第九章數(shù)字存儲(chǔ)示波器

第九章數(shù)字存儲(chǔ)示波器第1頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.1.1數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理9.1概述典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示第2頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.1.2數(shù)字示波器的主要技術(shù)指標(biāo)及分析

定義：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)對(duì)模擬輸入信號(hào)的采樣次數(shù)，單位為MS/s（兆次/秒）等。DSO給出的采樣速率指標(biāo)是指DSO所能達(dá)到的最高采樣速率，由A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率決定。最高采樣速率表示了儀器捕捉信號(hào)在時(shí)間軸上細(xì)節(jié)的能力。1．采樣速率fs示波器不能總以最高采樣速率工作，為了能在屏幕上清晰的觀測(cè)不同頻率的信號(hào)，DSO設(shè)置了多擋掃描速度（亦稱掃描時(shí)間因數(shù)），以對(duì)應(yīng)不同的采樣速率。DSO的最高掃描速度擋與其最高采樣速率相對(duì)應(yīng)。第3頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定義：用記錄一幀波形數(shù)據(jù)所占有的存儲(chǔ)容量來(lái)表示，單位為KB或MB等。記錄長(zhǎng)度表示DSO能夠連續(xù)存入采樣點(diǎn)的最大字節(jié)數(shù)。記錄長(zhǎng)度又稱存儲(chǔ)容量或存儲(chǔ)深度，2．記錄長(zhǎng)度L

記錄長(zhǎng)度越長(zhǎng)，水平分辨率就越高，就允許用戶捕捉更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的事件，就能為復(fù)雜波形提供更好的描述。一般說(shuō)來(lái)，記錄長(zhǎng)度越長(zhǎng)越好，但是由于高速存儲(chǔ)器制造技術(shù)的限制，目前DSO記錄長(zhǎng)度的長(zhǎng)度是有限的。需要指出的是，對(duì)于某個(gè)DSO，其記錄長(zhǎng)度是個(gè)確定的值，但實(shí)際測(cè)試使用的存儲(chǔ)容量可以是變化的。第4頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三定義：當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號(hào)時(shí)，屏幕上顯示的信號(hào)幅度下降3dB時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)上、下限頻率之差，稱為示波器的頻帶寬度，單位為MHz或GHz。3．存儲(chǔ)帶寬BW

數(shù)字示波器有模擬帶寬和存儲(chǔ)帶寬兩種表達(dá)方式。

模擬帶寬：指采樣電路以前模擬信號(hào)通道電路的頻帶寬度

實(shí)時(shí)帶寬：

存儲(chǔ)帶寬

等效帶寬：采用實(shí)時(shí)采樣方式時(shí)所具有的存儲(chǔ)帶寬工作在等效采樣工作方式下測(cè)量周期信號(hào)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的頻帶寬度。第5頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3．存儲(chǔ)帶寬BW

存儲(chǔ)帶寬：存儲(chǔ)帶寬按采樣方式不同又分實(shí)時(shí)帶寬與等效帶寬兩種。

實(shí)時(shí)帶寬是指數(shù)字示波器采用實(shí)時(shí)采樣方式時(shí)所具有的存儲(chǔ)帶寬，主要取決于A/D轉(zhuǎn)換器的采樣速率和顯示所采用的內(nèi)插技術(shù)。根據(jù)取樣定理，如果采樣速率大于等于信號(hào)最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號(hào)波形。在數(shù)字示波器設(shè)計(jì)中，為保證顯示分辨率，要求增加更多的取樣點(diǎn)。采用點(diǎn)顯示方式時(shí)，每周期采樣點(diǎn)數(shù)k一般取20～25。采用插值技術(shù)可以降低對(duì)示波器fs的要求，采用矢量?jī)?nèi)插方式時(shí)，一般取k=10；當(dāng)采用正弦內(nèi)插方式時(shí)，一般取k=2.5。

等效帶寬是指DSO工作在等效采樣工作方式下測(cè)量周期信號(hào)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的頻帶寬度。在等效采樣方式下，要求信號(hào)必須是周期重復(fù)的，DSO一般要經(jīng)過(guò)多個(gè)采樣周期，并對(duì)采集的樣品進(jìn)行重新組合，才能重顯被測(cè)波形。等效帶寬可以做的很寬，有的DSO的等效帶寬可達(dá)到幾十GHz以上。

模擬帶寬：指采樣電路以前模擬信號(hào)通道電路的頻帶寬度，主要由Y通道電路的幅頻特性和X偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)決定。如不特殊說(shuō)明，數(shù)字示波器的頻帶寬度一般是指其模擬帶寬。第6頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三垂直分辨率又稱電壓分辨率，它由采用的A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率來(lái)決定，常以A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)來(lái)表示，單位為bit。例如，某DSO采用了8位的A/D轉(zhuǎn)換器，則稱該DSO的垂直分辨率為8bit。垂直分辨率也可用（級(jí)數(shù)/div）來(lái)表示。設(shè)某DSO采用8bit的A/D轉(zhuǎn)換器，屏幕垂直方向的刻度為8div，則稱該DSO的垂直分辨率為32級(jí)/div。4．分辨率水平分辨率又稱時(shí)間間隔分辨率，常以DSO在進(jìn)行ΔT測(cè)量時(shí)所能分辨的最小時(shí)間間隔值來(lái)表示。如果不加內(nèi)插，當(dāng)DSO的采樣速率為fs時(shí)，定定義DSO的時(shí)間間隔分辨率為1/fs；如果加了內(nèi)插算法，且內(nèi)插器的增益為N，定義DSO的時(shí)間間隔分辨率為1/Nfs。早期示波器也常用（點(diǎn)/div）表示。例如，某DSO的記錄長(zhǎng)度為1KB，屏幕水平方向的刻度有10div,則該DSO的水平分辨率為100點(diǎn)/div。

分辨率是指示信號(hào)波形細(xì)節(jié)的綜合指標(biāo)，包括垂直分辨率和水平分辨率。分辨率與測(cè)量準(zhǔn)確度緊密相關(guān)，但分辨率并非是測(cè)量準(zhǔn)確度，而是理想情況下測(cè)量準(zhǔn)確度的上線。第7頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5.垂直靈敏度及誤差垂直靈敏度是指DSO顯示在垂直方向（Y軸）每格所代表的電壓幅度值，常以V/div、mV/div表示。根據(jù)模擬示波器的習(xí)慣，DSO也按1-2-5步進(jìn)方式分擋，每擋也可以細(xì)調(diào)。垂直靈敏度表明了示波器測(cè)量最大和最小信號(hào)幅度的能力。垂直靈敏度誤差是指DSO測(cè)量信號(hào)幅度的準(zhǔn)確度，一般用規(guī)定頻率的標(biāo)準(zhǔn)幅度脈沖信號(hào)作校驗(yàn)信號(hào)，其計(jì)算公式如下e=×100％式中,e為垂直靈敏度誤差，V1為測(cè)量讀數(shù)值（V），V2為校準(zhǔn)信號(hào)每格電壓值（V），D為校準(zhǔn)信號(hào)幅度（div）。第8頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

掃描速度（又稱掃描時(shí)間因數(shù)，簡(jiǎn)稱為掃速）定義為示波器光點(diǎn)在屏幕水平方向上移動(dòng)一格所占用的時(shí)間，以s/div、ms/div、μs/div、ns/div、ps/div等表示。掃描速度表明了示波器能測(cè)量信號(hào)頻率的范圍。沿用模擬示波器的習(xí)慣，也按1-2-5步進(jìn)方式分擋，每擋也能細(xì)調(diào)。掃描速度取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率及記錄長(zhǎng)度（存儲(chǔ)容量），其值為相鄰兩個(gè)取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔與每格取樣點(diǎn)數(shù)N的乘積，即6.掃描速度及誤差

掃描速度誤差是指DSO測(cè)量時(shí)間間隔的準(zhǔn)確度。一般用具有標(biāo)準(zhǔn)周期時(shí)間的脈沖信號(hào)作為校驗(yàn)信號(hào)，其計(jì)算公式如下式e=×100％式中,e為掃描誤差；Δt為校準(zhǔn)信號(hào)周期時(shí)間測(cè)量讀數(shù)值；T0為校準(zhǔn)信號(hào)周期時(shí)間值。第9頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

掃描速度（又稱掃描時(shí)間因數(shù)，簡(jiǎn)稱為掃速）定義為示波器光點(diǎn)在屏幕水平方向上移動(dòng)一格所占用的時(shí)間，以s/div、ms/div、μs/div、ns/div、ps/div等表示。掃描速度表明了示波器能測(cè)量信號(hào)頻率的范圍。沿用模擬示波器的習(xí)慣，也按1-2-5步進(jìn)方式分擋，每擋也能細(xì)調(diào)。掃描速度取決于A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率及記錄長(zhǎng)度（存儲(chǔ)容量），其值為相鄰兩個(gè)取樣點(diǎn)的時(shí)間間隔與每格取樣點(diǎn)數(shù)N的乘積，即6.掃描速度及誤差

掃描速度誤差是指DSO測(cè)量時(shí)間間隔的準(zhǔn)確度。一般用具有標(biāo)準(zhǔn)周期時(shí)間的脈沖信號(hào)作為校驗(yàn)信號(hào)，其計(jì)算公式如下式e=×100％式中,e為掃描誤差；Δt為校準(zhǔn)信號(hào)周期時(shí)間測(cè)量讀數(shù)值；T0為校準(zhǔn)信號(hào)周期時(shí)間值。第10頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三例如，對(duì)于一個(gè)21萬(wàn)像素（575×368）的顯示屏幕，水平方向應(yīng)顯示500個(gè)點(diǎn)（相當(dāng)于50點(diǎn)/div）。為了保持這個(gè)時(shí)間分辨率，較簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案是：以顯示窗口的最高水平分辨率來(lái)確定DSO的記錄長(zhǎng)度，并根據(jù)所選的掃描速度來(lái)決定采樣速率。當(dāng)掃描速度選擇1μs/div，就應(yīng)提供50MS/s的采樣速率，正好保證水平方向有500個(gè)采樣點(diǎn)。如果選擇的采樣速率太低，采樣點(diǎn)少，就不能保證水平分辨率；如果選擇的采樣速率過(guò)高，則采樣點(diǎn)過(guò)多，采樣存儲(chǔ)器又會(huì)溢出。9.1.2數(shù)字示波器的主要技術(shù)指標(biāo)及分析

二．記錄長(zhǎng)度與采樣速率的關(guān)系簡(jiǎn)易DSO的記錄長(zhǎng)度與顯示器水平方向的分辨率在數(shù)值上是一致的。其記錄長(zhǎng)度L、采樣速率fs和掃描速度t/div存在以下關(guān)系式L=fs×t/div×10式中,10表示顯示屏幕水平方向的刻度為10格。上式表明，當(dāng)L確定之后（由硬件確定，不能改變），DSO的采樣速率fs與掃描速度t/div成反比。第11頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二．記錄長(zhǎng)度與采樣速率的關(guān)系簡(jiǎn)易DSO的記錄長(zhǎng)度與顯示器水平方向的分辨率在數(shù)值上是一致的。其記錄長(zhǎng)度L、采樣速率fs和掃描速度t/div存在以下關(guān)系式L=fs×t/div×10這種簡(jiǎn)易DSO的設(shè)計(jì)存在以下兩個(gè)缺點(diǎn)。1由于記錄長(zhǎng)度是以顯示窗口的最高水平分辨率來(lái)設(shè)計(jì)的，DSO的記錄長(zhǎng)度不可能太長(zhǎng)（一般在500B左右或1000B左右），因此，很難完整地記錄并顯示一個(gè)較復(fù)雜的信號(hào)。2不便觀測(cè)一個(gè)同時(shí)含有高頻和低頻成分的信號(hào)波形。例如，要求顯示一行含有行同步信號(hào)的電視信號(hào)，若以低頻的行頻信號(hào)調(diào)整掃描速度，可以看到一行完整的信號(hào)，但看不清楚其中電視信號(hào)的波形；若以其中高頻的電視信號(hào)調(diào)整掃速，則又看不到一行完整的信號(hào)。要想觀察到又長(zhǎng)又復(fù)雜波形的細(xì)節(jié)，就需要在較高采樣速率情況下進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的記錄，第12頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二．記錄長(zhǎng)度與采樣速率的關(guān)系目前現(xiàn)代DSO記錄長(zhǎng)度已能做到多達(dá)48MB的超長(zhǎng)存儲(chǔ)深度，從而支持在高采樣率情況下對(duì)復(fù)雜波形的捕獲。增加記錄長(zhǎng)度后，一次捕捉的波形樣點(diǎn)多了。但是屏幕水平方向一般只有500點(diǎn)左右的像素，只能看到波形中的某一部分。為此，不少?gòu)S家又提出“窗口放大”或“波形移動(dòng)”等功能，使用戶通過(guò)多次放大或左右移動(dòng)，既可看到波形的全貌又可看到局部細(xì)節(jié)。圖給出了采用“窗口放大”的示意圖。第13頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.1.3數(shù)字示波器的特點(diǎn)

(1)數(shù)字示波器在存儲(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)字示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。第14頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字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)字示波器的測(cè)量精度優(yōu)于1%。(2)數(shù)字示波器能長(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。第15頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(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)字示波器目前還不能用于觀測(cè)頻率較高的信號(hào)。第16頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2數(shù)字示波器的采樣方式數(shù)字示波器按其工作原理可分為波形的采集（采樣與存儲(chǔ)）、波形的顯示、波形的測(cè)量與波形的處理等幾部分。對(duì)被測(cè)信號(hào)的波形進(jìn)行采樣與存儲(chǔ)是DSO最基礎(chǔ)的工作。數(shù)字示波器的采樣方式有實(shí)時(shí)采樣和非實(shí)時(shí)的等效采樣兩種，等效采樣又可分為順序采樣和隨機(jī)采樣。第17頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2數(shù)字示波器的采樣方式

波形的采集波形的顯示波形的測(cè)量波形的處理9.2.1實(shí)時(shí)采樣方式的原理與實(shí)現(xiàn)9.2.2順序等效采樣方式的原理與實(shí)現(xiàn)9.2.3隨機(jī)等效采樣方式的原理與實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣等效采樣順序采樣隨機(jī)采樣第18頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.1實(shí)時(shí)采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、寫地址計(jì)數(shù)器四、采樣與存儲(chǔ)電路第19頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.1實(shí)時(shí)采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，…)取樣脈沖打開取樣門的瞬間，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、取樣第20頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、取樣與A/D轉(zhuǎn)換9.2.1實(shí)時(shí)采樣方式的采集原理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)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。第21頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.1實(shí)時(shí)采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控制電路原理如圖第22頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第23頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、寫地址計(jì)數(shù)器

寫地址計(jì)數(shù)器用來(lái)產(chǎn)生寫地址信號(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。寫地址計(jì)數(shù)器原理圖如圖示。第24頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三四、采樣與存儲(chǔ)電路這種采樣方法是在信號(hào)經(jīng)歷的實(shí)際時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，因而稱之為實(shí)時(shí)采樣方式。實(shí)時(shí)采樣方式對(duì)觀測(cè)單次出現(xiàn)的信號(hào)非常有效，是數(shù)字示波器必須具備的采樣方式，但由于該方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使被測(cè)信號(hào)的頻帶寬度受到了限制。

第25頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.2順序采樣方式的采集原理

波形的采集

實(shí)時(shí)采樣等效采樣順序采樣隨機(jī)采樣順序采樣方式是一種非實(shí)時(shí)的等效采樣方式，它是在模擬取樣示波器技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)字化而發(fā)展起來(lái)的。它每次觸發(fā)只在周期信號(hào)波形上取一個(gè)樣點(diǎn)，但每次取樣的時(shí)間都較上次取樣點(diǎn)延遲一個(gè)已知的Δｔ，多次取樣后就可精確地重現(xiàn)被測(cè)波形。順序等效采樣方式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)，因而可以可用速度較慢的A/D轉(zhuǎn)換器（但仍需要高速取樣器）獲得很寬的頻帶寬度。順序等效采樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號(hào)。

第26頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一個(gè)典型的采用順序采樣方式的采集系統(tǒng)如圖所示。設(shè)原信號(hào)周期為T，取滿一個(gè)信號(hào)周期需要采樣n次，則經(jīng)過(guò)采樣變換后，原信號(hào)周期增大的倍數(shù)為q=n=如果每間隔m個(gè)信號(hào)周期采樣一次，那么經(jīng)過(guò)采樣變換后，原信號(hào)周期增大的倍數(shù)為q=mn=第27頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.2順序采樣方式的采集原理步進(jìn)系統(tǒng)在順序采樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，步進(jìn)系統(tǒng)的電路原理框圖如圖所示。

第28頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.3隨機(jī)采樣方式的采集原理隨機(jī)采樣在每個(gè)采樣周期可以采集多個(gè)采樣點(diǎn)，并且每個(gè)采樣周期第一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)間（t1、t2、t3…時(shí)刻）是隨機(jī)的。隨機(jī)采樣方式的示意圖如圖。

第29頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三隨機(jī)采樣方式的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的技術(shù)：短時(shí)間間隔的測(cè)量和波形重建。

1、短時(shí)間測(cè)量短時(shí)間測(cè)量即測(cè)出每次采樣周期觸發(fā)點(diǎn)與其后的第一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻之間的時(shí)間間隔。這些時(shí)間間隔極短，很難直接測(cè)量，一般采用精密的模擬內(nèi)插器進(jìn)行擴(kuò)展后再進(jìn)行測(cè)量。模擬內(nèi)插器主要包括：相位檢測(cè)、時(shí)間展寬、方波轉(zhuǎn)換、時(shí)間測(cè)量四個(gè)部分。第30頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相位檢測(cè)部分主要完成在進(jìn)行隨機(jī)采樣時(shí)，將觸發(fā)到來(lái)時(shí)刻與觸發(fā)到來(lái)后第一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成脈沖寬度為Tx的窄脈沖；時(shí)間展寬部分主要完成將相位檢測(cè)到的窄脈沖按照一定的比例展寬成鋸齒波，展寬比由時(shí)間展寬電路中放電電流與充電電流之比來(lái)決定；方波轉(zhuǎn)換部分完成將時(shí)間展寬后得到的鋸齒波信號(hào)轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，作為計(jì)數(shù)的閘門信號(hào)；時(shí)間測(cè)量部分完成對(duì)閘門信號(hào)的寬度進(jìn)行測(cè)量（用計(jì)數(shù)方式），測(cè)量出的計(jì)數(shù)結(jié)果送給CPU進(jìn)行處理。

1、短時(shí)間測(cè)量第31頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法波形重構(gòu)就即以觸發(fā)點(diǎn)為基準(zhǔn)，按照TX1、TX2、TX3…大小擺正每次觸發(fā)后采集的數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上的位置，以重構(gòu)被測(cè)信號(hào)波形。為了便于理解，以下圖所示的采用隨機(jī)采樣方式的DSO為例進(jìn)行分析。第32頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法該系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理部分，高速A/D轉(zhuǎn)換器，小容量的高速緩存RAM1（采樣RAM），大容量高速緩存RAM2（顯示RAM），CPLD控制電路，采集處理器等電路組成。等效采樣數(shù)據(jù)的排序算法由采集處理器完成，排序后的結(jié)果存放于RAM2，并通過(guò)接口隨時(shí)將RAM2中的數(shù)據(jù)上傳到主處理器完成波形顯示的處理。

第33頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法掃描速度實(shí)時(shí)速率等效速率等效倍數(shù)M每輪有效長(zhǎng)度L1000ns/div40MS/s40MS/s18192B500ns/div40MS/s100MS/s2.53276B200ns/div40MS/s200MS/s51638B100ns/div40MS/s400MS/s10819B50ns/div40MS/s1GS/s25327B20ns/div40MS/s2GS/s50163B10ns/div40MS/s4GS/s10081B

該DSO最高采樣速率為40MS/s，記錄長(zhǎng)度為8kB，則在不同的掃描速度狀態(tài)下，關(guān)系如表所示。

第34頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法掃描速度實(shí)時(shí)速率等效速率等效倍數(shù)M每輪有效長(zhǎng)度L1000ns/div40MS/s40MS/s18192B500ns/div40MS/s100MS/s2.53276B200ns/div40MS/s200MS/s51638B100ns/div40MS/s400MS/s10819B50ns/div40MS/s1GS/s25327B20ns/div40MS/s2GS/s50163B10ns/div40MS/s4GS/s10081B

從表中可以看出，等效采樣速率越高，波形恢復(fù)所需要的采樣次數(shù)M就越多，每輪采樣的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)L就越少。

第35頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法在進(jìn)行隨機(jī)采樣時(shí)，每輪采樣結(jié)束后，采集處理器首先從RAM1中讀出觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的單元地址Xi；然后從短時(shí)間測(cè)量電路中讀取觸發(fā)信號(hào)與第一個(gè)采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔Tx（Tx的最大值為實(shí)時(shí)采樣的周期T）；最后將T分成等長(zhǎng)度的M段，每一段映射一個(gè)0～M1間的整數(shù)值I，通過(guò)查表的方法得出Tx對(duì)應(yīng)的I值。有了Xi，I，M和L這四個(gè)值，采集處理器就能對(duì)采樣存儲(chǔ)器（RAM1）中的數(shù)據(jù)按照排序算法進(jìn)行排序，然后按照排序規(guī)則把采樣RAM1中的數(shù)據(jù)寫入到顯示RAM2中。

第36頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2波形重構(gòu)與隨機(jī)排序算法將數(shù)據(jù)寫入到顯示RAM2中的具體過(guò)程是：采集處理器從采樣存儲(chǔ)器的地址單元Xi前后各取連續(xù)的L/2個(gè)單元的數(shù)據(jù)（即本次采樣的有效點(diǎn)數(shù)），以觸發(fā)點(diǎn)（基地址）為中點(diǎn)，以I為地址偏移量，以M為地址步長(zhǎng)，把數(shù)據(jù)從采樣RAM1中寫入到顯示RAM2中。排序算法的公式為

ADD=BASE+I+K×M式中，ADD為某個(gè)數(shù)據(jù)寫入RAM2中對(duì)應(yīng)單元的地址，K為從RAM1中順序讀取的數(shù)據(jù)的次序值，K的范圍是-L到+L-1，ASE為觸發(fā)點(diǎn)對(duì)應(yīng)在顯示RAM中的地址，這里該地址取4096，從而保證觸發(fā)點(diǎn)前后各取4KB個(gè)數(shù)據(jù)。

第37頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三隨機(jī)采樣方式與順序采樣方式的比較隨機(jī)采樣方式容許在觸發(fā)信號(hào)之前采樣，可以提供預(yù)觸發(fā)信息；而順序采樣方式的全部采樣必須在觸發(fā)信號(hào)之后產(chǎn)生，不能提供預(yù)觸發(fā)信息。因而，隨機(jī)采樣方式已在很大的范圍內(nèi)取代了順序采樣方式。目前，多數(shù)的數(shù)字示波器都具備實(shí)時(shí)采樣和隨機(jī)采樣兩種采樣方式。微波頻率段信號(hào)的示波器通常還是采用順序采樣方式，這是因?yàn)槭静ㄆ髟谖⒉l率上的時(shí)間分度很小，因而有效的隨機(jī)采樣出現(xiàn)的概率就很小，想要獲得整個(gè)波形的所有采樣，將會(huì)花去很長(zhǎng)的時(shí)間。順序采樣方式可迫使采樣點(diǎn)發(fā)生在所需的時(shí)間窗口內(nèi)，因此易于很快獲得整個(gè)波形。例如，某采用順序采樣方式制作的微波數(shù)字示波器，其等效帶寬為50GHz，其中A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換率僅為10KS/s。如果采用實(shí)時(shí)采樣方式達(dá)到這個(gè)帶寬，將要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換率達(dá)到100GS/s以上，這樣高速的A/D轉(zhuǎn)換器目前還不能實(shí)現(xiàn)；如果采用隨機(jī)采樣方式，由于被測(cè)信號(hào)的最小周期僅為0.01ns，在如此小時(shí)間窗口中進(jìn)行隨機(jī)采樣，若要獲得恢復(fù)整個(gè)波形所需要的全部采樣點(diǎn)，將會(huì)花去很長(zhǎng)的時(shí)間。無(wú)論是隨機(jī)采樣方式還是順序采樣方式，它們只適用于周期性信號(hào)。對(duì)于非周期性信號(hào)，只能采用實(shí)時(shí)采樣方式

第38頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3數(shù)字示波器組成原理9.3.1數(shù)字示波器的一般組成第39頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3數(shù)字示波器組成原理

9.3.2輸入通道電路任務(wù):在被測(cè)信號(hào)不確定的情況下，通過(guò)放大（或衰減），電平調(diào)理，將被測(cè)信號(hào)實(shí)時(shí)地不失真地設(shè)置到最佳電平，滿足A/D數(shù)字化變換的最佳線性和最佳分辨率要求。數(shù)字示波器的頻帶寬度、垂直靈敏度及其誤差等重要技術(shù)指標(biāo)的優(yōu)劣主要取決于輸入通道電路。第40頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由阻抗變換電路N1、程控步進(jìn)衰減及前置放大電路N2、差分驅(qū)動(dòng)放大器N3三電路組成頻帶寬度為DC～500MHz（50Ω輸入阻抗時(shí)）垂直靈敏度量程范圍為2mV/div～5V/div(共設(shè)11檔量程)垂直靈敏度誤差≤±（3%+1個(gè)像素）YB54500數(shù)字示波器輸入通道框圖：第41頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三阻抗變換電路（N1）原理框圖輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)÷1/÷40高阻衰減器網(wǎng)絡(luò)后分為兩路：一路是高頻信號(hào)分量通路，經(jīng)過(guò)C3等到達(dá)高阻源級(jí)跟隨電路；另一路是低頻信號(hào)分量通路，經(jīng)R4、R5組成的分壓器和C4、S4組成的AC/DC選擇開關(guān)，加到運(yùn)放同相輸入端，運(yùn)放反相輸入端用于加入位移電平調(diào)節(jié)信號(hào)。反饋電容C5保證合成后的信號(hào)具有平坦的幅頻特性。運(yùn)放輸出的低頻信號(hào)再經(jīng)10MΩ電阻R7在源級(jí)跟隨電路與高頻信號(hào)合成，并經(jīng)過(guò)源級(jí)跟隨電路輸出。第42頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N2電路中的調(diào)理，傳輸都應(yīng)按50Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。IC1、IC2是可程控微波頻率（to3GHz）模擬開關(guān)，在程控碼控制下完成輸入信號(hào)/基準(zhǔn)零電平/精密校準(zhǔn)電平的切換輸入；IC3和IC4是特性阻抗為50Ω的六組精密電壓衰減陣列，完成0.5/1/2/4/8/16dB的衰減。最大程度地滿足系統(tǒng)線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)，以及垂直通道信號(hào)從2mV/div～5V/div11檔量程切換。IC5是一級(jí)高帶寬、低噪聲、低漂移、低輸出阻抗，有較強(qiáng)高頻率電流輸出能力的運(yùn)算放大器，提供5倍增益信號(hào)放大，并在程控信號(hào)管理下提供12.5倍的擴(kuò)展放大功能。在進(jìn)行電路調(diào)試時(shí)，由于IC3、IC4本身存在傳輸損耗，IC3、IC4、IC5電氣聯(lián)接存在適配條件下固有損耗，N2電路應(yīng)由程控軟件精確調(diào)試到4倍增益。步進(jìn)衰減網(wǎng)絡(luò)/前量放大電路N2的設(shè)計(jì)第43頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三N3的任務(wù)：將單端輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)稱輸出信號(hào)；驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換器并向觸發(fā)電路系統(tǒng)提供內(nèi)觸發(fā)信號(hào)。N3的輸出應(yīng)有極低的高頻輸出阻抗以適應(yīng)長(zhǎng)線傳輸?shù)碾娙莺碗姼胸?fù)載，為了減小容性和感性負(fù)載，在工藝上采用50Ω適配插頭座和50Ω微波電纜傳輸，PCB傳輸引線采用“微帶”效應(yīng)布線。N3由2級(jí)運(yùn)算放大器組成，提供約10倍的總增益，以適應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換器（AT84AD004）500mVP-P滿度數(shù)字化轉(zhuǎn)換的電平要求。此外，N3還承擔(dān)50Ω低阻輸入狀態(tài)下信號(hào)位移調(diào)節(jié)的任務(wù)。

差分驅(qū)動(dòng)放大器N3的設(shè)計(jì)第44頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三目前，國(guó)內(nèi)外的A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)已經(jīng)非常成熟，通用型8bitA/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率已經(jīng)超過(guò)2GS/s,并且片內(nèi)集成了采樣-保持電路、基準(zhǔn)參考電壓、編碼電路等，只需外加少量器件，即可組成完整的數(shù)字化電路，給DSO設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大de方便。9.3.3數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

為了進(jìn)一步提高示波器的最高采樣速率以及降低對(duì)采樣存儲(chǔ)器讀寫速度的要求，DSO還廣泛采用了并行交錯(cuò)采樣、輸出數(shù)據(jù)降速處理等技術(shù)。第45頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.3數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

所謂并行交錯(cuò)采樣技術(shù)，就是利用多片A/D轉(zhuǎn)換器并行對(duì)同一個(gè)模擬信號(hào)進(jìn)行交序采樣，從而提高DSO最高采樣率。該技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)是高精度多相時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)。并行交錯(cuò)采樣技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將在AT84AD001高速A/D轉(zhuǎn)換器中說(shuō)明，并行交錯(cuò)采樣技術(shù)第46頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三輸出數(shù)據(jù)降速處理技術(shù)主要是解決高速的A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)流與較慢速的采樣存儲(chǔ)器讀寫速度之間的矛盾。DSO通常采用“串-并轉(zhuǎn)換”實(shí)現(xiàn)分時(shí)存儲(chǔ)的方法來(lái)降低輸出數(shù)據(jù)流的速度。例如，某DSO采用的A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣率為1000MS/s，分辨率為8bit。而采樣存儲(chǔ)器的最高讀寫頻率為266MHz，寬度是32bits的SDRAM。由于SDRAM的最高讀寫頻率為266MHz，所以必須將A/D數(shù)字化后的數(shù)據(jù)頻率降到266MHz以下。輸出數(shù)據(jù)降速處理技術(shù)第47頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三采用串-并轉(zhuǎn)換方法，降低A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的示意圖A/D轉(zhuǎn)換器的輸出D0～D7并行送入8個(gè)4位移位寄存器，當(dāng)移位寄存器移滿后，再由鎖存器鎖存并送到采樣存儲(chǔ)器SDRAM。A/D轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)最大速度為1000MHz，因此，移位寄存器最大工作頻率選為1200MHz。移位4次后才向鎖存器鎖存一次，因此，鎖存和輸出數(shù)據(jù)頻率只要為1000/4＝250MHz，從而滿足SDRAM讀寫最高頻率（266MHz）的要求。上述降速過(guò)程相當(dāng)于訪問(wèn)一次SDRAM就寫入了4個(gè)8位數(shù)據(jù)，因此可以使數(shù)據(jù)傳輸速度降低4倍。第48頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.3數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

并行交錯(cuò)采樣和輸出數(shù)據(jù)降速的處理需要增加許多射頻元件，這不僅給實(shí)際制作帶來(lái)許多困難，而且也使性能的進(jìn)一步提高受到限制。目前，一些器件廠家生產(chǎn)了一種集成度很高的A/D轉(zhuǎn)換器，該器件不僅含有多路（兩路或四路）高速A/D轉(zhuǎn)換器，還提供了支持交錯(cuò)工作方式和輸出數(shù)據(jù)降速（兩倍或四倍）處理的電路。因而，不需要在片外增加電路，便可同時(shí)實(shí)現(xiàn)并行交錯(cuò)工作方式的數(shù)據(jù)采集和低速數(shù)據(jù)輸出等問(wèn)題。Atmel公司生產(chǎn)的AT84AD001就是一種具備上述功能的高速A/D轉(zhuǎn)換器，AT84AD001高速A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介第49頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.3數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

AT84AD001高速A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介第50頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.3數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)電路

該器件在同一芯片上集成了兩路（I和Q）獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換器，每個(gè)通道都具有l(wèi)GS/s的采樣率，8bit分辨精度。為了實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)采集，該器件提供了支持交錯(cuò)工作方式的電路，在該模式下，雙路A/D轉(zhuǎn)換器并行采樣的最高采樣率可以達(dá)到2GS/s。為了降低輸出數(shù)據(jù)流的速度，該器件在內(nèi)部集成了1∶1和1∶2可選的數(shù)據(jù)多路分離器（DMUX），當(dāng)選擇DMUX在1：2時(shí)，可以使輸出數(shù)據(jù)流的速度降低2倍。從而可以在芯片內(nèi)部方便地實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)采集和輸出數(shù)據(jù)的降速處理。AT84AD001高速A/D轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介第51頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三系統(tǒng)初始化時(shí)，設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器工作在并行交替工作模式，DMUX設(shè)置為1∶2模式。模擬輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大濾波電路，再經(jīng)過(guò)一個(gè)射頻變壓器TP101將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，送入AT84AD001的I通道模擬輸入端。Q通道的模擬輸入端無(wú)需加入輸入信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換器的輸出為4路8bit500MS/sLVDS邏輯的數(shù)據(jù)?；凇癆T84AD001”的2GHz數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第52頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三AT84AD001輸出4路8bit500MS/s的數(shù)據(jù)，而且采用LVDS邏輯，對(duì)其輸出接口器件的性能提出了較高的要求。本系統(tǒng)接口器件選用Stratix2系列的FPGAEP2S60F1020芯片，該芯片具有84個(gè)專用LVDS差分邏輯接收通道，每個(gè)LVDS通道數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)640MS/s。因而，可直接與A/D轉(zhuǎn)換器相連。且一片EP2S60F1020即可滿足系統(tǒng)的需要?；凇癆T84AD001”的2GHz數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第53頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.4觸發(fā)電路系統(tǒng)

觸發(fā)電路系統(tǒng)作用是為采集控制電路提供一個(gè)觸發(fā)參考點(diǎn)，以使DOS的每次采集都發(fā)生在被測(cè)信號(hào)特定的相位點(diǎn)上，使每一次捕獲的波形相重疊，以達(dá)到穩(wěn)定顯示波形的目的。觸發(fā)電路系統(tǒng)一般由外觸發(fā)信號(hào)通道電路、觸發(fā)源選擇和觸發(fā)電路組成，其中觸發(fā)電路應(yīng)包括觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)比較器、觸發(fā)釋抑電路等部分。第54頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

外觸發(fā)信號(hào)通道電路和輸入信號(hào)通道電路一樣，也應(yīng)具備阻抗變換、AC/DC耦合選擇及放大等電路。示波器一般設(shè)置有內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)和電源觸發(fā)觸發(fā)源。觸發(fā)源選擇電路功能是，根據(jù)用戶設(shè)定從中選擇其一作觸發(fā)源。內(nèi)觸發(fā)采用被測(cè)信號(hào)作為觸發(fā)源；外觸發(fā)采用外接與被測(cè)信號(hào)有同步關(guān)系的信號(hào)作為觸發(fā)源，常用于被測(cè)信號(hào)不適于作觸發(fā)信號(hào)時(shí)使用；電源觸發(fā)采用50Hz的工頻正弦信號(hào)作為觸發(fā)源，適用于觀測(cè)與50Hz交流有同步關(guān)系的信號(hào)。第55頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三觸發(fā)耦合方式選擇電路的功能是，根據(jù)用戶的設(shè)定從中選擇一種合適的耦合方式。示波器一般設(shè)置有直流耦合、交流耦合、低頻抑制耦合、高頻抑制耦合等多種觸發(fā)耦合方式。直流耦合方式使觸發(fā)信號(hào)通過(guò)，用于接入直流、或緩慢變化、或頻率較低并含有直流分量的信號(hào)；交流耦合方式使觸發(fā)信號(hào)通過(guò)電容耦合，用于觀察交流信號(hào)；低頻抑制耦合方式使觸發(fā)信號(hào)通過(guò)高通濾波器，對(duì)顯示含電源交流噪聲的信號(hào)很有用；高頻抑制耦合方式使觸發(fā)信號(hào)通過(guò)低通濾波器，即使低頻信號(hào)中包含高頻噪聲，仍能使其按低頻信號(hào)觸發(fā)。

觸發(fā)電路系統(tǒng)一般由外觸發(fā)信號(hào)通道電路、觸發(fā)源選擇和觸發(fā)電路組成，其中觸發(fā)電路應(yīng)包括觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)比較器、觸發(fā)釋抑電路等部分。第56頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三高性能示波器的觸發(fā)比較按觸發(fā)條件可劃分為：邊沿觸發(fā)、視屏觸發(fā)、毛刺觸發(fā)、狀態(tài)觸發(fā)等。此外，數(shù)字示波器還具有基于觸發(fā)點(diǎn)的預(yù)觸發(fā)功能。邊沿觸發(fā)是最基本的觸發(fā)，它要求在輸入信號(hào)邊沿的觸發(fā)閾值上產(chǎn)生觸發(fā)。視頻觸發(fā)通過(guò)視頻同步分離器提取視頻信號(hào)中的場(chǎng)同步信號(hào)或者行同步信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，視頻觸發(fā)又可分為場(chǎng)同步觸發(fā)和行同步觸發(fā)兩種。毛刺觸發(fā)采用了單次觸發(fā)的模式，無(wú)毛刺出現(xiàn)時(shí)示波器不顯示，處于“監(jiān)視”狀態(tài)；當(dāng)觸發(fā)器發(fā)現(xiàn)毛刺時(shí)，則產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)并顯示毛刺尖峰出現(xiàn)前后的波形。毛刺觸發(fā)電路可根據(jù)脈沖的寬度來(lái)確定觸發(fā)時(shí)刻，當(dāng)被測(cè)信號(hào)為DC到某一頻率之間的信號(hào)，可以將脈沖寬度設(shè)置為小于被測(cè)信號(hào)最高頻率分量周期的一半，在正常情況下，這樣的窄脈沖是不會(huì)產(chǎn)生的。若被測(cè)信號(hào)是數(shù)字系統(tǒng)，由于數(shù)字系統(tǒng)的信號(hào)一般為系統(tǒng)時(shí)鐘周期的整數(shù)倍，我們可以把示波器的觸發(fā)條件設(shè)置為小于系統(tǒng)時(shí)鐘周期的脈沖寬度。狀態(tài)觸發(fā)采用狀態(tài)字作觸發(fā)信號(hào)，狀態(tài)觸發(fā)要求設(shè)置多條并行檢測(cè)線來(lái)監(jiān)測(cè)這些線上的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到用戶規(guī)定的狀態(tài)字（如HLHH）時(shí)，示波器就產(chǎn)生觸發(fā)。

第57頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.4觸發(fā)電路系統(tǒng)

觸發(fā)釋抑電路用以在每一次觸發(fā)后，產(chǎn)生一段閉鎖（Holdoff）時(shí)間，示波器在這段閉鎖時(shí)間內(nèi)將停止觸發(fā)響應(yīng)，以避免不希望的觸發(fā)產(chǎn)生，從而使DSO在每次觸發(fā)之后顯示的波形都一樣，達(dá)到穩(wěn)定顯示的目的。觸發(fā)電路系統(tǒng)一般由外觸發(fā)信號(hào)通道電路、觸發(fā)源選擇和觸發(fā)電路組成，其中觸發(fā)電路應(yīng)包括觸發(fā)耦合方式選擇、觸發(fā)比較器、觸發(fā)釋抑電路等部分。第58頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.3.4觸發(fā)電路系統(tǒng)

邊沿觸發(fā)方式邊沿觸發(fā)方式是指信號(hào)邊沿達(dá)到某一設(shè)定的觸發(fā)閾值而產(chǎn)生的一種觸發(fā)方式，觸發(fā)閾值電平可以調(diào)節(jié)，這是一種最基礎(chǔ)的觸發(fā)方式。邊沿觸發(fā)又分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種。邊沿觸發(fā)電路一般采用雙輸入端的比較電路（比較器），一端接輸入信號(hào)，另一端接閾值電平，當(dāng)兩個(gè)輸入端信號(hào)之差達(dá)到某一值時(shí)，比較電路翻轉(zhuǎn)。若將兩個(gè)輸入端相互交換，則可改變觸發(fā)極性；若改變接在比較端的閾值電平值，就可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)閾值電平的調(diào)節(jié)，從而可以選擇在信號(hào)波形的上升沿或下降沿的某一電平上產(chǎn)生觸發(fā)。第59頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三觸發(fā)極性選擇/觸發(fā)閾值電平調(diào)節(jié)示意圖在DSO中，比較器閾值電平由D/A轉(zhuǎn)換器提供，一旦觸發(fā)信號(hào)超過(guò)由D/A轉(zhuǎn)換器設(shè)定的觸發(fā)閾值電平，掃描即被觸發(fā)。觸發(fā)極性選擇開關(guān)S1用來(lái)選擇觸發(fā)信號(hào)的極性。當(dāng)選擇開關(guān)S1撥在“+”位置上時(shí)，在信號(hào)增加方向上，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)超過(guò)設(shè)定的觸發(fā)閾值電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。當(dāng)撥在“-”位置上時(shí)，在信號(hào)減少方向上，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)超過(guò)觸發(fā)閾值電平時(shí)就產(chǎn)生觸發(fā)。觸發(fā)極性和觸發(fā)閾值電平共同決定觸發(fā)信號(hào)的觸發(fā)點(diǎn)。

該觸發(fā)電路既要選擇觸發(fā)極性選擇開關(guān)，又要調(diào)節(jié)觸發(fā)閾值電平，使用不夠方便?，F(xiàn)代示波器中的自動(dòng)觸發(fā)電路，能使觸發(fā)點(diǎn)自動(dòng)調(diào)整在最佳觸發(fā)電平上。第60頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三邊沿觸發(fā)的最終目的是產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的快沿脈沖，并以此刻作為對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行采樣的開始時(shí)間。很顯然，這一快沿脈沖的不穩(wěn)定將直接導(dǎo)致對(duì)信號(hào)采樣時(shí)間的不確定性，造成波形在顯示時(shí)會(huì)出現(xiàn)水平方向的抖動(dòng)（稱觸發(fā)抖動(dòng)）。觸發(fā)抖動(dòng)嚴(yán)重時(shí)將無(wú)法觀察和精確測(cè)量信號(hào)的時(shí)間參量，觸發(fā)抖動(dòng)是DSO的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。造成觸發(fā)抖動(dòng)的主要原因是：觸發(fā)比較器的延時(shí)誤差建立時(shí)間和觸發(fā)通道噪聲等。因此，觸發(fā)通道電路應(yīng)選擇低噪聲、低漂移、高帶寬的運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)及相關(guān)元器件，并注意布線的合理，電源退耦及地線處理得當(dāng)，高頻信號(hào)傳輸電路引線走直線并盡量短。除此之外，還需要對(duì)比較器施加滯后措施，即將比較器接成施密特電路的形式（

第61頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三預(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)器的寫操作過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。9.3.4觸發(fā)電路系統(tǒng)

第62頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三預(yù)置觸發(fā)功能當(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)器就從零地址開始寫入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫滿1024個(gè)單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開始讀數(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)器不立即寫入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開始寫入。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)第63頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在負(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)寫入的過(guò)程中，當(dāng)寫滿1024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫入。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來(lái)后，使存儲(chǔ)器再寫入1024–N個(gè)取樣點(diǎn)之后停止寫操作。顯示時(shí)，不是從零地址讀數(shù)據(jù)，而是從停止寫操作時(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)預(yù)置觸發(fā)功能第64頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三預(yù)置觸發(fā)功能第65頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DSO的顯示電路大部分采用兩種顯示方式。隨機(jī)掃描顯示方式。光柵掃描兩種顯示方式。這兩種顯示方式的基本原理在本書3.4已做過(guò)討論。

9.3.5顯示系統(tǒng)DSO顯示系統(tǒng)的組成顯示系統(tǒng)的任務(wù)是：顯示采集的波形，顯示經(jīng)內(nèi)插或?yàn)V波處理后的波形，顯示測(cè)量的結(jié)果以及顯示人機(jī)交互信息等。

第66頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顯示地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生了連續(xù)的地址信號(hào)，這些地址信號(hào)分為兩路：一路提供給采樣RAM作為讀地址，依次將采樣RAM中的波形數(shù)據(jù)讀出送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)恢復(fù)為模擬信號(hào)送至CRT的Y軸；另一路直接送給另一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器而形成階梯波，然后送至CRT的X軸作同步的掃描信號(hào)。由于從采樣RAM中讀出并恢復(fù)的模擬信號(hào)與形成的階梯波是同步的，根據(jù)模擬示波器的顯示原理，CRT屏幕上便能生成存儲(chǔ)的模擬波形，

1、隨機(jī)掃描顯示方式。第67頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三DSO顯示系統(tǒng)的組成隨機(jī)掃描顯示方式的原理直觀，電路簡(jiǎn)單，較易實(shí)現(xiàn)，但隨機(jī)掃描顯示方式在實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互等方面不夠方便，主要應(yīng)用于一些較簡(jiǎn)單的數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)中。1、隨機(jī)掃描顯示方式。第68頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代數(shù)字示波器的顯示電路較多采用光柵掃描顯示方式。該方式不采用D／A轉(zhuǎn)換器，而是采用一個(gè)專用的CRT控制器（CRTC），直接將波形數(shù)據(jù)變換成屏幕上的圖像。光柵掃描顯示方式能提供友好的人機(jī)交互界面，也能支持較高的屏幕刷新率。2、光柵掃描顯示方式典型光柵掃描顯示方式舉例第69頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三典型光柵掃描顯示方式舉例該顯示電路使用MC6845作CRTC，上電后主處理器通過(guò)數(shù)據(jù)總線對(duì)MC6845的內(nèi)部寄存器初始化，如屏幕范圍、顯示區(qū)域、起始行位置等。初始化后，MC6845便獨(dú)立自動(dòng)產(chǎn)生顯示器的行、場(chǎng)掃描，刷新信號(hào)，無(wú)須占用主處理器的時(shí)間，這樣，主處理器可以有更多的時(shí)間處理數(shù)據(jù)和對(duì)波形區(qū)數(shù)據(jù)的送顯，提高了資源的利用率。

第70頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顯示方式點(diǎn)顯示就是在屏幕上以間隔點(diǎn)的形式將采集的信號(hào)波形顯示出來(lái)。由于這些點(diǎn)之間沒(méi)有任何連線，每個(gè)信號(hào)周期必須要有足夠的點(diǎn)才能正確地重新構(gòu)成信號(hào)波形，一般要求每個(gè)正弦信號(hào)周期顯示20～25個(gè)點(diǎn)。在點(diǎn)顯示的情況下，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。為了有效地克服視覺(jué)的混淆現(xiàn)象，同時(shí)又不降低帶寬指標(biāo)，數(shù)字示波器往往采用插值顯示。1、點(diǎn)顯示與插值顯示點(diǎn)顯示：第71頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三插值顯示即利用插值技術(shù)在波形的兩個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)間補(bǔ)充一些數(shù)據(jù)。插值顯示可以降低對(duì)DSO采樣速率的要求。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)，由于矢量插值法僅僅是以直線形式加到數(shù)據(jù)點(diǎn)中，因而如果采樣的數(shù)據(jù)點(diǎn)沒(méi)有落在信號(hào)波形頂部時(shí)，就會(huì)造成頂尖幅度誤差。一般情況下，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率為采樣頻率的十分之一以下時(shí)，矢量插值法就可以得到滿意的效果。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，一般情況下，每個(gè)周期使用2.5個(gè)數(shù)據(jù)字就能夠構(gòu)成一個(gè)較完整的正弦波形。正弦插入法對(duì)階躍波顯示會(huì)產(chǎn)生副作用。插值顯示：第72頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顯示方式基本顯示方式又稱刷新顯示方式，其工作過(guò)程是：每當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，就對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集并存到存儲(chǔ)器中，然后將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器中去，從而使得屏幕的顯示內(nèi)容不斷隨著信號(hào)的變化而更新。這種連續(xù)觸發(fā)顯示的方式與模擬示波器的基本顯示方式類似，是最常使用的一種顯示方式。2、基本顯示與單次觸發(fā)顯示基本顯示：第73頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三顯示方式所謂單次觸發(fā)顯示就是：當(dāng)滿足觸發(fā)條件時(shí)，就對(duì)信號(hào)進(jìn)行連續(xù)地采集并將其存在存儲(chǔ)器中的連續(xù)地址單元中，一旦數(shù)據(jù)將存儲(chǔ)器的最后一個(gè)單元填滿以后，采集過(guò)程即告結(jié)束，然后不斷地將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)復(fù)制到顯示存儲(chǔ)器中去，在此時(shí)期示波器不再采集新的數(shù)據(jù)。這種采集與顯示方式對(duì)觀測(cè)單次出現(xiàn)的信號(hào)非常有效。也是模擬示波器達(dá)不到的顯示方式。2、基本顯示與單次觸發(fā)顯示單次觸發(fā)顯示：第74頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3、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)。每寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，就進(jìn)行一次讀過(guò)程，讀出和寫入的內(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)。第75頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4、存儲(chǔ)/調(diào)出顯示“存儲(chǔ)”功能即當(dāng)采集的信號(hào)波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器以后，將這些波形數(shù)據(jù)以及面板參數(shù)一起復(fù)制到后備非易失存儲(chǔ)器中，以供以后進(jìn)行分析或參考及比較使用。后備非易失存儲(chǔ)器的容量通?？梢匀菁{多幅波形數(shù)據(jù)及面板參數(shù)。使用時(shí)，只要按下“SAVE“鍵和一個(gè)數(shù)字鍵，示波器會(huì)自動(dòng)把當(dāng)前的波形數(shù)據(jù)和參數(shù)存到對(duì)應(yīng)編號(hào)的非易失存儲(chǔ)器區(qū)域中?！罢{(diào)出“是把已存儲(chǔ)的波形調(diào)出并顯示。使用時(shí)，只要按下“RECALL“鍵和一個(gè)數(shù)字鍵，示波器會(huì)把對(duì)應(yīng)編號(hào)的波形數(shù)據(jù)和參數(shù)調(diào)出，并顯示在屏幕上?！罢{(diào)出“是“存儲(chǔ)“的逆過(guò)程。

存儲(chǔ)/調(diào)出顯示功能對(duì)于在現(xiàn)場(chǎng)工作的工程師是很方便的。工程師可以把現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量期間所有的有關(guān)波形存儲(chǔ)下來(lái)，以便以后分析，或?qū)⑦@些波形傳往計(jì)算機(jī)再作進(jìn)一步的處理。

第76頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三5、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。顯示方式第77頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三幾乎所有微機(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。9.3.6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。第78頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、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9－3和表9－4所示。第79頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表9-3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。第80頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三表9-4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）。第81頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1．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。第82頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三波形加亮及控制流程第83頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三圖中，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)。第84頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、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9－6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，第85頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、兩波形的“加”運(yùn)算“加”運(yùn)算流程第86頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.4數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)9.4.1簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(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。第87頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(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)：第88頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.4.1簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(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)換器的選擇第89頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三一、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?？梢钥紤]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9.4.1簡(jiǎn)易數(shù)字示波器的設(shè)計(jì)第90頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由于存儲(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.控制方案的確定第91頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、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第92頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三二、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）第93頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.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)控制電路一般由時(shí)鐘、t/div控制器、寫地址計(jì)數(shù)器、RAM讀/寫控制等組成，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)單元寫滿，就完成了一個(gè)寫入循環(huán)。第94頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.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。第95頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.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。第96頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.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。第97頁(yè)，共110頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三、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：