【正文】 設(shè)計(jì)超快、超長(zhǎng)的采集存儲(chǔ)器。 只以一個(gè)顯示窗口設(shè)計(jì)記錄 長(zhǎng)度，在觀測(cè)一個(gè)含有快慢 信號(hào)的波形時(shí)，例如圖 所示的一行電視信號(hào)時(shí)，若 以慢信號(hào)行頻調(diào)整掃速，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；若以其中快變的電視信 調(diào)整掃速，則又看不到一行 完整的信號(hào)。否則水平方 向分辨力很差，丟失波形中一些信息。 但這樣的設(shè)計(jì)存在 兩個(gè)缺點(diǎn) ： ⑴ 記錄長(zhǎng)度太短 ，不能完整記錄一個(gè)較復(fù)雜的信號(hào)。 ① 若降低掃速，如 10ms/s（這時(shí)可看 100ms時(shí)間的信號(hào)） ，則 5000 pts=50MS/s 10ms/div 10 div 如果保持采樣率不變，采樣點(diǎn)太多采樣存儲(chǔ)器又會(huì)溢出。 (即存儲(chǔ)深度 ) 采樣速率 fs(MS/s)↑ → 數(shù)據(jù)點(diǎn) ↑ → 記錄長(zhǎng)度 L（ pts） ↑ → 高 速存儲(chǔ)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。 圖 。 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。 尖峰干擾 圖 毛剌觸發(fā)捕捉尖峰干擾的波形 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。 顯示窗口 正延遲 負(fù)延遲 圖 觸發(fā)功能示意圖 觸發(fā)點(diǎn) 正延時(shí) 是指可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)以后的被測(cè)信號(hào)； 負(fù)延時(shí) 可以觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)之前的信號(hào)。但這里 觸發(fā) 信號(hào)只是在采樣存儲(chǔ)器選取信號(hào)的一種標(biāo)志，以便可以靈活地 選取 采樣存儲(chǔ)器中某部分的 波形 送至 顯示窗口 。 “ 觸發(fā)”的概念來(lái)自模擬示波器，只能觀測(cè)觸發(fā)點(diǎn)以后的波形。先進(jìn) 先出，總是存放有最新的 nm個(gè) 采樣數(shù)據(jù)。 兩路組合采集的原理 A/D1 A/D2 RAM1 RAM2 S ui 組合輸 出數(shù)據(jù) (a) ╳ ╳ ╳ ╳ (b) 圖 組合采集原理框圖 圖 CCD+A/D組合采集原理圖 YA順序取樣 YB順序取樣 通道轉(zhuǎn)換器 通道轉(zhuǎn)換器 A B CCD A/D RAM uiA uiB 第 (n2)次采樣 圖 采樣存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)形式 最末采樣 次末采樣 第 n次采樣 第 (n1)次采樣 ① 要高速存儲(chǔ)器 ：在 DSO中每個(gè)新獲取的采樣數(shù)據(jù)都必須立 即存入采樣存儲(chǔ)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。四片這樣的 IC交叉復(fù) 用，可達(dá)到 10GS/s。這種 CCD+A/D組 合采集的原理如圖 。當(dāng)前在 DSO中主要采用下面兩種類 型 A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)。 采樣速率高可以增大 DSO的帶寬 ，但事實(shí)上， DSO的采樣速 率還受到采集存儲(chǔ)器容量的限制，一般在不同掃速時(shí)，要求采 樣速率是不一樣的，防止采樣點(diǎn)過(guò)多而溢出采集存儲(chǔ)器 ，其具 體定量關(guān)系見(jiàn)下述。 ⑶ 用信息率來(lái)描述，表示每秒鐘儲(chǔ)存多少位（ bit）的數(shù)據(jù)。如 20MS/s（ 20 106次 /秒）。 . 不能進(jìn)行單次捕捉和預(yù)觸發(fā)觀察也是它的缺點(diǎn)。而實(shí)際上大多數(shù) 測(cè)量的都是重復(fù)信號(hào)， 1 1 2 3 3 4 4 （ b） 隨機(jī)采樣 采樣周期 采樣周期 采樣周期 采樣周期 第一 第二 第三 第四 1 1 2 2 3 3 4 4 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 速率（ 100 kHz～ 200kHz）獲得極高的帶寬（高達(dá) 50GHz） ，并且垂直分辨率一般在 10bit以上。 1)實(shí)時(shí)采樣 實(shí)時(shí)采樣是對(duì)每個(gè)采集周期的采樣點(diǎn)按時(shí)間順序進(jìn)行簡(jiǎn)單的 排列就能表達(dá)一個(gè)波形， 一個(gè) 周期 （ a） 實(shí)時(shí)采樣 2)隨機(jī)采樣 由于實(shí)時(shí)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(chǔ)器價(jià)格都比較高。 上述兩個(gè)缺點(diǎn)是現(xiàn)代 DSO設(shè)計(jì)和使用中要防止的問(wèn)題。 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(hào)最高頻率分量至少 2倍以 上），即未采到足夠多的樣點(diǎn)來(lái)重構(gòu)波形，而造成的假象。 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(jìn)，如泰 克（ Tektronix）公司采用 InstaVu技術(shù)已達(dá)到了 400000W/S （波形 / 秒）以上，可以做到“ 模擬示波器的感覺(jué)，數(shù)字示波器 的性能 的效果。 例：右圖調(diào)延遲時(shí)間 T， 要多次反復(fù)調(diào)整才行。這是由于它只有一個(gè)微處理器， 無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理的要求。 顯示 顯示處理器 RAM 放大器 觸發(fā)器 存儲(chǔ)器 采集 A B C 數(shù)字處理器 連接到 計(jì)算機(jī)打印機(jī) 的數(shù)據(jù)總線 協(xié)處理器 操作系統(tǒng) 應(yīng)用軟件 ＆ 可存儲(chǔ)到 IC存儲(chǔ)卡 軟盤 硬盤 以及 輸入信號(hào) 4 存檔 1 采集 3 測(cè)量與分析 2 顯示 圖 LeCroy數(shù)字示波器工作原理簡(jiǎn)圖 信號(hào)的采集處理技術(shù) 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)目 。 由于采用了多處理器各負(fù)其責(zé)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(diǎn) /秒以上。 3)波形翻譯器 波形翻譯器也是一個(gè)專用的處理器集成電路，將波形對(duì)應(yīng)的數(shù) 據(jù)點(diǎn)相關(guān)的 電壓和時(shí)間值翻譯成 顯示器上的垂直和水平像素位 臵，再將這些 波形的像素位臵 對(duì)應(yīng)地送至像素存儲(chǔ)器。 2)采集處理器 使用 隨機(jī) 重復(fù)采樣 ，送入波形存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)放臵點(diǎn)是經(jīng)過(guò)復(fù)雜 計(jì)算的，采集處理器必須根據(jù)采樣與觸發(fā)信號(hào)的相對(duì)關(guān)系來(lái)確 定它們的正確放臵位臵，以便 重構(gòu)波形 。 數(shù)字示波器的組成原理 +數(shù)字存儲(chǔ)示波器 輸入 放大器 同步 放大 邏輯控 制電路 Y輸出 放大器 X輸出 放大器 掃描 發(fā)生器 模擬 濾 波 D/A A/D RAM 數(shù)字 數(shù)字 輸入 Y 圖 模擬＋數(shù)字存儲(chǔ)示波器框圖 模擬 顯示器 RAM CPU ROM GPIB I/O I/O I/O D/A D/A A/D X Y 放大 放大 觸發(fā)信號(hào) X通道 Y通道 CRT 取樣門 取樣通道 與保持 Ux Uy 圖 數(shù)字儲(chǔ)示波器框圖 被測(cè)信號(hào) ui 其他 命令 或用軟件完成 t Ui us t U1s t t Ux t 鎖存及 D/A變換 讀出數(shù)字量 A/D變換及存儲(chǔ) 存儲(chǔ)數(shù)字量 圖 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的讀出顯示過(guò)程 圖 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的采樣存儲(chǔ)過(guò)程 RAM A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 地址 D0 D1 D2 D3 D12 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 數(shù)據(jù) A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 地址 D0 D1 D2 D3 D12 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 數(shù)據(jù) RAM （用 HP54600系列示波器來(lái)說(shuō)明） 通道 通道 衰減器 衰減器 前臵放大 前臵放大 跟蹤保持 跟蹤保持 處理器 后臵放大 后臵放大 波 形 總 線 A/D A/D 采集 觸發(fā)比較器 信號(hào)調(diào)整 觸 發(fā) 選 擇 電源信號(hào) 觸發(fā)電平 外觸發(fā) 按鍵 接口 接口 選擇 模擬 控制 CPU ROM RAM RAM 視頻 光柵掃描 顯示器 前臵放大 波形 翻譯器 存儲(chǔ)器 波形 收發(fā)器 微處理器總線 1 2 圖 HP54600數(shù)字示波器簡(jiǎn)化框圖 圖中包含了 三個(gè)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(jìn)行介紹。 數(shù)字示波器 數(shù)字示波器通常稱為數(shù)字存儲(chǔ)示波器 (Digital Storage Oscilloscope，縮寫 DSO)。其主要原因： 一是 單純的取樣示波器只能觀測(cè)重復(fù)性的周期信號(hào)，應(yīng)用范 圍受限 ； 二是 數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，已將 取樣技術(shù)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(cè)超高頻重復(fù)性的周期信號(hào)，還可 以觀測(cè)瞬態(tài)的單次脈沖，并且還具有存儲(chǔ)功能。 等效掃速定義為被測(cè)信號(hào)經(jīng)歷時(shí)間與水平方向展寬的距離比。通常， 樣門最高工作頻率可表示為 ?~?BW （ ） 取樣密度是指屏幕在水平方向上顯示的被測(cè)信號(hào)每格對(duì)應(yīng)的取 樣點(diǎn)數(shù)，常用每厘米的亮點(diǎn)數(shù)表示。 取樣示波器的帶寬主要決定于 取樣門（ 技術(shù)關(guān)鍵 ） ，因?yàn)?被測(cè)頻率越高，要求取樣脈沖越窄 。延長(zhǎng)電路起記憶作用，把每個(gè)取樣信號(hào)幅度記錄下來(lái)并 展寬水平系統(tǒng)的主要任務(wù)是產(chǎn)生時(shí)基掃描信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生 Δt 步進(jìn)延遲脈沖送 Y軸系統(tǒng)。 條件： 周期信號(hào) 連綿不斷 取樣點(diǎn)間隔： mt+nΔt 左圖 m=1（ 每個(gè)周期取一點(diǎn) ） 若 m=10,1000… 則波形展得更寬 圖 在屏幕上由取樣點(diǎn)合成信號(hào)波形的過(guò)程 t t t ux uy uy ↑ u5 u1 u2 u3 u4 兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上加什么樣的電壓呢 ? 因要經(jīng)過(guò) mt+Δt的停留時(shí)間 ，然后跳至下一點(diǎn) 。 由此可知，實(shí)時(shí) 取樣并不能解決示波器在觀測(cè)高頻信號(hào)時(shí)所遇到的頻帶限制的 困難。上述取樣方法叫“ 實(shí)時(shí)取樣 ” 。 例如，電影、數(shù)字音視頻技術(shù)都是建立在取樣技術(shù)的基礎(chǔ)上的。 （ 2）受 Y通道放大器帶寬的限制； (3) 受時(shí)基電路掃描速度的限制。 提問(wèn)： 1 觀測(cè)一個(gè) 10MHz正弦波，為使失真小應(yīng)選什么示波器？ 2 測(cè)量電視機(jī)的視頻信號(hào)要選什么示波器？ 3 測(cè)量電視機(jī)的中頻信號(hào)要選什么示波器？ 4 測(cè)量電視機(jī)的高頻信號(hào)要選什么示波器？ 習(xí)題 ： 30MHz 120MHz 20MHz 3000MHz 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用 以上介紹的通用示波器是“ 實(shí)時(shí)示波器 ”，測(cè)量時(shí)間 (一個(gè)掃 描正程 )=被測(cè)信號(hào)的實(shí)際持續(xù)時(shí)間， 看到的就是正發(fā)生的 。 利用示波器可以進(jìn)行電壓、頻率、相位差以及其它物理量的測(cè) 量。 選用示波器的主要依據(jù)是上述各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，但 最主要的 是帶寬 。主要有延遲掃描、組合掃 描、交替掃描等，但此時(shí)示波器中要有兩套掃描系統(tǒng)。 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)。 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(hào)的能力。掃描速度 是光點(diǎn)的水平移動(dòng)速度，單位是 s/cm，或 s/div。 A、 B共一觸發(fā) ，便于比較時(shí)間關(guān)系 。這種能產(chǎn)生多個(gè)電子束的示波管工藝要求較高、價(jià)格較貴。 說(shuō)明 ：上面是以最簡(jiǎn)單的電路來(lái)講述環(huán)路工作原理的，實(shí)際 電路更完善更先進(jìn)。 當(dāng)有信號(hào) （ 2號(hào)觸發(fā)脈沖 ） 則環(huán)路被信號(hào)所同步 。它使示波器實(shí)現(xiàn)了既可 連續(xù)掃描，又可觸發(fā)掃描，且 不管哪種掃描都可以與外加信 號(hào)自動(dòng)同步，而不必麻煩地調(diào) 節(jié) Tn=nTs來(lái)同步。 圖 不同觸發(fā) “ 極性 ” 和 “ 電平 ” 時(shí)顯示的波形 (a) 正極性 、 正電平 (b) 負(fù)極性 、 正電平 (c) 正極性 、 負(fù)電平 (b) 負(fù)極性 、 負(fù)電平 A A B C D （時(shí)基電路） 作用：產(chǎn)生由觸發(fā)脈沖啟動(dòng) 的掃描鋸齒波信號(hào)。 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(hào)進(jìn)行觸發(fā)時(shí)； “AC” 交流耦合 ：若用交流信號(hào)觸發(fā)，臵 AC方式，這時(shí)電容 C1（約 ）起隔直作用； “ 低頻抑制” ：利用 C C2（約 ）串聯(lián)后的電容，抑 制信號(hào)中大約 2kHz以下的低頻成分，主要目的是濾除信號(hào)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(guò)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(cè)信號(hào)波形的某一點(diǎn)上產(chǎn)生觸 發(fā)脈沖，也就是可以 自由選定從信號(hào)的某一