時域測量

1、第六章 時域測量,本章要點：,· 示波器的功用、分類、組成和波形顯示原理,· 通用示波器的組成原理、特性與應用,· 取樣技術在示波器中的應用,· 數(shù)字示波器的組成原理、信號采集處理技術、特性與功能,本章開始將介紹幾種圖示式儀器，從三個方面去進行研究，即時域(Time Domain)反映的幅度U與時間T的關系(如示波器)、頻域(Frequency Domain)反映的幅度U與頻率F的關系(如頻

2、譜儀)及調(diào)制域(Modulation Domain)。下面將分三章介紹三種圖示式儀器：時域——示波器、頻域——頻譜儀和數(shù)據(jù)域——邏輯分析儀。,6.1.1 示波器的功用,1. 示波器是一種基本的、應用最廣泛的時域測量儀器。,2. 是一種全息儀器。示波器能讓人們觀察到信號波形的全貌，能測量信號的幅度、頻率、周期等基本參量，能測量脈沖信號的脈寬、占空比、上升（下降）時間、上沖、振鈴等參數(shù)，還能測量兩個信號的時間和相位關系。這些功能

3、是其它電子儀器難以勝任的。,3. 示波器從早期的定性觀測，已發(fā)展到可以進行精確測量。,4. 示波器是其它圖式儀器的基礎。對掃頻儀、頻譜儀、邏輯分析儀以及醫(yī)用B超等各種圖示儀器就容易理解了。,6.1.2 示波器的分類,當前常用的示波器從技術原理上可分為：,（1）模擬式——通用示波器（采用單束示波管實現(xiàn)顯示，當前 最通用的示波器）。,（2）數(shù)字式——數(shù)字存儲示波器（采用A/D、DSP等技術實現(xiàn)的數(shù)字化示波器）。,（1）

4、中、低檔示波器，帶寬在60MHz以下。,（2）高檔示波器，帶寬在60MHz以上，大多在300MHz以下。 更高檔的有1GHz～2GHz以上。,從性能上，按示波器的帶寬可分為：,6.1.3 示波器的組成,,Y（垂直）通道：由探頭、衰減器、前置放大器、延遲線和輸出放大器組成，實質(zhì)上是個多級寬頻帶、高增益放大器，主要對被測信號進行不失真的線性放大，以保證示波器的測量靈敏度。,X（水平）通道：由觸發(fā)電路、時基發(fā)生器和水平

5、輸出放大器組成，主要產(chǎn)生與被測信號相適應的掃描鋸齒波。,顯示屏：主要由陰極射線管組成，常以CRT (Cathode Ray Tube)表示，通常稱為示波管。當前以光點和光柵方式作顯示屏的主要采用示波管。另外，平板顯示屏是后起之秀，發(fā)展很快，尤其是液晶顯示屏（LCD）已經(jīng)應用于示波器了。,6.2 示波管（CRT）,示波管屬于電真空器件，又稱為陰極射線管（CRT）。,6.2.1 電子槍,電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強度可

6、控制的很細的電子束。它由以下幾部分組成：,1.燈絲F——在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極。,2.陰極K——是一個表面涂有氧化鋇（其逸出功小，內(nèi)部自由電子容易逸出）的金屬,3.第一柵極G1——調(diào)節(jié)G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。,當控制信號加于G1，其亮度可隨之改變，則可以傳遞信息，稱為示波器的Z軸電路。,4.第二柵極G2——隔離開G1和A1，以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。,5.第

7、一陽極A1——與第二陽極A2構成一個電子透鏡，對電子束起聚焦作用。,6.第二陽極A2——是個更大的同軸圓筒，其上電壓較高，它主要與A1構成電子透鏡。,7.第三陽極A3——具有上萬伏的高壓，用于對電子束加速，故也稱后加速陽極。,6.2.2 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),1．靜電偏轉(zhuǎn)---光點法----用干示波器,2..磁偏轉(zhuǎn)-----光柵法----用于電視機、計算機顯示器及示波器。,,比例系數(shù)稱為示波管的偏轉(zhuǎn)因數(shù)，單位為cm/V，它的倒數(shù)Dy＝1／hy

8、稱為示波管的偏轉(zhuǎn)靈敏度，單位為V/cm。偏轉(zhuǎn)靈敏度是示波管的重要參數(shù)。,6.2.3 熒光屏,在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì)，熒光物質(zhì)將高速電子的轟擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽埽a(chǎn)生亮點。,余輝時間：當電子束從熒光屏上移去后，光點仍能在屏上保持一定的時間才消失。從電子束移去到光點：亮度下降為原始值的10％，所延續(xù)的時間稱為余輝時間．,小于10μs的為極短余輝；,不同熒光材料余輝時間不一樣：,10μs～1ms為短余輝（通常是藍色，便于攝影感光

9、）；,1ms～0.1s為中余輝（通常為綠色，眼睛不易疲勞）；,0.1s～1s為長余輝（通常是黃色）；,大于1s為極長余輝（通常是黃色）。,6.3　波形顯示原理,6.3.1 顯示隨時間變化的圖形,1.光點掃描顯示原理,光點位置控制：,2.信號與掃描電壓的同步,若顯示兩個正弦波怎么辦？,3.連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描,連續(xù)掃描：一開機就有掃描線，來信號同步后波形才穩(wěn)定。,觸發(fā)掃描：一開機沒有掃描線，來信號觸發(fā)后波形才穩(wěn)定。,6.3.2 顯示

10、兩個變量之間的關系,Ux和Uy配合起來，即能夠畫出任意的波形。利用這種特點就可以把示波器變?yōu)橐粋€X—Y圖示儀。1.李薩如圖形：校準頻率指示2.邏輯分析儀：0、1顯示3.矢量示波器：色坐標,※6.3.3 光柵顯示原理,光柵顯示主要用于電視機和計算機的顯示器，通常都是采用磁偏轉(zhuǎn)方式的顯像管。,1.光柵顯示的原理與實現(xiàn),電子束先要在行、場（即X、Y）掃描的配合下，從左到右、從上到下掃出略有傾斜的水平亮線，這些亮線合成為光柵，如圖

11、6.12所示（示意圖）。,光柵顯示是三維（X、Y、Z）坐標顯示。X、Y偏轉(zhuǎn)只用于決定光點在屏幕上的位置，而Z軸電路（見示波管第一柵極）則用于控制光點顯示的強弱亮暗，這是由被測信號控制的。,6.3.4 平板顯示原理,上述顯示是基于電真空器件CRT內(nèi)進行的，這種方式優(yōu)點多多缺點不少，引發(fā)世人發(fā)明多種方案欲取而代入。,作業(yè)：6.5,6.4 通用示波器,6.4.1 通用示波器的組成,通用示波器是指示波器中應用最廣泛的一種，它通常泛指

12、采用單束示波管、除取樣示波器及專用或特殊示波器以外的各種示波器。,6.4.2 示波器的Y(垂直)通道,示波器的Y通道的任務是將被觀測的信號盡量不失真地加到示波管Y偏轉(zhuǎn)板上。,1.探頭（探極）與耦合,注意：探頭不能張冠李戴，必須配對使用。否則300MHz帶寬的示波器可能不到50MHz的效果。,1)無源電壓探頭,輸入電阻：1MΩ→10MΩ輸入電容：180pF→18pF展寬了頻帶分壓比：10︰1擴展示波器的量程上限,附加一

13、個RLC阻抗匹配網(wǎng)絡，把工作頻率上限提高到了300MHz以上。,2)耦合,2.輸入衰減器,對于直流或低頻情況：,,對于高頻情況,,當滿足 R1C1=R2C2,能在很寬頻率范圍得到最佳補償，使信號不失真。,示波器的衰減器實際上由一系列RC分壓器組成，改變分壓比即可改變示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度。這個改變分壓比的開關即為示波器靈敏度粗調(diào)開關，在面板上常用V/cm加標記。,通常示波器的靈敏度都是按1、2、5步進，例如，10mV/cm

14、~20V/cm分11檔。,3.延遲線,4.Y放大器,Y放大器使示波器具有觀測微弱信號的能力。Y放大器應該有穩(wěn)定的增益、較高的輸入阻抗、足夠?qū)挼念l帶和對稱輸出的輸出級。,通常把Y放大器分成前置放大器和輸出放大器兩部分。,寬頻帶、高增益差分放大示波器售價主要決定帶寬,主要按鈕：垂直（Y）位移-----調(diào)Y放大器直流電位，使水平基 線上下移動。,尋跡-----有時Y增益過大,基線跑出屏幕,按“尋跡”,倍率-----若把“倍率”置于“&

15、#215;5”,則負反饋減小，,使增益大大降低拉回基線,增益增加5倍，這便于觀測微弱信號。,6.4.3 示波器的X(水平)通道,示波器的X通道主要由掃描發(fā)生器環(huán)、觸發(fā)電路和X放大器組成．（見前第17張幻燈稿：示波器組成框圖）,1.觸發(fā)電路,作用----為掃描門提供觸發(fā)脈沖,1)觸發(fā)源選擇,“內(nèi)”觸發(fā)：利用從Y通道來的被測信號作觸發(fā)信號，這是最 常用的情況；,“外”觸發(fā)：是用外接信號作觸發(fā)信號，但觸發(fā)信號的周期應 與被測信號有

16、一定的關系，外觸發(fā)常用在被測信號不適宜作觸 發(fā)信號或比較兩個信號時間關系的情況。,“電源觸發(fā)”：在觀測與電源有關的信號時，可選“電源”觸 發(fā)，以便于與電源同步。,2)觸發(fā)耦合方式,“DC”直接耦合：用于直流或緩慢變化的信號進行觸發(fā)時；,“AC”交流耦合：若用交流信號觸發(fā)，置AC方式，這時電容 C1（約0.47μF）起隔直作用；,“低頻抑制”：利用C1、C2（約0.01μF）串聯(lián)后的電容，抑 制信號中大約2kHz以下的低頻

17、成分，主要目的是濾除信號中 的低頻干擾；,“HF”高頻耦合：利用C1和更小的C3（約1000pF）串聯(lián)后 只允許通過頻率很高的波,3)觸發(fā)電平與觸發(fā)極性選擇,其作用是讓使用者可以選定在被測信號波形的某一點上產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，也就是可以自由選定從信號的某一點開始觀測。,2.掃描發(fā)生器環(huán)（時基電路）,1)掃描門（時基閘門、可以是任何雙穩(wěn)態(tài)電路）,2)積分器（鋸齒掃描電壓產(chǎn)生，密勒(Miller)積分器）,3)比較和釋抑電路,4)觸發(fā)掃

18、描狀態(tài),欲看3個脈沖：1、5號脈沖觸發(fā)有效2、3號脈沖無用4號脈沖要抑制注意：三個時刻：t1、tp、t2三個時間：tb、th、tw要求： th>tb（釋抑放電時間大于回掃時間）,5)連續(xù)掃描狀態(tài),予置：E0>E1環(huán)路自激Ch放電至E1打開閘門，掃描開始，到Up ，Ch充電，到E2掃描結束，Ch又放電。當有信號（2號觸發(fā)脈沖）則環(huán)路被信號所同步。,6)結論：,掃描環(huán)的巧妙加入，通過調(diào)節(jié)E0（RW穩(wěn)定

19、度）可使電路處于：,“常態(tài)” 觸發(fā)掃描狀態(tài)；,“自動” 低頻連續(xù)掃描狀態(tài)；,“高頻” 高頻連續(xù)掃描狀態(tài),且不管哪種掃描都能自動與被測信號同步。,說明：上面是以最簡單的電路來講述環(huán)路工作原理的，實際 電路更完善更先進。,3.X放大器（見前p17框圖）,1)作用：放大掃描鋸齒電壓并對稱地加至水平偏轉(zhuǎn)板,2)特點：帶寬比Y通道窄5-10倍,X—Y工作模式----,X擴展----X放大器增益：×5；×10,

20、,6.4.4 示波器的多波形顯示,1.多線顯示和多蹤顯示,1)多線顯示,兩個電子束，兩個Y通道相互獨立，可以實時看到兩個瞬變信號。這種能產(chǎn)生多個電子束的示波管工藝要求較高、價格較貴。,2)多蹤顯示,工作方式：ABA+BA-B交替斷續(xù),注意：由誰觸發(fā)？A 、 B各自觸發(fā)，則不便比較時間關系。A、B共一觸發(fā)，便于比較時間關系。,(a) “交替”方式,適合觀測高頻信號,交替描繪A、B兩路,非實時（隔周）比較,(b) “斷

21、續(xù)”方式,適合觀測低頻信號,多次取樣，準實時,波形非連續(xù)，可能,漏掉信息,2.雙時基掃描,既可看全景，又可看局部（雷達、特寫鏡頭）,,工作方式：A工作模式；B加亮A；A延遲B工作,6.4.5 通用示波器的應用,1.通用示波器的主要技術指標,1)帶寬、上升時間,Y通道的頻帶寬度(Bw)，,,2)掃描速度,掃描速度反映示波器在水平方向展開信號的能力。掃描速度是光點的水平移動速度，單位是s/cm，或s/div。div(格)一般為1cm

22、。,3)偏轉(zhuǎn)靈敏度,偏轉(zhuǎn)靈敏度Dy反映示波器觀察微弱信號的能力。單位為mV/cm或V/div。,4)輸入阻抗,示波器輸入阻抗一般可等效為電阻和電容并聯(lián)。,5)掃描方式,示波器掃描方式可分為連續(xù)和觸發(fā)掃描兩種，隨示波器功能的 擴展，還出現(xiàn)了多種的雙時基掃描。主要有延遲掃描、組合掃 描、交替掃描等，但此時示波器中要有兩套掃描系統(tǒng)。,6)觸發(fā)特性,為了將被測信號穩(wěn)定地顯示在屏幕上，掃描電壓必須在一定的觸發(fā)脈沖作用下產(chǎn)生。,2.通用示波

23、器的選用原則,選用示波器的主要依據(jù)是上述各項技術性能指標，但最主要的是帶寬。,trx=10+3.5 ？因兩獨立變量應均方相加,則,,,但這樣測讀太麻煩，最好,,,,這要滿足什么條件呢？經(jīng)誤差分析，,可得右圖關系：,tx/tr=1時，屏幕讀數(shù)相對誤差,,通常要求選用的示波器上升時間要,tx/tr=3～5,對于一般連續(xù)信號,BW/fh=3～5,這里fh是被測信號中的最高頻率分量。,3.通用示波器的基本測量方法,利用示波器可以進行電壓、

24、頻率、相位差以及其它物理量的測量。在實驗中進行。,提問：,1 觀測一個10MHz正弦波，為使失真小應選什么示波器？,2 測量電視機的視頻信號要選什么示波器？,3 測量電視機的中頻信號要選什么示波器？,4 測量電視機的高頻信號要選什么示波器？,習題：6.10,>30MHz,>120MHz,>20MHz,>3000MHz,6.5 取樣技術在示波器中的應用,以上介紹的通用示波器是“實時示波器”，測量時間(一個掃描

25、正程)=被測信號的實際持續(xù)時間，看到的就是正發(fā)生的。,但有兩點不足:1. BW >1500MHz周期重復信號難以實現(xiàn)→取樣,2. 單次、非周期信號難以觀測（拍照）→存儲,BW再提高受到下列因素的限制：,（1）受到示波管的上限工作頻率的限制。,（2）受Y通道放大器帶寬的限制；,(3) 受時基電路掃描速度的限制。,6.5.1 取樣示波器的基本原理,1.實時取樣和非實時取樣,取樣的概念是以少量間斷的樣品表征一個連續(xù)的完整過程。例如，

26、電影、數(shù)字音視頻技術都是建立在取樣技術的基礎上的。,同理，欲觀察一個波形，可以把這個波形在示波器上連續(xù)顯示，也可以在這個波形上取很多的取樣點，把連續(xù)波形變換成離散波形，只要取樣點數(shù)足夠多，滿足取樣定理的要求，顯示這些離散點也能夠反映原波形的形狀。上述取樣方法叫“實時取樣”。取樣信號uo(t)的頻譜比原信號ui(t)還要寬。由此可知，實時取樣并不能解決示波器在觀測高頻信號時所遇到的頻帶限制的困難。,非實時取樣---不是在一個信

27、號波形上完成全部取樣過程，而取樣點是分別取自若干個信號波形的不同位置，如圖6.47所示。,,條件：周期信號 連綿不斷取樣點間隔： mt+nΔt左圖 m=1（每個周期取一點）若 m=10,1000…則波形展得更寬,2.顯示信號的合成過程,兩對偏轉(zhuǎn)板上加什么樣的電壓呢? 因要經(jīng)過mt+Δt的停留時間，然后跳至下一點?？梢奨、Y偏轉(zhuǎn)板上都應該加階梯波,6.5.2 取樣示波器的基本組成,,Y通

28、道的作用是在取樣脈沖的作用下，把高頻信號變?yōu)榈皖l信號。延長電路起記憶作用，把每個取樣信號幅度記錄下來并展寬水平系統(tǒng)的主要任務是產(chǎn)生時基掃描信號，同時產(chǎn)生Δt步進延遲脈沖送Y軸系統(tǒng)。,6.5.3 取樣示波器的參數(shù),取樣示波器除具有通用示波器的性能指標外，還具有其本身的技術參數(shù)。,1.取樣示波器的帶寬,取樣示波器的帶寬主要決定于取樣門（技術關鍵），因為被測頻率越高，要求取樣脈沖越窄。當取樣門所用元件工作頻率足夠高時，取樣門的最高工

29、作頻率與取樣脈沖底邊寬度τ成反比。通常，樣門最高工作頻率可表示為,,（6.17）,2.取樣密度,取樣密度是指屏幕在水平方向上顯示的被測信號每格對應的取樣點數(shù)，常用每厘米的亮點數(shù)表示。若取樣密度太低，顯示波形會有閃爍現(xiàn)象。,3.等效掃描速度,等效掃速定義為被測信號經(jīng)歷時間與水平方向展寬的距離比。,應當指出，取樣示波器是荷蘭菲利浦（Philips）公司最先研制成功的，1969年美國HP公司也研制生產(chǎn)了取樣示波器，帶寬已達18GHz

30、，后來進展緩慢，以至停產(chǎn)。其主要原因：,一是單純的取樣示波器只能觀測重復性的周期信號，應用范圍受限；,二是數(shù)字技術的發(fā)展，已將取樣技術融合到數(shù)字示波器中去了，現(xiàn)代數(shù)字示波器不僅可以觀測超高頻重復性的周期信號，還可以觀測瞬態(tài)的單次脈沖，并且還具有存儲功能。,因此，現(xiàn)在市場上已很少見單純的取樣示波器了，但取樣示波器技術為現(xiàn)代數(shù)字示波器奠定了良好的基礎。,6.6 數(shù)字示波器,數(shù)字示波器通常稱為數(shù)字存儲示波器(Digital Stor

31、age Oscilloscope，縮寫 DSO)。,這類 4441 型示波器，其實時帶寬為20或40MHz，最大采樣率為10MS/s或25MS/s。,2.單處理器數(shù)字示波器,3.多處理器數(shù)字示波器（用HP54600系列示波器來說明）,圖中包含了三個處理器（主處理器、采集處理器和波形翻譯器），現(xiàn)分四部分進行介紹。,1)模擬部分,這里的跟蹤保持電路的功能是在獲取采樣時凍結此刻的瞬息電壓，并保持足夠長的時間，以便使A/D能完成模數(shù)轉(zhuǎn)換

32、。,2)采集處理器,使用隨機-重復采樣，送入波形存儲器的數(shù)據(jù)放置點是經(jīng)過復雜計算的，采集處理器必須根據(jù)采樣與觸發(fā)信號的相對關系來確定它們的正確放置位置，以便重構波形。該采集處理器使用了HPCMOS技術實現(xiàn)了以極高的速率處理采樣點的專用邏輯關系。,3)波形翻譯器,波形翻譯器也是一個專用的處理器集成電路，將波形對應的數(shù)據(jù)點相關的電壓和時間值翻譯成顯示器上的垂直和水平像素位置，再將這些波形的像素位置對應地送至像素存儲器。,4)主微處

33、理器,使用68000CPU、ROM、RAM的常規(guī)微處理器系統(tǒng)作為控制示波器的硬件。,由于采用了多處理器各負其責協(xié)同工作，使示波器性能大為改善，其采樣率大大提高，尤其是顯示更新率可做到1500000 點/秒以上。,力科（ LeCroy ）的產(chǎn)品，更突出了數(shù)字處理和軟件的功能。,6.6.2 信號的采集處理技術,1.早期數(shù)字示波器的缺點,1)屏幕更新率低,更新率是指每秒鐘在屏幕上描畫掃跡的次數(shù)，也稱波形捕獲率，即每秒可以捕獲的波形數(shù)

34、目。,早期數(shù)字示波器不能像模擬示波器那樣進行實時測量，即不能及時地反映被測信號的變化。這是由于它只有一個微處理器，無法滿足實時處理的要求。,同時，更新率低造成顯示響應慢，屏幕上看到的不是正在發(fā)生的波形，而是從存儲器里調(diào)出來的前幾個周期的波形，這對用示波器作監(jiān)視進行電路調(diào)試帶來很多的不便。,例：右圖調(diào)延遲時間T，要多次反復調(diào)整才行。,試驗示波器更新率是否滿足要求，一個簡便的方法是用函數(shù)發(fā)生器信號加到示波器上，快速更換波形（如正

35、弦波→方波→三角波），看屏幕上是否能快速跟上變化。,為此，現(xiàn)代數(shù)字示波器在提高更新率上作了很大的改進，如泰克（Tektronix）公司采用InstaVu技術已達到了400000W/S（波形/ 秒）以上，可以做到“模擬示波器的感覺，數(shù)字示波器的性能"的效果。,2)有混迭失真,混迭失真也稱頻混、假像，是數(shù)字示波器使用中要防止的現(xiàn)象。造成混迭失真的原因是欠采樣，采樣頻率太低，違背了奈奎斯特取樣定理（取樣頻率必須高于信號最

36、高頻率分量至少2倍以上），即未采到足夠多的樣點來重構波形，而造成的假象。,避免混迭失真的措施：,A) 過采祥，即提高采樣速率，在各種情況下都滿足奈奎斯特定理的要求；,B) 峰值檢測（包絡檢測），以峰值作為基本的采樣點，再補上其它的采樣點，則不會混迭失真。,上述兩個缺點是現(xiàn)代DSO設計和使用中要防止的問題。,2.采樣方式,數(shù)字示波器的采樣方式有實時采樣和等效采樣 (非實時采樣) ，等效采樣又可分為隨機采樣和順序采樣，如圖6.

37、58所示。,1)實時采樣,實時采樣是對每個采集周期的采樣點按時間順序進行簡單的排列就能表達一個波形，,2)隨機采樣,由于實時采樣DSO要求采樣速率高，例如帶寬為100MHz就要求A/D器件的轉(zhuǎn)換速度不能低于400MS/s，這樣高速的A/D和采集數(shù)據(jù)存儲器價格都比較高。因而目前高帶寬并且記錄長度長的實時采樣DSO價格相當昂貴。而實際上大多數(shù)測量的都是重復信號，,3)順序采樣,順序采樣方式主要用于數(shù)字取樣示波器中，能以極低的采樣

38、速率（100 kHz～200kHz）獲得極高的帶寬（高達50GHz），并且垂直分辨率一般在10bit以上。由于這種示波器每個采樣周期在波形上只取一個樣點，如圖所示，每次延遲一個已知的Δt 時間，要想采集足夠多的樣點，則需要更長的時間才行。不能進行單次捕捉和預觸發(fā)觀察也是它的缺點。,3.采樣速率,采樣速率又稱作數(shù)字化速率，描述方式通常有：,⑴用采樣次數(shù)來描述，表示單位時間內(nèi)采樣的次數(shù)。如20MS/s（20×106次/秒

39、）。,⑵用采樣頻率來描述，如20MHz。,⑶用信息率來描述，表示每秒鐘儲存多少位（bit）的數(shù)據(jù)。如每秒鐘儲存160兆位（160Mb/s）的數(shù)據(jù)，對于一個8位（8bit）的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就相當于20MS/s的采樣率。,采樣速率高可以增大DSO的帶寬，但事實上，DSO的采樣速率還受到采集存儲器容量的限制，一般在不同掃速時，要求采樣速率是不一樣的，防止采樣點過多而溢出采集存儲器，其具體定量關系見下述。,4.采集器件,世界各大儀

40、器公司都推出自已的高速A/D技術，有的轉(zhuǎn)換速度已超過10GS/s以上。當前在DSO中主要采用下面兩種類型A/D轉(zhuǎn)換技術。,1)并聯(lián)比較式 A/D轉(zhuǎn)換器（也稱flash閃爍或瞬間式）,并聯(lián)比較式 A/D轉(zhuǎn)換器（及分級型和流水線式A/D轉(zhuǎn)換器）教材P198,2)CCD+A/D技術,采用電荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）作高速模擬存儲，然后再慢速進行A/D數(shù)字化處理。這種CCD+A/D組合采集的原理如圖6

41、.60所示。當前這種單片模擬存儲IC的采樣速率可達2.5GS/s，并且價格相對便宜。四片這樣的IC交叉復用，可達到10GS/s。但是由于制造技術上的原因，這種DSO的記錄長度有限。,兩路組合采集的原理,5.采樣存儲器,① 要高速存儲器：在DSO中每個新獲取的采樣數(shù)據(jù)都必須立即存入采樣存儲器，因此它必須具有與采樣速率同步的連續(xù)接收數(shù)據(jù)的能力。,② 采用循環(huán)存儲結構：采樣存儲器具有循環(huán)存儲功能。先進先出，總是存放有最新的nm個

42、采樣數(shù)據(jù)。,③ 預采樣：采用循環(huán)存儲結構，主要是為了能觀測觸發(fā)之前的波形情況，采樣過程必須預先進行，一開機就不斷地采樣。,6.觸發(fā)功能,“觸發(fā)”的概念來自模擬示波器，只能觀測觸發(fā)點以后的波形。 在DSO中也沿用“觸發(fā)”叫法，設置了觸發(fā)功能。但這里觸發(fā) 信號只是在采樣存儲器選取信號的一種標志，以便可以靈活地 選取采樣存儲器中某部分的波形送至顯示窗口。,圖6.62中是觀測振蕩器起振的過程，選擇觸發(fā)電平介于零和穩(wěn)定振幅之間

43、的某一數(shù)值，觸發(fā)極性選正（上升沿），負延遲5格，則可在屏幕上同時看到觸發(fā)前后的情況，即顯示了從起振到穩(wěn)定的全過程。,正延時 是指可以觀測觸發(fā)點以后的被測信號；,負延時 可以觀測觸發(fā)點之前的信號。距離觸發(fā)點的延遲時間可由程序設定，給波形分析帶來很大方便。,觸發(fā)源選擇：內(nèi)觸發(fā)(可分別由通道1或通道2觸發(fā))、外觸發(fā)、交流電源觸發(fā)等。,觸發(fā)模式選擇：自動、正態(tài)、單次等。,觸發(fā)類型：邊緣觸發(fā)、視頻觸發(fā)、脈沖觸發(fā)、延遲觸發(fā)及毛刺觸發(fā)等。,延遲

44、觸發(fā)功能也是DSO檢測故障的一種手段，可以設法利用故障形成觸發(fā)信號，利用負延遲恰好能看到故障發(fā)生前后的情況。,圖6.63給出了毛刺觸發(fā)捕捉尖峰干擾的波形。有的DSO可捕捉0.6ns的毛刺。,7.采樣速率與記錄長度(即存儲深度),采樣速率fs(MS/s)↑→數(shù)據(jù)點↑→記錄長度L（pts）↑→高速存儲器難度↑,例如，想要在100ms/div的掃速下以1GS/s采樣,那將需要1000M的內(nèi)存。,但習慣用：,掃速 200ps/cm--

45、-10s/cm,早期DSO的掃速、采樣速率和記錄長度之間存在如下近似關系： 記錄長度≈采樣速率×掃速×10 L（pts）=fs(MS/s)↓×S（S/div）↑×10（div） （6.20）,掃速S↑，是掃速變低,500 pts=50MS/s×1ms/div×10 div這樣正好保證了有500個采樣點（10ms/20ns=500）。 ① 若降低掃

46、速，如10ms/s（這時可看100ms時間的信號），則 5000 pts=50MS/s×10ms/div×10 div 如果保持采樣率不變，采樣點太多采樣存儲器又會溢出。 ② 若降低采樣率，如5MS/s，則 50 pts=5MS/s×1ms/div×10 div （每厘米僅5個光點）如果掃速保持不變，采樣點太少則保證不了時間分辨率； 早期

47、DSO改變掃速則聯(lián)動改變采樣速率(實際上是改變A/D轉(zhuǎn)換速度，即改變控制A/D工作的時鐘頻率)，基本上維持(6.20)式的平衡。,但這樣的設計存在兩個缺點：,⑴記錄長度太短，不能完整記錄一個較復雜的信號。只以一個顯示窗口設計記錄長度，采樣點有500～1000點也就夠了，但僅1000個樣點是難以顯示一個較復雜波形的。否則水平方向分辨力很差，丟失波形中一些信息。,⑵不便同時觀測快慢信號。只以一個顯示窗口設計記錄長度，在觀測一個含有

48、快慢信號的波形時，例如圖6.64所示的一行電視信號時，若以慢信號行頻調(diào)整掃速，可以看到一行完整的信號，但看不清楚其中電視信號的波形；若以其中快變的電視信調(diào)整掃速，則又看不到一行完整的信號。,研究式(6.20)可以發(fā)現(xiàn)：,只要左邊大于右邊，即記錄長度長，每次采集存儲的樣點多，一次就能記錄下一個復雜的波形，右邊掃速較大范圍改變時，采樣速率可以保持不變，克服了上述兩個缺點。因此，現(xiàn)代DSO都把增加記錄長度（即提高存儲深度

49、）作為一項重要改進措施，設計超快、超長的采集存儲器。現(xiàn)代DSO記錄長度已做到多達48M采樣點，保證了高的采樣率和對復雜波形的捕獲。,圖6.65給出了幾種不同DSO的掃速、采樣速率和記錄長度的關系曲線。從圖中可以看出，一臺最高采樣率為1GS/s，記錄長度為1Kpts的DSO，當掃速提高到100μs/cm時，實際采樣率已降到1MS/s（A點）！而另一臺最高采樣速率100MS/s，記錄長度1Mpts的DSO，在同樣掃速下，仍然

50、保持在100MS/s采樣速率（B點）。還有一臺500MS/s最高采樣速率、120k記錄長度的DSO，在相同掃速下，采樣速率大于100MS/s（C點）。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,采樣率,1K記錄長度,120K記錄長度,1M記錄長度,C,B,A,1GS/s,100MS/s,10MS/s,1MS/s,100KS/s,10KS/s,0.01KS/s,1KS/s,0.1KS/s,10ns,100ns,1μs,10

51、μs,(500MS/s),100μs,0.1s,1ms,10ms,1s,10s,(t/div),100s,1ks,10ks,100ks,掃速,圖6.65 掃速、取樣率和記錄長度的關系曲線,,,,結論：記錄長度大的DSO，掃速在 較大范圍調(diào)節(jié)時，采樣速率不必跟著變化。,由于記錄長度長，在此范圍內(nèi)改變掃速，采樣率可不變,記錄長度短超此小范圍改變掃速則要降低采樣率否則要溢出,,,,,,降低掃速必須降低采樣率,,應當指出，增

52、加記錄長度后，一次捕捉的波形樣點多了，不用改變掃速就可同時觀測高速和低速兩種信號。但是屏幕只有10格500點左右像素，若捕獲100000點的波形，僅有500點顯示在屏幕上，只能看到波形中的某一部分，其余99500點是在屏幕左右看不見的地方。為此，不少廠家又提出多種波形快速縮放技術（如MegaZoom、QuickZoom、X-Stream等）和類似模擬示波器中的多時基顯示技術，使用戶通過左右移動或多次放大深層次的波形分析，既

53、可看到波形的全貌又可看到局部細節(jié)。解決了長記錄長度和快速顯示處理之間的矛盾。圖6.66給出了力科公司采用X-Stream技術對復雜波形多次局部放大的示意圖。,8.有效比特分辨率,模擬示波器的垂直分辨率以示波管良好聚焦情況下每格多少線來表示，而DSO的垂直分辨率是以比特數(shù)來表示的，所以叫比特分辨率。當前各公司給出DSO的比特分辨率都是DSO內(nèi)A/D轉(zhuǎn)換器的比特數(shù)，一般是8比特。實際上，A/D轉(zhuǎn)換器的真正比特分辨率---即有效

54、比特分辨率（EBR）與被轉(zhuǎn)換的信號頻率有關系。當輸入信號頻率提高時，其比特分辨率減小；并且不同廠家生產(chǎn)的A/D，其比特分辨率減小的多少也是不一樣的。例如同樣是200MS/s、8bitA/D，AD770和CXA1076在輸入100MHz滿刻度信號時，前者不足5bit，而后者不到4bit。在DSO的整機中，通道噪聲、非線性、時基抖動、代碼丟失都會引起A/D轉(zhuǎn)換器的有效比特分辨率降低。因此，簡單地用A/D比特數(shù)來表示DSO的垂直

55、分辨率是不科學的，目前還沒有統(tǒng)一的DSO有效比特分辨率評價標準和測量方法。,6.6.3 波形顯示技術,這種技術的原理是：在采樣點之間插入曲線段而使顯示波形平滑。但是，有時由于過于依賴曲線的平滑性而使用很少的采樣點（有時少達每周期4個），因而噪聲容易混入數(shù)據(jù)中。,1.點顯示技術,一般要求為每個信號周期顯示20～25個點。,2.數(shù)據(jù)點插入技術（插值、插補、曲線擬合）,DSO中常用一種插入器將一些數(shù)據(jù)補充到所有相鄰的采樣點之間。采用

56、插值技術可以降低對采樣速率的要求。當前主要有線性插入和曲線插入兩種方式。常用的插入技術：,1)矢量式顯示（線性插入）,2)正弦內(nèi)插,3)改進型正弦插入,4)SinX/X插入,3.矩陣像象素點顯示技術（不用D/A把點數(shù)據(jù)還原成模擬電壓）,,要求將波形對應的數(shù)據(jù)點相關的電壓和時間值翻譯成顯示器上的垂直和水平像素位置，再將這些波形的像素位置對應地送至視頻隨機存取儲存器（或稱屏幕存儲器、像素存儲器、畫面緩沖區(qū)，該存儲器的存儲單元與屏幕像素位置

57、一一對應）相應的存儲位置上。光柵-掃描顯示器在波形翻譯器控制下被視頻隨機存取儲存器刷新，顯示與波形對應的各像素。,4.有效存儲帶寬,DSO的有效存儲帶寬（USB，useful storage bandwidth）描述的是DSO觀測正弦波信號最高頻率的能力。實際上USB也用來作為DSO的單次帶寬。,前面已經(jīng)指出，為了避免混淆現(xiàn)象發(fā)生，目前實時采樣 DSO 的采樣頻率一般規(guī)定為帶寬的 4～5倍，同時還必須采用適當?shù)膬?nèi)插算法才行。如果

58、不采用內(nèi)插顯示，則規(guī)定采樣速率應為實時帶寬的10倍。因此，在DSO中定義USB：,,（6.21）,式中：fsmax——最高采樣速率,k——正弦信號每周采樣點數(shù),允許每周采樣點數(shù)要依據(jù)廠家采用的數(shù)據(jù)點內(nèi)插技術而定。通常，純點顯示k=25，矢量內(nèi)插k=10，正弦內(nèi)插k=2.5。因此，USB的寬度與采樣速率和波形重組的方法有關。,6.6.4 技術性能指標,1.帶寬（BW）,當示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號時，屏幕上對應基準頻率的顯

59、示幅度隨頻率變化而下跌3dB時，其下限到上限的頻率范圍即頻帶寬度，單位一般是MHz或GHz。,在DSO中通常有兩種帶寬：,⑴ 重復帶寬（repeat BW）：是指用DSO測量重復信號時的 3dB帶寬。由于一般使用了非實時等效采樣（隨機采樣或順序 采樣），故重復帶寬（也稱等效帶寬）可以做得很寬，有的達 幾十GHz。,⑵ 單次帶寬（single shot BW）：也稱有效存儲帶寬（USB）。是用DSO測量單次信號時，能完整地

60、顯示被測波形的3dB帶寬。實際上一般DSO模擬通道硬件的帶寬是足夠的，主要受到波形上采樣點數(shù)量的限制。因此，單次帶寬一般只與采樣速率和波形重組的方法有關，上面6.21式給出了這種關系。,當DSO的采樣速率足夠高，即高于標稱帶寬的4～5倍以上時，它的單次帶寬和重復帶寬是一樣的，稱為實時帶寬。,2.上升時間（Rise Time）,數(shù)字示波器的上升時間和模擬示波器一樣都按式(6.6)進行計算。,,如果示波器的上升時間比被測脈沖的上升時

61、間快三倍以上，則測量結果的直接讀數(shù)誤差不大于5%，否則需要用公式6.8進行計算，這也和模擬示波器使用情況相同。,掃速不同，采樣點間隔不同，則上升時間讀數(shù)可能不同。因此，使用中應注意選擇合適的掃速。,3.垂直靈敏度（Vertical Defection Coefficient）,也稱垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)，指示波器顯示的垂直方向（Y軸）每格所代表的電壓幅度值，常以V/div或V/cm表示。根據(jù)傳統(tǒng)模擬示波器的習慣，DSO也以1—2

62、—5步進方式進行垂直靈敏度調(diào)節(jié)，也可以進行細調(diào)。,垂直靈敏度參數(shù)表明了示波器測量最大和最小信號的能力。,4.掃速,或稱水平偏轉(zhuǎn)因數(shù)（Horizontal Deflection Coefficient）、掃描時間因數(shù)、時基。指示波器顯示的水平方向(X軸)每格所代表的時間值，以s/div、ms/div、μs/div、ns/div、ps/div表示。沿用模擬示波器的傳統(tǒng)習慣，數(shù)字化示波器也以1—2—5步進方式進行調(diào)節(jié)，也能進行細調(diào)。

63、,6.6.5 基本功能,數(shù)字示波器有很多傳統(tǒng)模擬示波器所不具備的功能，這些功能也是目前數(shù)字示波器所必須具備的，具有一定的代表性。,1.自動刻度(Auto Scan),這是一種通過軟件自動調(diào)定示波器設置的功能。,只須按一下“自動刻度”鍵，軟件就會對輸入波形進行計算，使儀器調(diào)到合適的掃速、合適的垂直靈敏度、合適的垂直偏轉(zhuǎn)和觸發(fā)電平，從而得到滿意的波形顯示。,2.存儲/調(diào)出（Save/Recall）,這是一種存儲或調(diào)出前面板設置的

64、功能。,當你需要多次重復使用某幾套設置觀測幾個不同波形或?qū)ν粋€波形在不同的設置條件下進行測量時，可以預先設置好幾套面板參數(shù)存儲起來。避免了每次測量所需的繁瑣設置過程，特別適合于反復進行的測試程序，如生產(chǎn)線上的多種波形的重復測量。有的數(shù)字示波器可以存儲十套面板設置。,1 10mv/cm 100ps/cm2 50mv/cm 0.5μs/cm34510 1v/cm 10ms/cm,3.光標測量(Δ

65、V、ΔT),數(shù)字化示波器具有同時顯示兩個電壓光標和兩個時間光標的能力。簡單地利用前面板的轉(zhuǎn)輪，調(diào)整這些光標，能夠測量波形上任何一點的絕對電平、離觸發(fā)參考點的時間值或者直接讀出波形上任意兩點的電壓差(ΔU)、時間差(ΔT)、以及電壓與時間的相關特性等。,4.自動頂—底(Auto Top-Base),,,在ΔV菜單下，按“自動頂—底”鍵，儀器的軟件將用統(tǒng)計平均算法自動地把兩個電壓光標分別放在波形的頂部和底部。通過△U的讀數(shù)指示，

66、可以立即準確讀出波形幅度值或分別讀出頂部或底部的絕對電平值。此外，ΔU光標也能自動放在波形的10-90%、20-80%、50-50%(波形的中間)處，以便作為其它特殊測量使用。圖6.70表示一個“自動頂—底”的例子。,6.自動脈沖參數(shù)測量,能進行的自動脈沖參數(shù)測量包括頻率f、周期T、占空比（脈沖寬度占有率）、上升時間tr、下降時間tf、正寬度τ、負寬度、預沖d、過沖b、峰-峰電壓、有效值電壓等11種，測量方法符合IEEE19

67、4-1977標準的規(guī)定。,7.可變余輝顯示,可變余輝顯示是DSO一種顯示時間軟件控制功能。,模擬示波器余輝是電子束掃過之后熒光保留的時間，在高掃速時測量低重復頻率信號，顯示波形亮度會嚴重不足，而低掃速時，由于余輝時間不夠會使波形嚴重閃爍，或只表現(xiàn)為光點的慢慢移動，甚至無法觀測波形。,數(shù)字示波器能夠通過軟件控制波形在顯示器上保持時間（從存儲器中調(diào)出多顯示幾次），改變信號顯示時間的長短——即所謂顯示更新速率，或稱余輝時間?？删幊痰?/p>

68、余輝時間調(diào)節(jié)范圍為200ms～10s，無論你測量高重復速率信號，還是測量低重復速率信號，只要適當調(diào)節(jié)余輝時間，都能保持顯示波形的亮度不變，也沒有波形閃爍現(xiàn)象，并且與你所設置的掃速快慢也幾乎沒有關系。,8.無限長余輝（Infinite）,無限長余輝是利用磁偏轉(zhuǎn)光柵顯示的特點實現(xiàn)的。微處理器把每次采集到的波形數(shù)據(jù)送往波形RAM中時，不沖掉前一次的內(nèi)容，顯示RAM中的波形數(shù)據(jù)隨著時間不斷積累，顯示刷新電路也不斷的把RAM中的新老