1、1概述2數(shù)字存儲示波器的原理分析3數(shù)字存儲示波器的設(shè)計、數(shù)字存儲示波器、數(shù)字存儲示波器是20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的新型示波器。 這種類型的示波器可長期存儲模擬信號波形，并利用機(jī)內(nèi)的微處理器系統(tǒng)來進(jìn)一步處理所存儲的信號，例如能容易地實現(xiàn)對參數(shù)(例如被測量波形的頻率、幅度、前沿時間、平均值等)的自動測量和復(fù)雜度的處理。 數(shù)字存儲示波器的出現(xiàn)極大地改變了傳統(tǒng)示波器的功能。 1.2數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標(biāo)，定義：單位時間內(nèi)完成的最高A/D轉(zhuǎn)換次數(shù)，1數(shù)字存儲示波器的配置原理，1概要，典型的數(shù)字存儲示波器的原理框圖如圖所示。 最大采樣率主要由A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率決定。 最大采樣率越高，裝置捕

2、捉信號的能力越強(qiáng)。 1 .最大采樣率fmax、數(shù)字存儲示波器在某個測定時刻的實際采樣率可以根據(jù)示波器當(dāng)時設(shè)定的掃描時間系數(shù)(t/div )估計。 其推定式也被稱為喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀喀耶伊耶伊埃伊埃伊埃伊653掃描速度，例如，將某數(shù)字示波器的掃描時間系數(shù)設(shè)定為10s/div，每幀的樣品數(shù)為100點(diǎn)顯然數(shù)字示波器的最大采樣率fmax與示波器的最快掃描速度相對應(yīng)。 如果該數(shù)字示波器的最快掃描速度為100s/div，則fmax為1GHz。 348；存儲帶寬與采樣率密切相關(guān)。 根據(jù)采樣定理，如果采樣率為信號最高頻率分量的2倍以上，則可以再現(xiàn)原始信號波形。 實際上，

3、在數(shù)字存儲示波器的設(shè)計中，為了保證顯示波形的分辨率，要求增加很多采樣點(diǎn)，一般在一個周期內(nèi)取410點(diǎn)。 2 .帶寬、分辨率反映了存儲信號波形的細(xì)節(jié)的綜合特性。 分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。 垂直分辨率對應(yīng)于A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率，通常用畫面中每個單元的層次數(shù)(級別/div )來表示。 水平分辨率由存儲器的容量決定，通常用畫面的每個單元中包含的采樣點(diǎn)的數(shù)量(點(diǎn)/div )來表示。 卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡、卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡卡卡、卡卡

4、卡卡卡如果使用容量為1KB的內(nèi)存，則水平分辨率以1 024/10100點(diǎn)/div或百分比表示為1/1 0240.1%。 另外，分辨率、存儲容量也稱為記錄長度，由一幀的波形數(shù)據(jù)占有的存儲容量表示，總是以字為單位。 存儲容量和水平分辨率在數(shù)值上相互處于倒數(shù)的關(guān)系。 數(shù)字存儲器的存儲容量通常采用256B、512B、1KB、4KB等。 存儲容量越大，水平分辨率越高。 但是，記憶容量并不是越大越好。 如果裝置的最高采樣率的限制使得存儲容量的選擇變得不適當(dāng)，那么信號的重要部分會因時間窗的縮短而丟失，或水平分辨率會因時間窗的增大而降低。 4 .存儲容量、讀出速度以經(jīng)常使用(時間)/div表示，其中，該速度是

5、從存儲器讀出所存儲的數(shù)據(jù)的速度。 這里，時間等于對應(yīng)于畫面中每個單元的存儲容量讀取脈沖時段。 請根據(jù)顯示器、記錄裝置、打印機(jī)等對速度的要求，選擇不同的讀出速度使用示波器。 5 .讀出速度，1.2數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標(biāo)，(1)數(shù)字存儲示波器在存儲工作階段，以高速對高速信號進(jìn)行采樣并存儲，以低速對低速信號進(jìn)行采樣并存儲，但在顯示工作階段，讀出速度采用一定的速度用模擬示波器不可能無閃爍地觀察頻率低的信號。對于觀測頻率高的信號，模擬示波器必須選擇帶寬寬的陰極射線管，因此成本上升，顯示精度和穩(wěn)定性都低。 數(shù)字存儲示波器可以采用固定的相對低速度表示，可以使用低帶寬、高分辨率、高可靠性、低成本的光柵掃

6、描示波器，從根本上解決了上述問題。 采用彩色顯示，能很好地識別各種信息，將數(shù)字存儲示波器與模擬示波器進(jìn)行比較，具有以下特征。 (3)具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。 數(shù)字存儲示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號，還能顯示觸發(fā)前的信號，可以任意選擇前進(jìn)的時間和延遲的時間，為材料強(qiáng)度、地震研究、生物功能實驗提供了有利的工具。 另外，數(shù)字存儲示波器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)等各種方式，實現(xiàn)各種觸發(fā)功能，可以簡單、準(zhǔn)確地分析電信號。(4)測量精度高。 由于模擬示波器的水平精度由鋸齒波的線性度決定，所以很難實現(xiàn)高時間精度，一般被限制在3%5%。 數(shù)字存儲示波器將水晶振動作為高穩(wěn)定時鐘使用，因此具有

7、高測量精度。 即使采用多位A/D轉(zhuǎn)換器，寬度測量精度也大幅提高。 特別是，可以自動測量直接讀取值，有效地克服示波器對測量精度的影響，使很多數(shù)字存儲示波器的測量精度達(dá)到1%以上。 (2)數(shù)字存儲示波器可以長時間保存信號。 該特性特別有利于觀察一次出現(xiàn)的瞬變信號。 一次沖擊波、放電現(xiàn)象等信號在較短的瞬間發(fā)生，在示波器的畫面上閃爍，難以觀察。 在數(shù)字存儲示波器出現(xiàn)之前，屏幕照片是“記憶”波形的主要方法。 數(shù)字存儲示波器以數(shù)字方式存儲波形，操作方便，其存儲時間在理論上無限長。 0； (6)由于具有數(shù)字信號的輸入輸出功能，因此可以容易地將所存儲的數(shù)據(jù)傳輸至計算機(jī)或其他外部設(shè)備，從而進(jìn)行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算和

8、分析處理。 還可以通過GP-IB接口與計算機(jī)一起配置強(qiáng)大的自動測試系統(tǒng)。 (5)之所以具有較強(qiáng)的處理能力，是因為數(shù)字存儲示波器內(nèi)置了微處理器，所以可以自動實現(xiàn)上升時間、下降時間、脈沖寬度、頻率、峰值等參數(shù)的測量與顯示。 對于波形，可以實現(xiàn)取平均值、取上下限值、進(jìn)行頻譜分析、對兩波形進(jìn)行加法、減法、乘法等復(fù)雜的處理。 同時，可以使機(jī)器具有很多自動操作功能，如自檢和自檢等功能，提高機(jī)器的易用性。 此外，數(shù)字存儲示波器也有限制，例如，由于A/D轉(zhuǎn)換器的最大轉(zhuǎn)換速度等的影響，數(shù)字存儲示波器目前無法用于觀測頻率高的信號中。 2數(shù)字存儲示波器的原理分析，波形采集波形的顯示波形的測定波形的處理，2.1實時采

9、樣方式的采集原理2.2等效時間采樣方式的采集原理2.3波形的顯示2.4波形參數(shù)的測定和處理，實時采樣等效時間采樣， 2.1實時采樣方式的收集原理，實時采樣等間隔地對波形進(jìn)行采樣，按采樣前后的順序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后保存在存儲器中。 典型的實時采樣方式的采集電路如圖所示。 本節(jié)重點(diǎn)分析：一、采樣和A/D轉(zhuǎn)換二、t/div控制器三、寫地址計數(shù)器四、預(yù)觸發(fā)功能：2.1實時采樣方式的采集原理，一、采樣和A/D轉(zhuǎn)換、采樣和連續(xù)波形的離散化，其方法右向施加了反向偏置的采樣門的a點(diǎn)傳輸模擬波形，向c點(diǎn)施加等間隔的采樣脈沖，則對應(yīng)于時間TN (n=1，2，3，)的采樣門打開的瞬間，在b點(diǎn)對應(yīng)的模擬an (n=1，

10、2如果對1、采樣、2.1實時采樣方式的收集原理、1、采樣、2、A/D轉(zhuǎn)換、an中的離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，則可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。 例如a1 A/D01H； a2A/D02H； a3 A/D03H； a7 A/D01H。 如果按順序存儲這些數(shù)字容量，則相當(dāng)于以數(shù)字容量的形式存儲模擬波形，1、采樣和A/D轉(zhuǎn)換、A/D轉(zhuǎn)換器是波形收集的重要要素。 確定了示波器的最大采樣率、累積帶寬、垂直分辨率等多個指標(biāo)。 現(xiàn)在，存儲器示波器采用的A/D轉(zhuǎn)換的形式有逐次比較型、并聯(lián)比較型、串聯(lián)并聯(lián)型、以及組合了CCD設(shè)備和A/D轉(zhuǎn)換器的形式等。 并聯(lián)比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度雖然可以提高，但價格也高，是采用數(shù)字

11、存儲示波器最多的形式。 2.1實時采樣系統(tǒng)的采集原理、二、掃描速度t/div控制器、掃描速度t/div控制器實際上是定時分頻器，用于控制A/D轉(zhuǎn)換速度和存儲器寫入速度，精度、穩(wěn)定性好的晶體振蕩器、分頻器傳感器如圖所示，典型的t/div控制電路的原理用于產(chǎn)生寫地址信號，三、寫地址計數(shù)器、寫地址計數(shù)器由二進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成，計數(shù)器的位數(shù)由存儲長度決定。 寫地址計數(shù)器的計數(shù)頻率必須與控制A/D轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘的頻率相同。 寫入地址計數(shù)器的電路圖如圖所示。 四、預(yù)設(shè)觸發(fā)功能、預(yù)設(shè)觸發(fā)功能包括正延遲觸發(fā)和負(fù)延遲觸發(fā)。 可以預(yù)設(shè)正負(fù)延遲和延遲時間。 數(shù)字存儲示波器上的預(yù)觸發(fā)可以通過控制內(nèi)存的寫入動作來實現(xiàn).

12、另外，若被測定信號成為預(yù)設(shè)電平以上，則觸發(fā)電路發(fā)生觸發(fā)信號，因此存儲器寫入從零地址采集的數(shù)據(jù)，若示波器的存儲容量為1024，則裝滿了1024單元時，停止寫入動作。 顯示也從零地址讀取數(shù)據(jù)后，對應(yīng)示波器畫面上顯示的信號變?yōu)橛|發(fā)點(diǎn)開始后的波形。 正常觸發(fā)狀態(tài)下，正延遲時(即顯示延遲觸發(fā)點(diǎn)的n個采樣點(diǎn)時間)觸發(fā)信號到來時，存儲器不是立即寫入數(shù)據(jù)，而是延遲n個采樣后開始寫入。 這樣顯示的話，示波器畫面上顯示的信號會變成觸發(fā)點(diǎn)之后的n個采樣點(diǎn)的波形。 這和把示波器的時間窗口向右移動是一樣的。 另外，在正延遲的情況下，4，預(yù)設(shè)觸發(fā)功能是負(fù)延遲的情況下(即，顯示先前觸發(fā)點(diǎn)的n個采樣點(diǎn)時間)，存儲信號總是在0

13、1 023小區(qū)的循環(huán)寫入中，直到觸發(fā)信號到來為止，在寫入了1 024小區(qū)后，將新的內(nèi)容觸發(fā)信號到來后，在存儲器中寫入1,024n個采樣點(diǎn)后停止寫入。 在顯示時，不從零地址讀取數(shù)據(jù)，而是從寫入停止時的下一個地址起作為顯示起始地址連續(xù)讀取1024單元的內(nèi)容。 這樣，在示波器的畫面上顯示的是以觸發(fā)點(diǎn)前n次的采樣點(diǎn)為起點(diǎn)的波形，相當(dāng)于使示波器的時間窗向左移動。 負(fù)延遲時，四、預(yù)設(shè)觸發(fā)功能、2.2等效時間采樣方式的采集原理、實時采樣方式對觀測一次出現(xiàn)的信號非常有效，是數(shù)字存儲示波器必須具備的采樣方式等效時間采樣方式首先采用“采樣技術(shù)”，將周期性高頻信號轉(zhuǎn)換為波形相似的周期性低頻信號，然后再進(jìn)行處理，從而

14、能夠比較容易地獲得寬帶寬。 但是，等效時間采樣限于反復(fù)的周期信號的處理。 采用典型的等效時間采樣方式的收集系統(tǒng)如圖所示。 步驟系統(tǒng)在等效時間采樣方式中發(fā)揮重要作用，電路原理方框圖如圖所示。 靜態(tài)情況下，d觸發(fā)器的q端子變?yōu)楦唠娖?，VT11導(dǎo)通。當(dāng)觸發(fā)脈沖到來時，d觸發(fā)的q端子變?yōu)榈碗娖?，VT11截止，電容器c被充電而形成斜坡信號，由VT11、vt12構(gòu)成的自舉電路保證斜坡的線性。 斜坡信號被施加到比較器的正端，并且階躍波被施加到比較器的負(fù)端。 斜坡電壓超過比較器的負(fù)端子電平時，比較器輸出反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)而發(fā)送到d，d復(fù)位q返回高。 每次采樣時，步進(jìn)波形上升一步并重復(fù)該步驟，從而在比較器的輸出側(cè)獲得一

15、系列步進(jìn)延遲脈沖信號。 如上所述，通過改變斜波的斜率和步進(jìn)電壓值，可以獲得特定量值的步進(jìn)延遲時間，并在示波器的帶寬范圍內(nèi)降低了對A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度的要求。 以等效時間取樣系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)字存儲示波器可以容易地達(dá)到1 000MHz的帶寬，并且可以容易地存儲ps階脈沖波形。 然而，在該方法中，被測量信號必須是周期性信號。 由圖可知，設(shè)階梯波的單位階梯電壓為ua，斜波信號的斜率為uF，則階梯脈沖的滯后觸發(fā)脈沖的階梯時間t為t=uauf(8.4)卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡卡6、2.3波形數(shù)字存儲示波器有多種靈活的顯示方式，而存儲顯示、存儲顯示是數(shù)字存儲示波器最基本的顯示方式。 所顯示的波形是觸發(fā)之后存

16、儲的1幀波形信號。在采集了一次觸發(fā)完成的1幀的信號數(shù)據(jù)之后，通過控制存儲器中的地址，從存儲器讀取順序數(shù)據(jù)，并進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，以便穩(wěn)定地顯示在CRT上。 根據(jù)讀出方法可以分為： CPU控制直接控制。 另一方面，存儲器顯示、CPU控制方式、顯示過程：按地址順序取出存儲器的數(shù)據(jù)，變換為D/A轉(zhuǎn)換器，回到模擬發(fā)送到y(tǒng)軸的同時，按相同的順序發(fā)送地址，用D/A轉(zhuǎn)換器變換為步進(jìn)波發(fā)送到x軸。 這樣，就可以在CRT畫面上顯示被測量波形。 cara cara cara cara cara cara ext 653，1、存儲顯示、直接控制方式，另一方面，地址計數(shù)器在顯示時鐘的驅(qū)動下，產(chǎn)生的連續(xù)地址信號依次將存儲器

17、中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸至D/A轉(zhuǎn)換器，然后，將恢復(fù)的模擬輸出至D/A轉(zhuǎn)換器從地址計數(shù)器提供的地址信號通過另一個D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)送逐步波形，作為與CRT的x軸同步的掃描信號。 由此，形成了CRT畫面上顯示的模擬波形。 顯然，該方法的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時鐘速度，并且是高速的。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸不經(jīng)由CPU，直接對內(nèi)存進(jìn)行讀取/寫入，所以速度快。 原理如圖所示。 另一方面，存儲顯示、存儲顯示方式中有連續(xù)觸發(fā)顯示和單發(fā)觸發(fā)顯示的區(qū)別。 連續(xù)觸發(fā)顯示方式中，每次滿足觸發(fā)條件，1幀的數(shù)據(jù)的采樣和存儲結(jié)束的同時，畫面上的原始顯示波形被更新為新存儲的數(shù)據(jù)。 單拍顯示持續(xù)顯示單拍采樣并累積的數(shù)據(jù)波形。 另外，CPU控制方式具有必須由CPU傳輸y軸和x軸的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定限制的特征。 直接控制方式顯示的特點(diǎn)：直接時鐘驅(qū)動下讀/寫內(nèi)存，不經(jīng)由CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時鐘速度，而不是軟件，速度快。 在二、二掃描顯示、存儲時，為了使兩個波形保持原來的時間對應(yīng)關(guān)系，多采用交替存儲技術(shù)。 即，使用寫入地址的最低位位A0控制通道