ)器。數(shù)字存儲(chǔ)示波器工作的一個(gè)重要特點(diǎn)是要求數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀出能同時(shí)進(jìn)行，這就存在一個(gè)共享RAM的問(wèn)題。可以考慮采用如下兩種方案：

(1)采用一般的RAM并設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍控制電路，使數(shù)據(jù)的寫(xiě)入與讀出分時(shí)使用同一套總線。

(2)采用具有兩套總線的雙口RAM器件。根據(jù)上述分析，本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器擬選擇雙口RAM器件，例如選擇容量為2KB的雙口RAM器件IDT7132。3.存儲(chǔ)器的選擇8.3.1簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)一、技術(shù)指標(biāo)分析44由于存儲(chǔ)示波器一般采樣速率較高(本題要求最高采樣速率不小于2MHz)，控制的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，并且采集與存儲(chǔ)要求保持嚴(yán)格的同步，因此采用普通單片機(jī)直接控制很難勝任。本設(shè)計(jì)采用了“CPLD＋單片機(jī)”的兩層控制方案，底層控制由CPLD或普通IC為核心的高速邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和高速的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸；頂層由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理等項(xiàng)工作。這種控制方案使單片機(jī)和高速邏輯器件揚(yáng)長(zhǎng)避短地有效地結(jié)合在一起。4.控制方案的確定由于存儲(chǔ)示波器一般采樣速率較高(本題要求最高采樣速率不45二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)輸入電路主要作用是將輸入信號(hào)的幅度調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓范圍內(nèi)。題目要求垂直靈敏度擋位范圍在0.01V/div～1V/div之間，示波器顯示屏的垂直刻度為8div，則對(duì)應(yīng)被測(cè)信號(hào)電壓幅度的范圍應(yīng)在0.08V～8V之間。如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為2V，則計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的輸入電路的衰減放大系數(shù)的范圍應(yīng)為0.25～25。若考慮Autoscale功能的要求，則應(yīng)按1－2－5分配原則設(shè)置7擋垂直靈敏度的量程（覆蓋題目要求的3擋量程）。不同垂直靈敏度（V/div擋）與對(duì)應(yīng)的衰減放大系數(shù)的關(guān)系如表所示。1.輸入電路的分析與設(shè)計(jì)很顯然，輸入電路應(yīng)是一個(gè)寬帶的數(shù)控衰減放大電路。根據(jù)表8-7提供的數(shù)據(jù)，輸入電路可以由二擋量程的程控衰減器(×1、0.1)和四擋量程的程控放大器(×2.5、×5、×12.5、×25)組合而成，或者采用具有7擋量程的程控衰減器和放大倍數(shù)固定為25的放大器組成等方案。垂直靈敏度(V/div)10mV20mV50mV0.1V0.2V0.5V1V衰減放大系數(shù)2512.552.51.250.50.25二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)輸入電路主要作用是將輸入信號(hào)46二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)1.輸入電路的分析與設(shè)計(jì)本題要求儀器輸入帶寬不小于50kHz，選用集成運(yùn)放LF356(GBW為5MHz)；實(shí)際輸入電路設(shè)計(jì)還要考慮雙蹤輸入，單雙蹤控制由多路選擇器IC6完成，當(dāng)P1.1為高電平時(shí)，儀器為雙蹤示波功能；主放大器IC3是根據(jù)表8-7設(shè)計(jì)的具有七擋量程的程控放大器，通過(guò)控制模擬選擇開(kāi)關(guān)IC7實(shí)現(xiàn)垂直靈敏度的選擇；IC4組成電平移位電路，以使輸入信號(hào)的電平移位到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的0～2V范圍內(nèi)。（典型的輸入電路設(shè)計(jì)方案舉例）二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì)1.輸入電路的分析與設(shè)計(jì)472.采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)示波器的采樣與存儲(chǔ)控制電路一般由時(shí)鐘、t/div控制器、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器、RAM讀/寫(xiě)控制等組成，圖822給出了能滿足本設(shè)計(jì)要求的采樣與存儲(chǔ)控制電路原理簡(jiǎn)要框圖。輸入信號(hào)經(jīng)輸入電路分送至A/D轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)電路?？刂齐娐芬坏┙拥絹?lái)自觸發(fā)電路的觸發(fā)信號(hào)，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集及RAM寫(xiě)入過(guò)程：一方面，“t/div”控制器產(chǎn)生一個(gè)對(duì)應(yīng)控制轉(zhuǎn)換速率的采集信號(hào)，使A/D轉(zhuǎn)換器按設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采集；另一方面，使寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器按順序遞增，以選通RAM中對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元。為了保證下一個(gè)數(shù)據(jù)能可靠寫(xiě)入到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，應(yīng)安排在時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到存儲(chǔ)器，在其下降沿將地址計(jì)數(shù)器加1。一旦200個(gè)存儲(chǔ)單元寫(xiě)滿，就完成了一個(gè)寫(xiě)入循環(huán)。2.采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)存儲(chǔ)示波器的采樣與存儲(chǔ)控482.采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)

t/div控制器用于控制A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器的寫(xiě)入地址，它是采集與存儲(chǔ)控制電路的核心。

t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，題目要求掃描速度范圍在0.2s/div～20μs/div之間，水平分辨率為20點(diǎn)/div，則根據(jù)式(8.1)進(jìn)行推算，得A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的范圍在100Hz～1MHz之間。若考慮Autoscale功能的要求，應(yīng)按1-2-5分配原則設(shè)置13擋掃描速度量程。經(jīng)計(jì)算得到不同t/div擋與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系如表所示。2.采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì)t/div控制器用493.波形顯示電路的設(shè)計(jì)

波形顯示控制電路一般由時(shí)鐘、讀地址計(jì)數(shù)器、RAM讀控制等部分組成，用以控制雙口RAM的一組地址和控制總線。波形顯示控制電路和采集與存儲(chǔ)控制電路在邏輯關(guān)系上是可以分離的，但在設(shè)計(jì)中兩者可以設(shè)計(jì)在同一可編程邏輯器件中。數(shù)字存儲(chǔ)示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)重要方面是，波形的顯示與波形的采集和存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù)以何種速度寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以固定的速度讀出，因而可以得到清晰而穩(wěn)定的波形。這樣我們就可以無(wú)閃爍地觀察極慢信號(hào)，同時(shí)也可以穩(wěn)定地顯示很高頻率的信號(hào)。這是模擬示波器所不能及的。3.波形顯示電路的設(shè)計(jì)波形顯示控制電路一503.波形顯示電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的控制電路如圖所示。圖中，讀地址計(jì)數(shù)器一方面提供連續(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(hào)Ｙ(ｔ)，然后送至示波器CRT的Y軸；另一方面，提供的地址信號(hào)也同時(shí)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸做同步的掃描信號(hào)Ｘ(ｔ)。很顯然，由于Ｘ(ｔ)和Ｙ(ｔ)信號(hào)都來(lái)源于同一地址發(fā)生器，因而在顯示屏上形成的波形非常穩(wěn)定。3.波形顯示電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易數(shù)字存儲(chǔ)示51

三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件的作用除表現(xiàn)在底層控制和人機(jī)界面的控制外，更重要的是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方面。這是因?yàn)楸粶y(cè)信號(hào)已按預(yù)定的速率取樣、量化并存儲(chǔ)在儀器中，因而通過(guò)軟件可以很自如地對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而擴(kuò)展出許多儀器功能。例如基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能基于幅度和頻率測(cè)量算法的自動(dòng)測(cè)試功能：這類(lèi)算法的主要思想是：通過(guò)查找存儲(chǔ)在RAM中波形數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及過(guò)零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算出信號(hào)的頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。這里特別要說(shuō)明Autoscale功能，由于儀器已具備測(cè)頻和測(cè)幅的功能，所以?xún)x器就能根據(jù)已經(jīng)測(cè)得的信號(hào)頻率和幅度，計(jì)算并設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號(hào)波形能自動(dòng)地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能實(shí)際上是一個(gè)二維的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。三、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件的作用除表現(xiàn)528.3.2等效時(shí)間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)本節(jié)擬通過(guò)對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及回波顯示系統(tǒng)的分析，討論基于等效時(shí)間取樣方式的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)方法。探地雷達(dá)的回波信號(hào)有兩個(gè)特點(diǎn)：一是回波信號(hào)的最高頻率分量高達(dá)GHz量級(jí)，這就對(duì)A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的要求；二是信號(hào)幅度變化的動(dòng)態(tài)范圍很大，要求采用14～16位A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實(shí)時(shí)取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，無(wú)論從技術(shù)條件還是從價(jià)格上都是困難的。所幸的是，探地雷達(dá)回波信號(hào)在一定的時(shí)間內(nèi)(ms級(jí))，可以認(rèn)為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號(hào)。因此，該系統(tǒng)采用等效時(shí)間取樣方案是非常合適的。8.3.2等效時(shí)間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)本節(jié)擬通53擬定的探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。系統(tǒng)采用了“CPLD＋單片機(jī)＋PC機(jī)”三層控制方案。底層控制由以CPLD為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^(guò)程；中層控制由單片機(jī)組成，一方面接收并執(zhí)行由PC機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí)施對(duì)底層控制器的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出并迅速上傳至PC機(jī)；上層控制由便攜式PC機(jī)完成，一方面為用戶提供一個(gè)操作窗口，完成對(duì)儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)上傳的回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示波形。擬定的探地雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。54系統(tǒng)的時(shí)基電路按照PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號(hào)，該信號(hào)一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的ns級(jí)寬度的窄脈沖電磁波信號(hào)；電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會(huì)產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號(hào)，這些回波信號(hào)由接收天線接收后經(jīng)過(guò)低噪放大，送往取樣門(mén)電路；時(shí)基電路送出的觸發(fā)脈沖信號(hào)也同時(shí)送給步進(jìn)脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號(hào)，步進(jìn)脈沖信號(hào)經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門(mén)電路對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行取樣；取樣后的回波信號(hào)經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號(hào)，然后再將該信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)FIFO存儲(chǔ)器的緩沖，傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行后處理及顯示；為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)向PC機(jī)傳輸?shù)乃俣龋瑔纹瑱C(jī)與PC機(jī)接口采用USB總線。系統(tǒng)的工作流程如下本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及高速傳輸電路三部分的原理。系統(tǒng)的時(shí)基電路按照PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈55

一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門(mén)電路取樣的取樣脈沖信號(hào)和啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的步進(jìn)脈沖信號(hào)。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí)間達(dá)到0.1ns。步進(jìn)脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組成，原理見(jiàn)8.2.2節(jié)的介紹。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了美國(guó)數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器AD9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器等電路，而且還內(nèi)置了D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時(shí)只需要提供外部觸發(fā)信號(hào)以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進(jìn)延時(shí)達(dá)10ps的步進(jìn)脈沖信號(hào)。若使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對(duì)AD9500的控制，則整個(gè)步進(jìn)系統(tǒng)的電路將會(huì)大幅度簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門(mén)電56AD9500是8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所示。

AD9500的核心部件線性斜波發(fā)生器由差分模擬輸入級(jí)、定時(shí)控制電路、基準(zhǔn)電流、外接電容CEXT和外接電阻RSET等組成。從觸發(fā)到比較器翻轉(zhuǎn)之間的這段時(shí)間間隔就是AD9500的總延時(shí)t，其值由斜波的斜率和加在內(nèi)置DAC輸入端D7～D0的數(shù)據(jù)兩個(gè)因素決定。AD9500是8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定57以AD9500為核心的步進(jìn)系統(tǒng)及控制電路原理圖以AD9500為核心的步進(jìn)系統(tǒng)及控制電路原理圖58二、取樣電路的設(shè)計(jì)取樣電路由低噪放大器、取樣門(mén)電路、取樣脈沖發(fā)生器、保持放大器組成。本節(jié)側(cè)重討論取樣門(mén)電路和取樣脈沖發(fā)生器電路。取樣門(mén)的種類(lèi)很多，有單管門(mén)、平衡門(mén)、雙管門(mén)、行波門(mén)等。單管門(mén)是最簡(jiǎn)單的取樣門(mén)電路，圖中二極管VD為取樣開(kāi)關(guān)，Cs為取樣電容，E和R1組成取樣門(mén)的偏置電路，取樣脈沖經(jīng)R0加至取樣門(mén)。1.取樣門(mén)電路

單管取樣門(mén)電路原理圖平時(shí)取樣二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)取樣脈沖到來(lái)時(shí)，取樣二極管導(dǎo)通，輸入信號(hào)在極短時(shí)間內(nèi)向取樣電容Cs充電，從而獲得樣品輸出。單管取樣門(mén)電路簡(jiǎn)單，元器件少。但是，由于電路中信號(hào)源與取樣脈沖直接耦合，會(huì)產(chǎn)生干擾；另外，由于取樣門(mén)開(kāi)啟時(shí)被測(cè)信號(hào)和取樣脈沖同時(shí)向取樣電容充電，取樣脈沖幅度的不穩(wěn)定會(huì)使取樣門(mén)輸出信噪比降低。二、取樣電路的設(shè)計(jì)取樣電路由低噪放大器、取樣門(mén)電路、取591.取樣門(mén)電路由于單管取樣門(mén)電路存在上述缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了四管平衡取樣門(mén)電路。四管平衡取樣門(mén)電路又稱(chēng)橋式取樣門(mén)，圖中，取樣二極管VD1～VD4組成橋式門(mén)的四臂，＋Ep，-Ep為二極管的反向偏壓。取樣脈沖分別由橋的對(duì)角線兩端加入，橋的另一組對(duì)角線端分別做取樣門(mén)的輸入、輸出端。R1是輸入端匹配電阻，Cs為取樣電容，T為平衡脈沖變壓器。根據(jù)平衡橋原理，加在VD1～VD4橋?qū)蔷€2,4兩端的取樣脈沖不會(huì)在1,3兩端輸出，即取樣脈沖對(duì)被測(cè)信號(hào)源沒(méi)有形成干擾，提高了系統(tǒng)的信噪比。當(dāng)兩個(gè)方向相反、大小相同的取樣脈沖電流流過(guò)磁環(huán)繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁通會(huì)相互抵消，可抑制兩個(gè)脈沖的不對(duì)稱(chēng)。對(duì)被測(cè)信號(hào)來(lái)說(shuō)，磁環(huán)的兩個(gè)繞組是同相的，信號(hào)電流流過(guò)磁環(huán)繞組時(shí)產(chǎn)生的磁通相互疊加，磁環(huán)對(duì)信號(hào)呈現(xiàn)高阻抗，從而形成高阻取樣門(mén)。四管平衡取樣門(mén)電路1.取樣門(mén)電路由于單管取樣門(mén)電路存在上述缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采60二、取樣電路的設(shè)計(jì)取樣脈沖發(fā)生器用于將步進(jìn)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的取樣脈沖進(jìn)一步整形，以產(chǎn)生幅度足夠大、寬度足夠窄并具良好穩(wěn)定性的取樣脈沖。取樣脈沖發(fā)生器由驅(qū)動(dòng)級(jí)和形成級(jí)兩部分組成。驅(qū)動(dòng)級(jí)的作用是對(duì)步進(jìn)系統(tǒng)生成的步進(jìn)脈沖信號(hào)整形，以產(chǎn)生高速、大幅度取樣脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)級(jí)電路通常采用雪崩晶體三極管電路和間歇振蕩器電路兩種形式。高速半導(dǎo)體器件雪崩晶體三極管可以較方便地產(chǎn)生具有納秒和亞納秒上升時(shí)間以及很大峰值功率的脈沖信號(hào)。因此，采用雪崩晶體三極管電路形式。形成級(jí)的作用是將取樣脈沖進(jìn)一步整形為邊沿更加陡峭、底寬很窄的脈沖信號(hào)，一般由階躍恢復(fù)二極管和微分電路組成。當(dāng)階躍恢復(fù)二極管處于正向?qū)顟B(tài)的二極管突然加上反向電壓時(shí)，瞬態(tài)反向電流立即達(dá)到最大值并維持一段時(shí)間，接著又立即恢復(fù)到零，利用階躍二極管的這種階躍特性，可以將脈沖信號(hào)整形為邊沿更快的脈沖信號(hào)。2.取樣脈沖發(fā)生器二、取樣電路的設(shè)計(jì)取樣脈沖發(fā)生器用于將步進(jìn)脈沖發(fā)生器產(chǎn)61圖中Q1是雪崩晶體三極管，基極通過(guò)R1接地，使雪崩管平時(shí)處在截止?fàn)顟B(tài)。集電極由＋30V電源通過(guò)R2供電，當(dāng)取樣指令脈沖到達(dá)Q1基極時(shí)，雪崩過(guò)程發(fā)生，從而在集電極產(chǎn)生負(fù)極性脈沖而在發(fā)射極產(chǎn)生正極性脈沖。這組脈沖再通過(guò)C3，R4和C4，R5微分電路以及階躍二極管組成的形成電路處理后，就產(chǎn)生了幅度約5V、前沿不小于4ns、底寬不大于10ns的取樣脈沖。該取樣脈沖送往取樣門(mén)電路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)探地雷達(dá)回波信號(hào)的取樣。取樣脈沖發(fā)生器電路原理圖圖中Q1是雪崩晶體三極管，基極通過(guò)R1接地，使雪崩管平時(shí)62

三、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸電路由于等效取樣后回波信號(hào)的最高頻率為50kHz，確定A/D轉(zhuǎn)換的最高轉(zhuǎn)換速率為500kHz；若采用程序控制將很難實(shí)現(xiàn)，因而采用CPLD實(shí)施直接控制；同時(shí)采用FIFO高速緩存技術(shù)，以協(xié)調(diào)高速采集與后級(jí)傳輸速度之間的關(guān)系。為了達(dá)到8Mb/s傳輸速率的要求，采用USB總線將數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)。三、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸電路由于等效取樣后回波信號(hào)的63數(shù)字示波器參考材料課件648.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理8.1概述典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示8.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理8.1概述典型的數(shù)658.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)完成的完整A／D轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。

最大取樣速率主要由A／D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來(lái)決定。最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號(hào)的能力愈強(qiáng)。1．最大取樣速率fmax數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測(cè)量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時(shí)設(shè)定的掃描時(shí)間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為（8.1）式中N——每格的取樣數(shù)；t/div——掃描時(shí)間因數(shù)，掃描一格所占用的時(shí)間。亦稱(chēng)掃描速度，例如，若某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10μs/div，每格取樣數(shù)為100點(diǎn)，則此時(shí)的取樣速率等于10MHz。很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對(duì)應(yīng)。若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100ns/div，則其fmax為1GHz。8.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)定義：?jiǎn)?6存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號(hào)最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號(hào)波形。實(shí)際上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)，一般一個(gè)周期取4～10點(diǎn)。2．存儲(chǔ)帶寬分辨率用于反映存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié)的綜合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率相對(duì)應(yīng)，常以屏幕每格的分級(jí)數(shù)(級(jí)/div)表示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容量來(lái)決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)（點(diǎn)/div）表示。示波管屏幕坐標(biāo)的刻度一般為8×10div。若示波器采用8位A/D轉(zhuǎn)換器(256級(jí))，則其垂直分辨率為32級(jí)/div，用百分?jǐn)?shù)表示為1/256≈0.39％。若采用容量為1KB的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為1024/10≈100點(diǎn)/div，或用百分?jǐn)?shù)表示為1/1024≈0.1％。3．分辨率存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大67存儲(chǔ)容量又稱(chēng)記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)表示，常以字（word）為單位。存儲(chǔ)容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采用256B，512B，1KB，4KB等。存儲(chǔ)容量愈大，水平分辨率就愈高。但存儲(chǔ)容量并非越大越好，由于儀器最高取樣速率的限制，若存儲(chǔ)容量選取不恰當(dāng)，往往會(huì)因時(shí)間窗口縮短而失去信號(hào)的重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平分辨率降低。4．存儲(chǔ)容量讀出速度是指將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用(時(shí)間)/div表示。其中，時(shí)間等于屏幕中每格內(nèi)對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)容量×讀脈沖周期。使用時(shí)，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對(duì)速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。5．讀出速度存儲(chǔ)容量又稱(chēng)記錄長(zhǎng)度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來(lái)688.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)數(shù)字存儲(chǔ)示波器在存儲(chǔ)工作階段，對(duì)快速信號(hào)采用較高的速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，對(duì)慢速信號(hào)采用較低速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，但在顯示工作階段，其讀出速度采取了一個(gè)固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲得清晰而穩(wěn)定的波形。

◆可以無(wú)閃爍地觀察頻率很低的信號(hào)，這是模擬示波器無(wú)能為力的。◆對(duì)于觀測(cè)頻率很高的信號(hào)來(lái)說(shuō)，模擬示波器必須選擇帶寬很高的陰極射線示波管，這就使造價(jià)上升，并且顯示精度和穩(wěn)定性都較低。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用了一個(gè)固定的相對(duì)較低的速率顯示，從而可以使用低帶寬、高分辨率、高可靠性而低造價(jià)的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述問(wèn)題。若采用彩色顯示,還可以很好地分辨各種信息.數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。8.1.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)(1)69

(3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號(hào)，而且能顯示觸發(fā)前的信號(hào)，并且可以任意選擇超前或滯后的時(shí)間，這對(duì)材料強(qiáng)度、地震研究、生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)提供了有利的工具。除此之外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器還可以向用戶提供邊緣觸發(fā)、組合觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)、延遲觸發(fā)等多種方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、準(zhǔn)確地對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析。

(4)測(cè)量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決定，故很難實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間精度，一般限制在3%～5%。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器由于使用晶振作高穩(wěn)定時(shí)鐘，有很高的測(cè)時(shí)精度。采用多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測(cè)量精度大大提高。尤其是能夠自動(dòng)測(cè)量直接讀數(shù)，有效地克服示波管對(duì)測(cè)量精度的影響，使大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測(cè)量精度優(yōu)于1%。

(2)數(shù)字存儲(chǔ)示波器能長(zhǎng)時(shí)間地保存信號(hào)。這種特性對(duì)觀察單次出現(xiàn)的瞬變信號(hào)尤為有利。有些信號(hào)，如單次沖擊波、放電現(xiàn)象等都是在短暫的一瞬間產(chǎn)生，在示波器的屏幕上一閃而過(guò)，很難觀察。數(shù)字存儲(chǔ)示波器問(wèn)世以前，屏幕照相是“存儲(chǔ)”波形采取的主要方法。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把波形以數(shù)字方式存儲(chǔ)起來(lái)，因而操作方便，且其存儲(chǔ)時(shí)間在理論上可以是無(wú)限長(zhǎng)的。(3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)70

(6)具有數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出功能，所以可以很方便地將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送到計(jì)算機(jī)或其他外部設(shè)備,進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算或分析處理。同時(shí)還可以通過(guò)GP－IB接口與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成強(qiáng)有力的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

(5)具有很強(qiáng)的處理能力，這是由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)含微處理器，因而能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測(cè)量與顯示，例如上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈寬、頻率、峰峰值等參數(shù)的測(cè)量與顯示。能對(duì)波形實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的處理，例如取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對(duì)兩波形進(jìn)行加、減、乘等運(yùn)算處理。同時(shí)還能使儀器具有許多自動(dòng)操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器使用很方便。數(shù)字存儲(chǔ)示波器也有它的局限性，例如，由于受A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速率等因素的影響，數(shù)字存儲(chǔ)示波器目前還不能用于觀測(cè)頻率較高的信號(hào)。(6)具有數(shù)字信號(hào)的輸入/輸出功能，所以可以很方便地718.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析

波形的采集波形的顯示波形的測(cè)量波形的處理8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理

8.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理

8.2.3波形的顯示

8.2.4波形參數(shù)的測(cè)量與處理實(shí)時(shí)取樣等效時(shí)間取樣8.2數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析8.2.1728.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理

實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存入存儲(chǔ)器中。典型實(shí)時(shí)取樣方式的采集電路如圖。本節(jié)重點(diǎn)分析：一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換二、t/div控制器三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器四、預(yù)置觸發(fā)功能8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理實(shí)時(shí)取樣是指對(duì)738.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換取樣即連續(xù)波形的離散化，其方法可用右圖說(shuō)明。把模擬波形送到加有反偏的取樣門(mén)的a點(diǎn)，在c點(diǎn)加入等間隔取樣脈沖，則對(duì)應(yīng)時(shí)間tn(n＝1，2，3，…)取樣脈沖打開(kāi)取樣門(mén)的瞬間，在b點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n＝1，2，3，…)，這個(gè)模擬量an就是取樣后得到的離散化的模擬量。１、取樣8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換748.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理１、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換若把a(bǔ)n中的每一個(gè)離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。例如a1→A/D→01H；a2→A/D→02H；a3→A/D→03H；…a7→A/D→01H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲(chǔ)器中，就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)起來(lái)一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ)帶寬以及垂直分辨率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)示波器采用的A/D轉(zhuǎn)換的形式有逐次比較型、并聯(lián)比較型、串并聯(lián)型以及CCD器件與A/D轉(zhuǎn)換器相配合的形式等。并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可以做得較高，但價(jià)格也較貴，是數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用最多的一種形式。8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理１、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換758.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div控制器

掃描速度t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制A/D轉(zhuǎn)換速率以及存儲(chǔ)器的寫(xiě)入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器和相應(yīng)的組合電路組成。典型的t/div控制電路原理如圖8.2.1實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div76數(shù)字示波器參考材料課件77三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器

寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫(xiě)地址信號(hào)，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù)由存儲(chǔ)長(zhǎng)度來(lái)決定。寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘的頻率相同。寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器原理圖如圖示。三、寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器寫(xiě)地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫(xiě)地址78四、預(yù)置觸發(fā)功能

預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)延遲觸發(fā)兩種情況。并且正負(fù)延遲及延遲時(shí)間都可以進(jìn)行預(yù)置。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過(guò)控制存儲(chǔ)器的寫(xiě)操作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測(cè)信號(hào)大于預(yù)置電平時(shí)，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，于是存儲(chǔ)器就從零地址開(kāi)始寫(xiě)入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫(xiě)滿1024個(gè)單元后便停止寫(xiě)操作。顯示也從零地址開(kāi)始讀數(shù)據(jù)，則對(duì)應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)開(kāi)始后的波形。在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，在正延遲時(shí)(即顯示延遲觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，存儲(chǔ)器不立即寫(xiě)入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開(kāi)始寫(xiě)入。這樣當(dāng)顯示時(shí)，示波器屏幕上顯示的信號(hào)便是觸發(fā)點(diǎn)之后N個(gè)取樣點(diǎn)的波形。這等效于示波器的時(shí)間窗口右移。在正延遲時(shí)四、預(yù)置觸發(fā)功能預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)79四、預(yù)置觸發(fā)功能

在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號(hào)到來(lái)前，存儲(chǔ)器信號(hào)便就一直處于0～1023單元不斷循環(huán)寫(xiě)入的過(guò)程中，當(dāng)寫(xiě)滿1024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫(xiě)入。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，使存儲(chǔ)器再寫(xiě)入1024N個(gè)取樣點(diǎn)之后停止寫(xiě)操作。顯示時(shí)，不是從零地址讀數(shù)據(jù)，而是從停止寫(xiě)操作時(shí)地址的下一個(gè)地址作為顯示首地址連續(xù)讀1024個(gè)單元的內(nèi)容。這樣，示波器屏幕上顯示的便是觸發(fā)點(diǎn)之前N次取樣點(diǎn)為起點(diǎn)的波形，這等于示波器的時(shí)間窗口左移。在負(fù)延遲時(shí)四、預(yù)置觸發(fā)功能在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取80四、預(yù)置觸發(fā)功能四、預(yù)置觸發(fā)功能818.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理

實(shí)時(shí)取樣方式對(duì)觀測(cè)單次出現(xiàn)的信號(hào)非常有效，是數(shù)字存儲(chǔ)示波器必須具備的取樣方式，但實(shí)時(shí)取樣方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀察和存儲(chǔ)信號(hào)的頻帶寬度受到了限制。等效時(shí)間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的高頻信號(hào)變換成波形與其相似的周期性低頻信號(hào)，然后再做進(jìn)一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。但等效時(shí)間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號(hào)。一個(gè)典型的采用等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-7所示。8.2.2等效時(shí)間取樣方式的采集原理82數(shù)字示波器參考材料課件83步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框圖如圖。靜態(tài)時(shí)，D觸發(fā)器的Q端為高電平，VT11導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖到來(lái)時(shí)，D觸發(fā)器的Q端變?yōu)榈碗娖剑琕T11關(guān)閉，電容C充電形成斜波信號(hào)，VT11、VT12組成的自舉電路用以保證斜波的線性。斜波信號(hào)加在比較器正端，階梯波加在比較器負(fù)端。當(dāng)斜波電壓上升超過(guò)比較器負(fù)端電平時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)反相送給D，D復(fù)位Q返回到高。每次取樣后，階梯波都會(huì)抬高一階，如此重復(fù)下去，就能在比較器輸出端得到一系列的步進(jìn)延遲脈沖信號(hào)。步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框84綜上所述，通過(guò)改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到特定大小的步進(jìn)延遲時(shí)間，從而使示波器的帶寬在很大范圍內(nèi)降低了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的要求。用等效時(shí)間取樣方式設(shè)計(jì)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，其帶寬可以較容易地達(dá)到1000MHz，而且能較容易地把ps量級(jí)的脈沖波形存儲(chǔ)起來(lái)。但該方法要求被測(cè)信號(hào)必須是周期性信號(hào)。由圖知，若階梯波的單位階梯電壓為ΔUA，斜波信號(hào)的斜率為uF，則步進(jìn)脈沖滯后觸發(fā)脈沖的步進(jìn)時(shí)間Δt為Δt=ΔUAuF

(8.4)上式說(shuō)明，Δt與階梯波電壓成正比，與斜波斜率成反比。綜上所述，通過(guò)改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到858.2.3波形的顯示為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有多種靈活的顯示方式一、存儲(chǔ)顯示

存儲(chǔ)顯示是數(shù)字存儲(chǔ)示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是觸發(fā)后所存儲(chǔ)的一幀波形信號(hào)，即在一次觸發(fā)所完成的一幀信號(hào)數(shù)據(jù)采集之后，再通過(guò)控制存儲(chǔ)器的地址依次將數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。依照讀出方法的不同，又可分為:CPU控制方式直接控制方式。8.2.3波形的顯示為適應(yīng)不同波形的觀測(cè)，數(shù)字存儲(chǔ)86一、存儲(chǔ)顯示CPU控制方式顯示過(guò)程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)按地址順序取出，送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還原為模擬量送至Y軸；與此同時(shí)，將地址按同樣順序送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為階梯波送至X軸。這樣就能把被測(cè)波形顯示在CRT屏幕上。設(shè)存儲(chǔ)波形時(shí)是以255個(gè)地址為一頁(yè)面，現(xiàn)通過(guò)下圖說(shuō)明其原理。一、存儲(chǔ)顯示CPU控制方式顯示過(guò)程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)87一、存儲(chǔ)顯示直接控制方式一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)生的連續(xù)地址信號(hào)依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)地送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后將恢復(fù)的模擬量送至CRT的X軸；另一方面，地址計(jì)數(shù)器提供的地址信號(hào)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成階梯波送至CRT的Y軸作同步的掃描信號(hào)。于是在CRT屏幕上便形成了被顯示的模擬波形。很顯然，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時(shí)鐘的速率，速度較快。特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸不再經(jīng)過(guò)CPU，而直接對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，因此速度快。顯示原理見(jiàn)圖。一、存儲(chǔ)顯示直接控制方式一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘88一、存儲(chǔ)顯示

存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示之分。在連續(xù)觸發(fā)顯示方式下，每滿足一次觸發(fā)條件，就完成一幀數(shù)據(jù)的取樣與存儲(chǔ)，同時(shí)，屏幕上原來(lái)的顯示波形就被新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更新一次。單次觸發(fā)顯示只不斷顯示一次觸發(fā)而取樣與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)波形。

CPU控制方式顯示的特點(diǎn)：無(wú)論是Y軸還是X軸的數(shù)據(jù)，都必須通過(guò)CPU傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定的限制。直接控制方式顯示的特點(diǎn)：直接在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀/寫(xiě)操作，不再經(jīng)過(guò)CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度僅取決于時(shí)鐘速率，而不是由軟件決定的，速度較快。一、存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)89二、雙蹤顯示存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。即利用寫(xiě)地址的最低位A0來(lái)控制通道開(kāi)關(guān)，使取樣電路輪流對(duì)兩通道輸入信號(hào)進(jìn)行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號(hào)便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號(hào)的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1［n］與Y2［n］中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1［n］中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達(dá)到兩通道信號(hào)分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形