【正文】 此必須采用阻容式分壓電路。但當(dāng)要測(cè)量幅度較大的信號(hào)時(shí)，就需要接入衰減器。在信號(hào)調(diào)理電路中的信號(hào)是模擬信號(hào)，信號(hào)的處理流程是這樣的：被測(cè)信號(hào)通過(guò)交直流耦合電路后和衰減電路后由程控增益電路進(jìn)行放大，然后信號(hào)被送到電平提升電路中，將信號(hào)電平提高到 AD 輸入信號(hào)的范圍之內(nèi)，以適合A/D 的要求，最后經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理好的信號(hào)送到 A/D 模塊。 信號(hào)調(diào)理電路主要包括五個(gè)功能模塊：交直流耦合電路、衰減電路，程控增益電路、觸發(fā)電路、電平移位電路和 AD 數(shù)據(jù)采集電路。這些問(wèn)題都會(huì)使得數(shù)字存儲(chǔ)示波器不能對(duì)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。 信號(hào)調(diào)理電路 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中， A/D 器件對(duì)輸入模擬信號(hào)的幅度有一定的要求范圍，例如本設(shè)計(jì)所采用的 ADS831 的輸入電壓范圍為 ~。數(shù)據(jù)采集處理部分主要為 CPLD，其主要功能是高速的控制 AD采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖。 15 3 數(shù)字示波器硬件設(shè)計(jì) 數(shù)字示波器可以劃分為三個(gè)基本組成部分：前端信號(hào)調(diào)理部分、數(shù)據(jù)采集處理部分、交互輸入輸出部分及相關(guān)的附屬電路。既然如此，如果采用連續(xù)采樣，一旦發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電平，就對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣，如果沒(méi)有模擬延遲線，觸發(fā)點(diǎn)不可能得到顯示，但是延遲線的存在會(huì)減少儀器的帶寬。 圖 等效采樣 從現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)的角度，產(chǎn)生一個(gè)非常短非常精確的Δ t 與準(zhǔn)確測(cè)量與采樣觸發(fā)點(diǎn)相關(guān)的垂直和水平位置相比 ，前者要容易的多。該過(guò)程重復(fù)多次，Δ t 不斷增加到前一個(gè)捕獲量中，直到時(shí)間窗口填滿。每發(fā)現(xiàn)一個(gè)觸發(fā)，經(jīng)過(guò)一段雖然非常短卻明確的延遲，就獲得樣值。利用這樣的方式，即使信號(hào)的頻率成分遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于示波器的采樣速率，也能形成精確地采 樣。為構(gòu)建重復(fù)信號(hào)的圖象，在每一個(gè)重復(fù)期內(nèi)，等效時(shí)間只采樣采集少量的信息。如圖 所示，當(dāng)信號(hào)頻率超過(guò)示波器采樣頻率的一半時(shí)，等效時(shí)間采樣可以精確捕獲這些信號(hào)。使用此種原理進(jìn)行采樣的優(yōu)點(diǎn)是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有很多資料可以參考。因此在對(duì)輸入 信號(hào)進(jìn)行采集的時(shí)候，可以采用以下兩種方案： （ 1）實(shí)時(shí)采樣技術(shù) 圖 實(shí)時(shí)采樣 實(shí)時(shí)采樣原理圖如圖 所示，高速 AD 等間隔的對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣，將模擬信號(hào)數(shù)字化，然后將數(shù)字化的信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的坐標(biāo)變換之后，以設(shè)定的s/div 間隔將采集到的信號(hào)以點(diǎn)顯示在 LCM 上面。乃奎斯特采樣定理告訴我們：要不失真的還原輸入信號(hào)，對(duì)信號(hào)的采樣頻率必須大于或者等于輸入信號(hào)頻率的兩倍。因此示波器在測(cè)量4MHz 以下的信號(hào)時(shí)采用實(shí)時(shí)采樣，測(cè)量 4MHz 以上信號(hào)時(shí)使用等效采樣，使用這種方案能夠?qū)崿F(xiàn)性價(jià)比計(jì)較高的示波器制作。對(duì)正弦波來(lái)說(shuō)，點(diǎn)顯示要給出精確的信號(hào)重現(xiàn)，需要大約每周 25 次采樣，矢量顯示也需要每周約 10 次采樣。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通常認(rèn)為每周期最少要十個(gè)采樣點(diǎn)才能給出足夠的信號(hào)細(xì)節(jié)，在有些情況下，對(duì)信號(hào)的細(xì)節(jié)要求低一些，這時(shí)每周期取五個(gè)樣點(diǎn)可能就足以給出有關(guān)信號(hào)的特性。根據(jù)奈奎斯特定理：要從抽樣信號(hào)中無(wú)失真的恢復(fù)原始信號(hào)，采樣頻率必須大于等于 2 倍信號(hào)最高頻率，即奈奎斯特頻率為信號(hào)頻率的兩倍。此時(shí)基設(shè)置值稱為“最大單次掃描時(shí)基設(shè)置值”，在這個(gè)設(shè)置值之下示波器使用“最大實(shí)時(shí)采樣速率”進(jìn)行工作。在較 低的時(shí)基設(shè)置之下，示波器使用的采樣速率也比較低。 水平系統(tǒng)的作用是確保對(duì)輸入信號(hào)采集足夠數(shù)量的采樣值，并且每個(gè)采樣值取自正確的時(shí)刻，和模擬示波器一樣，水平偏轉(zhuǎn)的速度取決于時(shí)基的設(shè)置（ s/格）。因此考慮到各種因素的限制，如成本等， A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率通常采用 8 位。它是由 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率決定，常以 A/D 轉(zhuǎn)換器具有的數(shù)據(jù)的位數(shù)（ Bit）、百分?jǐn)?shù)及每格的分級(jí)數(shù)（級(jí)數(shù) /div）來(lái)表示。 測(cè)量分辨率是存儲(chǔ)信號(hào)波形細(xì)節(jié)分析的綜合特性，它包括電壓分辨率（或垂直分辨率）和時(shí)間分辨率（或水平分辨率）。對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行采樣的速度稱為采樣速率。在此過(guò)程中，通常采用采樣保持電路，使模擬輸入保證在足夠的時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定，以便轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換動(dòng)作，并降低模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。數(shù)字化包括“采樣”和“量化”兩個(gè)過(guò)程。觸發(fā)信號(hào)進(jìn)入 FPGA 內(nèi)后，觸發(fā)信號(hào)前的采樣數(shù)據(jù)才被保存，觸發(fā)之后的數(shù)據(jù)寫滿之后，等待數(shù)據(jù)的處理和傳輸。高速 A/D 轉(zhuǎn)換器的采集時(shí)鐘由 FPGA 產(chǎn) 生，其輸出頻率是由單片機(jī)通過(guò)總線控制的。 通道觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生通道的同步觸發(fā)信號(hào)，使采集的波形在屏幕上穩(wěn)定地顯示出來(lái)。垂直放大器調(diào)整輸入波形的幅度和范圍，放大和衰減、上下移動(dòng)波形等。在前端與高速的采集系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)協(xié)調(diào)動(dòng)作，接收采樣數(shù)據(jù)；后 端通過(guò) LCD 顯示模塊和外部鍵盤實(shí)現(xiàn)人機(jī)通訊。 10 數(shù)字示波器總體結(jié)構(gòu) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器主要包括模擬信號(hào)調(diào)理模塊，高速采集存儲(chǔ)模塊，觸發(fā)控制模塊，數(shù)據(jù)處理模塊，菜單波形的顯示控制模塊以及鍵盤控制模塊等這幾部分組成。 上述兩種不同存儲(chǔ)方式的示波器，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用特點(diǎn)，但由于數(shù)字存 9 儲(chǔ)示波器比 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器有更多優(yōu)點(diǎn)和高的性能價(jià)格比，所以近年來(lái)得到了顯著的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。亦 可方便的通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的GP1B 接口，將存儲(chǔ)信號(hào)傳送至計(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)算和分析處理。特 別是以微處理器為基礎(chǔ)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器，可以編程自動(dòng)程控操作。當(dāng)移動(dòng)被測(cè)波形上光標(biāo)點(diǎn)（或線）位置時(shí)，可迅速精確地測(cè)量出電壓時(shí)間等波形參數(shù)，并可用數(shù)字顯示。采用高分辨率的 A/D 變換器也使幅度測(cè)量精度大大提高。 8． 測(cè)量精度高 傳統(tǒng)示波器的掃描速度有鋸齒波掃描信號(hào)決定，而數(shù)字存儲(chǔ)示波器的掃描速度由取樣的時(shí)間間隔和掃線上單位長(zhǎng)度所具有的取樣點(diǎn)數(shù)來(lái)決定 。 （ 2） 滾動(dòng)顯示 這好似數(shù)字存儲(chǔ)示波器特有的工作方式，主要用于連續(xù)觀察低速變化信號(hào)和低重復(fù)頻率信號(hào)，并可檢測(cè)數(shù)據(jù)中隨機(jī)出現(xiàn)的偶發(fā)信號(hào)。 7．多種靈活的顯示方式 由于被測(cè)信號(hào)是多種多樣和復(fù)雜的，因此需要有多種靈活的顯示方式。 6． 多波形比較分析 數(shù)字存儲(chǔ)示波器能夠存儲(chǔ)多個(gè)波形，并能夠在屏幕上同時(shí)顯示不同時(shí)間或相 8 同時(shí)間發(fā)生的幾個(gè)波形，因而能夠方便地將已存儲(chǔ)下來(lái)的波形與更新波形進(jìn)行比較分析。另外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器與 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器或傳統(tǒng)示波器相比較，它的模擬輸出還可以用標(biāo)準(zhǔn)筆記錄儀做廉價(jià)的永久性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)硬拷貝。 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器是利用特殊的示波管作為存儲(chǔ)器件，以電荷的形式存儲(chǔ)記錄波形，它的存儲(chǔ)波形在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)模糊和變暗現(xiàn)象，所以波形存儲(chǔ)時(shí)間和顯示時(shí)間是有限的。 5． 存儲(chǔ)時(shí)間無(wú)限長(zhǎng) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器是將模擬信號(hào)經(jīng)模 /數(shù)變換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)于半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中，只要儀器不停電存儲(chǔ)信號(hào)就可長(zhǎng)期保持，需要時(shí)可隨時(shí)取出進(jìn)行顯示且質(zhì)量不會(huì)變差。 圖 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的預(yù)置觸發(fā)功能 4． 觀察慢速信號(hào)時(shí)無(wú)閃爍現(xiàn)象 慢速信號(hào)使用傳統(tǒng)示波器觀測(cè)時(shí)光跡存在閃爍現(xiàn)象。這種預(yù)觸發(fā)特性，特別有利于分析故障產(chǎn)生的原因。 3． 具有多種觸發(fā)功能 有預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、窗口觸發(fā)和數(shù)字組合觸發(fā)。在這種示波器中，由于信號(hào)的處理與顯示是分開(kāi)的；可以高速捕獲，低速顯示。而且存儲(chǔ) 波形還可以擴(kuò)張、壓縮和移動(dòng)。若要轉(zhuǎn)為存儲(chǔ)方式，只要按一按鈕，如果用 CRT 模擬存儲(chǔ)示波器，則因?yàn)榇鎯?chǔ)介質(zhì)是在示波器顯示屏幕后的充電柵網(wǎng)上或直接在熒光屏，要獲得清晰的光跡就必須調(diào)整記憶電平、控制輝度等，操作繁瑣。并具有程控和遙控能力，通 過(guò) GB1B 接口還可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)等外部設(shè)備進(jìn)行分析處理。這一類示波器從廣義上說(shuō)，亦可稱為數(shù)字示波 器。 存儲(chǔ)示波器是在傳統(tǒng)示波器設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是傳統(tǒng)示波器功能的擴(kuò)展和補(bǔ)充 。 使用 LCD 顯示模塊做示波器做成便攜的很容易，做成示波表都沒(méi)問(wèn)題！ 當(dāng)然 LCD 顯示模塊也有其不足之處，比如亮度和對(duì)比度不如 CRT 示波管，但綜合考慮 LCD 顯示模塊的優(yōu)勢(shì)還是比較明顯的。所以在電子市場(chǎng)上不好買，性能好的大多數(shù)是進(jìn)口品牌，其價(jià)格昂貴且需要處理的問(wèn)題也多，比如要產(chǎn)生陽(yáng)極高壓、掃描鋸齒波還要對(duì)示波管進(jìn)行電磁屏蔽等等，而且做出來(lái)體積很大，便攜就更談不上了。這是數(shù)字示波器的重大缺點(diǎn)。與模擬示波器相反，數(shù)字示波器所顯示的是用采集的波形數(shù)據(jù)重建的波形。這是因?yàn)槟M示波器的實(shí)時(shí)顯示能力使它在每時(shí)每刻都能顯示出輸入的電壓。 而使用模擬示波器時(shí)，則必須自己設(shè)置光標(biāo)、分析理解顯示的波形才能得到測(cè)量的結(jié)果。用兩種示波器都能很好的觀察信號(hào)波形。故可以很好地反映出來(lái)。由于示波管上的掃描軌跡亮度和掃描速度成反比，所以具有快速上升、下降時(shí)間的低重復(fù)速率信號(hào)就很難看到。但是兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性。 測(cè)量開(kāi)始時(shí)，操作者可通過(guò)操作界面選定測(cè)量類型、測(cè)量參數(shù)及測(cè)量范圍（可選自動(dòng)設(shè)置，由儀器自動(dòng)設(shè)置最佳范圍）；微處理器自動(dòng)將測(cè)量設(shè)置解釋到采樣電路，并啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集；采集完成后，由微處理器對(duì)采樣數(shù)據(jù)按測(cè)量設(shè)置進(jìn)行處理，提取所需要的測(cè)量參數(shù)，并將結(jié)果送顯示部件。用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)采樣得到的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理與運(yùn)算，從而獲得所需的各種信號(hào)參數(shù)。 Y 軸輸入 垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 示波器 水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) Y 輸入放大器 Y 輸出放大器 觸發(fā)電路 掃描發(fā)生器 X 輸出放大器 5 模擬示波器與數(shù)字示波器 模擬示波器體積大、重量重、成本高、價(jià)格貴，并且不太適合用于對(duì)非周期的、單次信號(hào)的測(cè)量。因此，可以重復(fù)使用的 CRT 示波管 和 LCD 顯示屏 ，被應(yīng)用到示波器的設(shè)計(jì)中。這種設(shè)計(jì)思想在波形記錄、顯示中被廣泛采用，比如心電圖機(jī)，就是用原地?cái)[動(dòng)的電熱針，在勻速移動(dòng)的記錄紙帶上描記出心電波形。這樣，沙漏中流出的細(xì)沙，就在紙上留下了一個(gè)正弦波 痕跡，如圖 所示。 示波器原理概述 物理學(xué)理論可以證明：一端通過(guò)細(xì)繩固定的重物在作擺動(dòng)時(shí)，與中心垂線的距離滿足正弦波規(guī)律。 2020 年 2 月 18 日，該公司宣布他們自主開(kāi)發(fā)的 DS5000 系列數(shù)字存儲(chǔ)示波器，打破了國(guó)外產(chǎn)品一統(tǒng)天下的局面，推動(dòng)了國(guó)產(chǎn)儀器的數(shù)字化發(fā)展 目前 國(guó)內(nèi)數(shù)字存儲(chǔ)示波器市場(chǎng)上出現(xiàn)的產(chǎn)品最高帶寬為 100MHz，像普源精電公司的 DS3102 系列產(chǎn)品就是帶寬為 100MHz，等效采樣率為 10GS/S。但是他們的產(chǎn)品主要是模擬示波器類型的產(chǎn)品。 國(guó)內(nèi)示波器主要生產(chǎn)廠家有上海無(wú)線電二十一廠、西安紅華無(wú)線 電廠、遼寧無(wú)線電二廠、江蘇綠揚(yáng)集團(tuán)、北京普源精電科技有限公司等。還有FFT 平均運(yùn)算和 5 個(gè)窗功能的頻譜分析功能。 8 蹤顯示能與運(yùn)算功能、放大縮小、參考存儲(chǔ)器或通道組合，并能在屏幕 3 上顯示或不顯示參數(shù)。由于該示波器采用了 96MHz 的 POWER PC603e 處理器、 8～ 64Mbyte 的系統(tǒng) ram， 1Mbyte 的視頻存儲(chǔ)器、 32kbyte 的高速緩存和智能化存儲(chǔ)器管理系統(tǒng)，它能快速刷新波形、動(dòng)態(tài)分配處理器、采集存儲(chǔ)器和運(yùn)算存 儲(chǔ)器的資源，保證示波器資源的最佳利用。力科公司在示波器方面世界排行第三，它也推出了各種型號(hào)的示波器，并具有獨(dú)自的特點(diǎn)，能夠自動(dòng)測(cè)試 32 種參數(shù)。近來(lái) TEK 推出的 TDS系列示波器具有獨(dú)特的保證信號(hào)高保真度的獲取結(jié)構(gòu)，能夠利用最先進(jìn)的觸發(fā)系統(tǒng)，提供快速瞬態(tài)信號(hào)或重復(fù)信號(hào)的多通道獲取，顯示和所有測(cè)量的有效修正。 目前，數(shù)字示波器市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品仍然是國(guó)外產(chǎn)品。 1957 年，新建電議工作室更名為新建電子儀器廠， 1967 年又改名為上海無(wú)線電二十一廠。 1951 年上海成立新建電議工業(yè)社，當(dāng)時(shí)職工僅 6 人，從事示波器和其它電子測(cè)量 儀器的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。 1950 年，我國(guó)開(kāi)始研制示波器，并于 1951 年初完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。 80 年代以來(lái)，示波器正朝著數(shù)字化、智能化方向飛速地發(fā)展，示波器面貌日新月異，新產(chǎn)品層出不窮。 1973 年，同時(shí)出現(xiàn)的邏輯狀態(tài)分析儀 和邏輯定時(shí)分析儀標(biāo)志著“示波”測(cè)量已經(jīng)跨入了數(shù)領(lǐng)域。 1971 年，示波器的帶寬提高到 500MHz， 1979 年達(dá)到了 1GHz的高峰。集成電路技術(shù)為示波器的小型化和向高性能、高可靠發(fā)展創(chuàng)造了條件。同年，取樣示波器的帶寬達(dá)到了 18GHz 的高峰。 20 世紀(jì) 60 年代是晶體管示波器階段 。 到 1958 年示波器的帶寬達(dá)到了 100MHZ 后便停滯不前。 從第一臺(tái)商業(yè)示波器出現(xiàn)到今天，已有 50 余年的歷史，其間的發(fā)展，大致可分為三個(gè)階段。此后，杜蒙不斷致力于示波器的改進(jìn)，為使示波器成為一種重要的測(cè)量工具做了大量的工作。 1933 年杜蒙推出了一體化的示波器， 1934 年初又發(fā)表了 137 型示波器。這種示波器分成陰極射線管和裝有聚焦旋鈕的主機(jī)兩部分，售價(jià) 265 美元，這在當(dāng)時(shí)是十分昂貴的。到了 1897 年，德國(guó) 子射線示波管，同 時(shí)用它制作了一臺(tái)“可變電流觀察儀”，這臺(tái)原始的裝置即是最早的“示波”儀器。示波器已成為一種直觀、通用、精密的測(cè)量工具，廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、軍事、教育各個(gè)領(lǐng)域中， 進(jìn)行對(duì)電量或許多非電量的測(cè)試、分析、監(jiān)視，示波器發(fā)展速度、銷售額都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其它電子測(cè)量?jī)x器。他利用一個(gè)或多個(gè)電子束的偏轉(zhuǎn) ，得到表示某變量函數(shù)瞬時(shí)值的顯示。電子測(cè)量?jī)x器則是采用電子技術(shù)測(cè)量電量或非電量的測(cè)量?jī)x器，一個(gè)國(guó)家的電子測(cè)量技術(shù)水平，在一定程度上反映了該國(guó)的電子技術(shù)水平。測(cè)量，就是為確定被測(cè)對(duì)象的量值歲進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。作為技術(shù)革命先導(dǎo)的電子技術(shù)已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中去。 Equivalent Sampling 。