数字存储示波器的工作原理及特点

1.数字存储示波器组成原理

典型的数字存储示波器原理框图如图2.3.1所示。

数字存储示波器的工作模式分为实时和存储两种。当处于实时工作模式时,其电路组成原理和一般模拟示波器是一样的。而处于存储工作模式时,其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储阶段,被测模拟输入信号先经过适当的放大或衰减,然后经过取样和量化两个过程的数字化处理,将被测模拟信号转化成数字化信号,最后数字化信号在逻辑控制电路的控制下一次写入RAM中。

图2.3.1　数字示波器组成原理框图

在被测模拟信号的数字化处理过程中,取样是获得模拟信号的离散值,而量化则是每个取样的离散值经A/D转换器转换成二进制数字。取样、量化及写入过程都在同一时钟频率下进行。

在显示工作阶段,数字信号从存储器中被读出,并经D/A转换器转换成模拟信号,经垂直放大器放大,加到CRT的Y偏转板。与此同时,CPU的读地址计数脉冲通过D/A转换器得到一个阶梯波的扫描电压,再经过水平放大器放大,用于驱动CRT的X偏转板,从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟信号。

随着技术发展,目前数字存储示波器普遍采用液晶显示屏。数字信号从存储器中被读出后可直接用于显示。显示屏上显示的每个点都表示数字存储示波器捕获的一个数据字,点的垂直屏幕位置由对应的存储单元的二进制数据给出,点的水平屏幕位置由对应的存储单元二进制地址给出。若经D/A转换的模拟信号内插器的插值处理,还可以使点显示变为连续显示。示波器中的微处理器还可对记录波形作自动计算,在显示屏上同时显示波形的峰-峰值、上升时间、频率甚至均方根值等。通过计算机接口可将波形送至打印机或计算机作进一步处理。

2.数字存储示波器的工作方式

(1)数字存储示波器的存储器

数字存储示波器的随机存储器RAM按功能可分为信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。信号数据存储器存放模拟信号取样数据,参考波形存储器存放参考波形的数据,它采用电池供电,或采用非易失性存储器,故可以长期保存数据。测量数据存储器存放测量数据、计算的中间数据和计算的结果,和一般微机化仪器的随机存储器作用基本相同。显示缓冲存储器存放显示的波形数据,屏幕上显示的信息均由显示缓冲存储器提供。

(2)触发工作方式

数字存储示波器的触发方式包括常态触发和预置触发两种方式。

①常态触发

常态触发是在存储工作方式下自动形成的,同模拟示波器基本一样,可通过面板设置触发电平的幅度和极性,触发点可处于复现波形的任何位置及存储波形的末端。

②预置触发

预置触发即延迟触发,是人为设置触发点在复现波形上的位置,是在进行预置之后通过微处理器的控制和计算功能来实现的。由于触发点位置不同,可以观测到触发点前后不同区段上的波形。这是因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点,而不一定是取样、存储的第一点。预置触发给显示数据的选择带来了很大的灵活性。

(3)测量和计算工作方式

数字存储示波器对波形参数的测量分为自动测量和手动测量两种。一般参数的测量为自动测量,即示波器自动完成测量工作,并将测量结果以数字的形式显示在显示屏上,特殊值的测量使用手动光标进行测量,即光标测量。光标测量指的是在显示屏上设置两条水平光标线和两条垂直光标线,四条光标线可在面板的控制下移动,光标和波形的交点对应于信号存储器中的相应的数据。测量时,示波器在测量程序控制下,根据光标的位置来完成测量,并将测量结果以数字形式显示在显示屏上。

(4)面板按键操作方式

数字存储示波器的面板按键分为执行键和菜单键两种,按下执行键后,示波器立即执行该项操作。当按下菜单键时,屏幕下方显示一排菜单,屏幕右方则显示对应菜单的子菜单,然后按子菜单下所对应的软键执行相应的操作。

3.数字存储示波器的显示方式

由于数字存储示波器可以对被测信号存储,波形的采集和显示可以分开进行,与宽带示波器相比,采集速度和显示速度可不相同,因此采集速度很高的数字存储示波器对其显示的速度要求不高。数字存储示波器的显示方式灵活多样,具有基本显示、抹迹显示、卷动显示、放大显示和XY显示等,可适应不同情况下波形观测的需要。

(1)存储显示

存储显示方式是数字示波器的基本显示方式,适用于一般信号的观测。在一次触发形成并完成信号数据的存储后,经过显示前的缓冲存储,并控制缓冲存储器的地址顺序,依次将欲显示的数据读出并进行D/A变换,然后将信号稳定地显示在荧光屏上。

(2)抹迹显示

抹迹显示适用于观测一长串波形中在一定条件才会发生的瞬态信号。抹迹显示时,应先根据预期的瞬态信号,设置触发电平和极性。观测开始后仪器工作在末端触发和预置触发相结合的方式下,当信号数据存储器被装满但瞬态信号未出现时,实现末端触发,在荧光屏上显示一个画面。保持一段时间后,被存入的数据更新。若瞬态信号仍未出现,再利用末端触发显示一个画面,这样一个个画面显示下去,如同为了查找某个内容一页页地翻书一样,一旦出现预期的瞬态信号则立即实现预置触发,将捕捉到的瞬态信号波形稳定地显示在荧光屏上,并存入参考波形存储器中。

(3)卷动显示

卷动显示方式适于观测缓变信号中随机出现的突发信号。它包括两种方式:一种是新波形逐渐代替旧波形,变换点自左向右移动;另一种是波形从右向左移动,在左端消失,当异常波形出现时,可按下存储键将此波形存储在荧光屏或存入参考波形存储器中,以便做更细致的观测与分析。

(4)放大显示

放大显示方式适于观测信号波形的细节,此方式是利用延迟扫描的方法实现的。此时荧光屏一分为二,上半部分显示原波形,下半部分显示放大了的部分。其放大位置可用光标控制,放大比例也可调节,还可以用光标测量放大部分的参数。

(5)XY显示(www.xing528.com)

与通用示波器的显示方法基本相同,一般用于显示李萨如图形。

(6)显示的内插

数字存储示波器是将取样数据显示出来,由于取样点不能无限增多,能够做到正确显示的前提是足够的点来重新构成信号波形。考虑到有效存储带宽问题,一般要求每个信号显示20～25个点。但是较少的采样点会造成视觉误差,可能使人看不到正确的波形。数据点插入技术可以解决显示中视觉错误的问题。数据点插入技术常常使用插入器将一些数据插在所有相邻的取样点之间,主要有线性插入和曲线插入两种方式。

4.数字存储示波器的特点

与模拟示波器相比,数字存储示波器具有以下几个特点。

(1)波形取样存储与波形显示相互独立

在存储工作阶段,对快速信号采用较高的速率进行取样和存储,对慢速信号采用较低速率进行取样和存储,但在显示工作阶段,其读出速度可以采用一个固定的速率,不受采样速率的限制,因而可以清晰而稳定地获得波形,可以无闪烁地观测被测极慢变化信号,这是模拟示波器无法做到的。对观测极快信号来说,数字存储示波器采用低速显示,可以使用低带宽、高精度、高可靠性而低造价的光栅扫描示波管。

(2)能长时间保存信号

由于数字存储示波器是把波形用数字方式存储起来,其存储时间在理论上可以是无限长。这种特性是对观察单次出现的瞬间信号极为重要,如单次冲击波、放电现象等。

(3)先进的触发功能

数字存储示波器不仅能显示触发后的信号,而且能显示触发前的信号,并且可以任意选择超前或滞后的时间。除此以外,数字存储示波器还可以提供边缘触发、组合触发、状态触发、延迟触发等多种方式来实现多种触发功能。

(4)测量准确度高

高精度数字存储示波器由于采用晶体振荡做高稳定时钟,有很高的测时准确度。采用高分辨率A/D转换器也能使幅度测量准确度大大提高。

(5)数据处理能力强

数字存储示波器内含微处理器,因而能自动实现多种波形参数的测量和显示,如上升时间、下降时间、脉宽、峰峰值等参数的测量与显示;能对波形实现取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘、除等多种复杂的运算处理;还具有自检与自校等多种操作功能。

(6)具有外部数据通信接口

数字存储示波器可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备,进行更复杂的数据运算和分析处理,还可以通过GPIB接口与计算机一起构成自动测试系统。

5.数字存储示波器的主要技术指标

数字存储示波器与波形显示有关技术指标与模拟示波器相似,下面仅讨论与波形存储部分有关的主要技术指标。

(1)最高取样速率

最高取样速率指单位时间内的取样次数,也称数字化速率,用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量,常以频率来表示。取样速率越高反映了示波器捕捉高频或快速信号的能力越强,取样速率主要由A/D转换速率决定。数字存储示波器的测量时刻的实时取样速率可根据被测信号所设定的扫描时间因数(即扫描一格所用的时间)来推算,其推算公式为

式中,N为每格的取样点数,t为扫描时间因数。

(2)存储带宽

存储带宽与取样速率密切相关。根据取样定理,如果取样速率大于或等于二倍的信号频率,便可重现原信号。实际上,为保证所显示波形的分辨率,往往要求增加更多的取样点,一般取N=4～10倍或更多,即存储带宽。

(3)分辨率

分辨率指示波器能分辨的最小电压增量,即量化的最小单元。它包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。垂直分辨率与A/D转换的分辨率相对应,常以屏幕每格的分级数(级/div)或百分数来表示。水平分辨率由取样速率和存储器的容量决定,常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。取样速率决定了两个点之间的时间间隔,存储容量决定了一屏内包含的点数。一般示波管屏幕上的坐标刻度为8×10div(即屏幕垂直显示格为8格,水平显示格为10格),如果采用8位的A/D转换器(256级),则垂直分辨率表示为32级/div,或用百分数来表示为1/256=0.39%。如果采用容量为1k的RAM,则水平分辨率为1 024/10=100点/div。

(4)存储容量

存储容量又称记录长度,它由采集存储器(主存储器)最大存储容量来表示,常以字为单位。数字存储器常采用256、512、1K等容量的高速半导体存储器。

(5)读出速度

读出速度是指将数据从存储器中读出的速度,常用“时间/div”来表示,其中时间为屏幕上每格内对应的存储容量乘以读脉冲周期。