數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理PPT課件

1、8.1.1 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的組成原理8.1 概述典型的數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如圖所示 第1頁/共65頁8.1.2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) 定義：單位時(shí)間內(nèi)完成的完整 AD 轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)。最大取樣速率主要由 AD轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率來決定。 最大取樣速率愈高，儀器捕捉信號的能力愈強(qiáng)。 1 最大取樣速率 fmax數(shù)字存儲(chǔ)示波器在某個(gè)測量時(shí)刻的實(shí)際取樣速率可根據(jù)示波器當(dāng)時(shí)設(shè)定的掃描時(shí)間因數(shù)（t/div）推算。其推算公式為 （8.1） 式中 N每格的取樣數(shù)； t/div掃描時(shí)間因數(shù)，掃描一格所占用的時(shí)間。亦稱掃描速度，例如， 若某數(shù)字示波器的掃描時(shí)間因數(shù)設(shè)定為10s/div， 每格取樣數(shù)為10

2、0點(diǎn)，則此時(shí)的取樣速率等于10MHz。 很顯然，數(shù)字示波器最大取樣速率fmax與示波器最快掃描速度相對應(yīng)。若該數(shù)字示波器最快掃描速度為100s/div，則其fmax為1GHz。divtNf/第2頁/共65頁存儲(chǔ)帶寬與取樣速率密切相關(guān)。根據(jù)取樣定理，如果取樣速率大于或等于信號最高頻率分量的2倍，便可重現(xiàn)原信號波形。實(shí)際上，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)中，為保證顯示波形的分辨率，往往要求增加更多的取樣點(diǎn)， 一般一個(gè)周期取410點(diǎn)。 2 存儲(chǔ)帶寬 分辨率用于反映存儲(chǔ)信號波形細(xì)節(jié)的綜合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率與 A/D 轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng)，常以屏幕每格的分級數(shù) (級/div) 表

3、示。水平分辨率由存儲(chǔ)器的容量來決定，常以屏幕每格含多少個(gè)取樣點(diǎn)（點(diǎn)/div）表示。示波管屏幕坐標(biāo)的刻度一般為 810 div。若示波器采用8位 A/D 轉(zhuǎn)換器(256級)，則其垂直分辨率為32級/div，用百分?jǐn)?shù)表示為 1/2560.39。若采用容量為1KB的存儲(chǔ)器，則水平分辨率為 1 024/10100 點(diǎn)/div，或用百分?jǐn)?shù)表示為 1/1 0240.1。3 分辨率 第3頁/共65頁存儲(chǔ)容量又稱記錄長度，用記錄一幀波形數(shù)據(jù)占有的存儲(chǔ)容量來表示，常以字（word）為單位。存儲(chǔ)容量與水平分辨率在數(shù)值上互為倒數(shù)關(guān)系。數(shù)字存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存儲(chǔ)容量愈大

4、，水平分辨率就愈高。但存儲(chǔ)容量并非越大越好，由于儀器最高取樣速率的限制，若存儲(chǔ)容量選取不恰當(dāng)，往往會(huì)因時(shí)間窗口縮短而失去信號的重要成分，或者因時(shí)間窗口增大而使水平分辨率降低。 4 存儲(chǔ)容量 讀出速度是指將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用(時(shí)間)/div表示。其中，時(shí)間等于屏幕中每格內(nèi)對應(yīng)的存儲(chǔ)容量讀脈沖周期。使用時(shí)，示波器應(yīng)根據(jù)顯示器、記錄裝置或打印機(jī)等對速度的不同要求，選擇不同的讀出速度。5 讀出速度 第4頁/共65頁8.1.2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo) (1) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器在存儲(chǔ)工作階段，對快速信號采用較高的速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，對慢速信號采用較低速率進(jìn)行取樣與存儲(chǔ)，但在顯示工作階

5、段，其讀出速度采取了一個(gè)固定的速率，不受取樣速率的限制，因而可以獲得清晰而穩(wěn)定的波形。可以無閃爍地觀察頻率很低的信號，這是模擬示波器無能為力的。對于觀測頻率很高的信號來說，模擬示波器必須選擇帶寬很高的陰極射線示波管，這就使造價(jià)上升，并且顯示精度和穩(wěn)定性都較低。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用了一個(gè)固定的相對較低的速率顯示，從而可以使用低帶寬、高分辨率、高可靠性而低造價(jià)的光柵掃描式示波管，這就從根本上解決了上述問題。若采用彩色顯示,還可以很好地分辨各種信息. 數(shù)字存儲(chǔ)示波器與模擬示波器相比較有下述幾個(gè)特點(diǎn)。 第5頁/共65頁(3) 具有先進(jìn)的觸發(fā)功能。數(shù)字存儲(chǔ)示波器不僅能顯示觸發(fā)后的信號，而且能顯示觸發(fā)前的

6、信號，并且可以任意選擇超前或滯后的時(shí)間，這對材料強(qiáng)度、地震研究、生物機(jī)能實(shí)驗(yàn)提供了有利的工具。除此之外，數(shù)字存儲(chǔ)示波器還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)等多種方式，來實(shí)現(xiàn)多種觸發(fā)功能，方便、準(zhǔn)確地對電信號進(jìn)行分析。 (4) 測量精度高。模擬示波器水平精度由鋸齒波的線性度決定，故很難實(shí)現(xiàn)較高的時(shí)間精度，一般限制在3%5%。而數(shù)字存儲(chǔ)示波器由于使用晶振作高穩(wěn)定時(shí)鐘，有很高的測時(shí)精度。采用多位A/D轉(zhuǎn)換器也使幅度測量精度大大提高。尤其是能夠自動(dòng)測量直接讀數(shù)，有效地克服示波管對測量精度的影響，使大多數(shù)的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的測量精度優(yōu)于1%。 (2) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器能長時(shí)間地保存信號。這

7、種特性對觀察單次出現(xiàn)的瞬變信號尤為有利。有些信號，如單次沖擊波、放電現(xiàn)象等都是在短暫的一瞬間產(chǎn)生，在示波器的屏幕上一閃而過，很難觀察。數(shù)字存儲(chǔ)示波器問世以前，屏幕照相是“存儲(chǔ)”波形采取的主要方法。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把波形以數(shù)字方式存儲(chǔ)起來，因而操作方便，且其存儲(chǔ)時(shí)間在理論上可以是無限長的。 第6頁/共65頁(6) 具有數(shù)字信號的輸入/輸出功能， 所以可以很方便地將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)送到計(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)算或分析處理。同時(shí)還可以通過GPIB 接口與計(jì)算機(jī)一起構(gòu)成強(qiáng)有力的自動(dòng)測試系統(tǒng)。 (5) 具有很強(qiáng)的處理能力，這是由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器內(nèi)含微處理器， 因而能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量與顯

8、示，例如上升時(shí)間、下降時(shí)間、脈寬、頻率、峰峰值等參數(shù)的測量與顯示。能對波形實(shí)現(xiàn)多種復(fù)雜的處理，例如取平均值、取上下限值、頻譜分析以及對兩波形進(jìn)行加、減、乘等運(yùn)算處理。同時(shí)還能使儀器具有許多自動(dòng)操作功能，例如自檢與自校等功能，使儀器使用很方便。數(shù)字存儲(chǔ)示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D轉(zhuǎn)換器最大轉(zhuǎn)換速率等因素的影響，數(shù)字存儲(chǔ)示波器目前還不能用于觀測頻率較高的信號。 第7頁/共65頁 8.2 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的原理分析 波形的采集 波形的顯示 波形的測量 波形的處理 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 8.2.2 等效時(shí)間取樣方式的采集原理 8.2.3 波形的顯示 8.2.4 波形參數(shù)的測量

9、與處理實(shí)時(shí)取樣等效時(shí)間取樣第8頁/共65頁 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理 實(shí)時(shí)取樣是指對波形進(jìn)行等時(shí)間間隔取樣，按照取樣先后的次序進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并存入存儲(chǔ)器中。 典型實(shí)時(shí)取樣方式的采集電路如圖。 本節(jié)重點(diǎn)分析：一、 取樣與A/D轉(zhuǎn)換二、 t/div 控制器 三、 寫地址計(jì)數(shù)器 四、 預(yù)置觸發(fā)功能 第9頁/共65頁 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理一、 取樣與A/D轉(zhuǎn)換取樣即連續(xù)波形的離散化，其方法可用右圖說明。把模擬波形送到加有反偏的取樣門的a點(diǎn)，在c點(diǎn)加入等間隔取樣脈沖，則對應(yīng)時(shí)間 tn(n1，2，3，) 取樣脈沖打開取樣門的瞬間，在b點(diǎn)就得到相應(yīng)的模擬量an(n1，2，3，)，這個(gè)

10、模擬量an 就是取樣后得到的離散化的模擬量。 、取樣第10頁/共65頁 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理、取樣2、A/D轉(zhuǎn)換若把a(bǔ)n中的每一個(gè)離散模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，就可以得到相應(yīng)的數(shù)字量。例如a1 A/D01H；a2A/D02H；a3 A/D03H； a7 A/D01H。如果把這些數(shù)字量按序存放在存儲(chǔ)器中， 就相當(dāng)于把一幅模擬波形以數(shù)字量的形式存儲(chǔ)起來 一、 取樣與A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器是波形采集的關(guān)鍵部件。它決定了示波器的最大取樣速率、存儲(chǔ)帶寬以及垂直分辨率等多項(xiàng)指標(biāo)。目前存儲(chǔ)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、串并聯(lián)型以及CCD器件與A/D轉(zhuǎn)換器相配合的形式等。并聯(lián)

11、比較式A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度可以做得較高，但價(jià)格也較貴，是數(shù)字存儲(chǔ)示波器采用最多的一種形式 。 第11頁/共65頁 8.2.1 實(shí)時(shí)取樣方式的采集原理二、掃描速度t/div 控制器 掃描速度t/div控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，用于控制A/D 轉(zhuǎn)換速率以及存儲(chǔ)器的寫入速度，它由一個(gè)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性很好的晶體振蕩器、一組分頻器和相應(yīng)的組合電路組成。典型的t/div控制電路原理如圖 第12頁/共65頁第13頁/共65頁三、 寫地址計(jì)數(shù)器 寫地址計(jì)數(shù)器用來產(chǎn)生寫地址信號，它由二進(jìn)制計(jì)數(shù)器組成，計(jì)數(shù)器的位數(shù)由存儲(chǔ)長度來決定。寫地址計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率應(yīng)該與控制A/D轉(zhuǎn)換器的取樣時(shí)鐘的頻率相同。寫地址計(jì)數(shù)器

12、原理圖如圖示。第14頁/共65頁四、 預(yù)置觸發(fā)功能 預(yù)置觸發(fā)功能含正延遲觸發(fā)和負(fù)延遲觸發(fā)兩種情況。并且正負(fù)延遲及延遲時(shí)間都可以進(jìn)行預(yù)置。 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中預(yù)置觸發(fā)可以通過控制存儲(chǔ)器的寫操作過程來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)被測信號大于預(yù)置電平時(shí)，觸發(fā)電路便產(chǎn)生觸發(fā)信號，于是存儲(chǔ)器就從零地址開始寫入采集的數(shù)據(jù)，設(shè)示波器的存儲(chǔ)容量為1024，則當(dāng)寫滿1 024個(gè)單元后便停止寫操作。顯示也從零地址開始讀數(shù)據(jù)，則對應(yīng)示波器屏幕上顯示的信號便是觸發(fā)點(diǎn)開始后的波形。 在常態(tài)觸發(fā)狀態(tài)下，在正延遲時(shí)(即顯示延遲觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號到來后，存儲(chǔ)器不立即寫入數(shù)據(jù)，而是延遲N次取樣之后才開始寫入。這樣當(dāng)顯示時(shí)，示波器屏幕

13、上顯示的信號便是觸發(fā)點(diǎn)之后N個(gè)取樣點(diǎn)的波形。這等效于示波器的時(shí)間窗口右移。在正延遲時(shí)第15頁/共65頁四、 預(yù)置觸發(fā)功能 在負(fù)延遲時(shí)(即顯示超前觸發(fā)點(diǎn)N個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)間)，觸發(fā)信號到來前， 存儲(chǔ)器信號便就一直處于01 023單元不斷循環(huán)寫入的過程中，當(dāng)寫滿1 024個(gè)單元之后，新內(nèi)容將覆蓋舊內(nèi)容繼續(xù)寫入。當(dāng)觸發(fā)信號到來后，使存儲(chǔ)器再寫入1 024 N個(gè)取樣點(diǎn)之后停止寫操作。顯示時(shí)，不是從零地址讀數(shù)據(jù)， 而是從停止寫操作時(shí)地址的下一個(gè)地址作為顯示首地址連續(xù)讀1 024個(gè)單元的內(nèi)容。這樣，示波器屏幕上顯示的便是觸發(fā)點(diǎn)之前N次取樣點(diǎn)為起點(diǎn)的波形，這等于示波器的時(shí)間窗口左移。在負(fù)延遲時(shí)第16頁/共65頁四

14、、 預(yù)置觸發(fā)功能第17頁/共65頁8.2.2 等效時(shí)間取樣方式的采集原理 實(shí)時(shí)取樣方式對觀測單次出現(xiàn)的信號非常有效， 是數(shù)字存儲(chǔ)示波器必須具備的取樣方式，但實(shí)時(shí)取樣方式受到A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率的限制，使觀察和存儲(chǔ)信號的頻帶寬度受到了限制。 等效時(shí)間取樣方式是先采用“取樣技術(shù)”，將周期性的高頻信號變換成波形與其相似的周期性低頻信號，然后再做進(jìn)一步的處理，因而可以比較容易地獲得很寬的頻帶寬度。但等效時(shí)間取樣僅限于處理重復(fù)性的周期信號。 一個(gè)典型的采用等效時(shí)間取樣方式的采集系統(tǒng)如圖8-7所示。 第18頁/共65頁第19頁/共65頁步進(jìn)系統(tǒng)在等效時(shí)間取樣方式中起了關(guān)鍵性的作用，電路原理框圖如圖。靜

15、態(tài)時(shí)，D觸發(fā)器的Q 端為高電平，VT11導(dǎo)通。觸發(fā)脈沖到來時(shí)，D觸發(fā)器的Q 端變?yōu)榈碗娖剑琕T11關(guān)閉，電容C充電形成斜波信號，VT11、VT12 組成的自舉電路用以保證斜波的線性。斜波信號加在比較器正端，階梯波加在比較器負(fù)端。當(dāng)斜波電壓上升超過比較器負(fù)端電平時(shí)，比較器輸出翻轉(zhuǎn)，并經(jīng)反相送給D，D復(fù)位Q 返回到高。每次取樣后，階梯波都會(huì)抬高一階，如此重復(fù)下去，就能在比較器輸出端得到一系列的步進(jìn)延遲脈沖信號。第20頁/共65頁綜上所述，通過改變斜波斜率與階梯波的階梯電壓值，可以得到特定大小的步進(jìn)延遲時(shí)間，從而使示波器的帶寬在很大范圍內(nèi)降低了對A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的要求。用等效時(shí)間取樣方式設(shè)計(jì)的數(shù)

16、字存儲(chǔ)示波器，其帶寬可以較容易地達(dá)到1 000MHz，而且能較容易地把ps量級的脈沖波形存儲(chǔ)起來。但該方法要求被測信號必須是周期性信號。 由圖知，若階梯波的單位階梯電壓為UA，斜波信號的斜率為uF，則步進(jìn)脈沖滯后觸發(fā)脈沖的步進(jìn)時(shí)間t為t= UA uF (8.4)上式說明，t與階梯波電壓成正比，與斜波斜率成反比。第21頁/共65頁8.2.3 波形的顯示 為適應(yīng)不同波形的觀測，數(shù)字存儲(chǔ)示波器具有多種靈活的顯示方式 一、 存儲(chǔ)顯示 存儲(chǔ)顯示是數(shù)字存儲(chǔ)示波器最基本的顯示方式。它顯示的波形是觸發(fā)后所存儲(chǔ)的一幀波形信號，即在一次觸發(fā)所完成的一幀信號數(shù)據(jù)采集之后，再通過控制存儲(chǔ)器的地址依次將數(shù)據(jù)讀出，并經(jīng)D

17、/A轉(zhuǎn)換穩(wěn)定地顯示在CRT上。 依照讀出方法的不同，又可分為: CPU控制方式 直接控制方式。 第22頁/共65頁一、 存儲(chǔ)顯示 CPU 控制方式顯示過程：將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)按地址順序取出，送到D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，還原為模擬量送至Y軸；與此同時(shí)，將地址按同樣順序送出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為階梯波送至X軸。這樣就能把被測波形顯示在CRT屏幕上。設(shè)存儲(chǔ)波形時(shí)是以255個(gè)地址為一頁面 ，現(xiàn)通過下圖說明其原理。第23頁/共65頁一、 存儲(chǔ)顯示 直接控制方式一方面，地址計(jì)數(shù)器在顯示時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下， 產(chǎn)生的連續(xù)地址信號依次將存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)連續(xù)地送至D/A轉(zhuǎn)換器，然后將恢復(fù)的模擬量送至CRT的Y軸；另一方面，

18、地址計(jì)數(shù)器提供的地址信號經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成階梯波送至CRT的X軸作同步的掃描信號。于是在CRT屏幕上便形成了被顯示的模擬波形。很顯然，這種方式的數(shù)據(jù)傳輸速度取決于時(shí)鐘的速率，速度較快。 特點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸不再經(jīng)過CPU，而直接對內(nèi)存進(jìn)行讀/寫操作，因此速度快。顯示原理見圖。第24頁/共65頁一、 存儲(chǔ)顯示 存儲(chǔ)顯示方式還有連續(xù)觸發(fā)顯示和單次觸發(fā)顯示之分。在連續(xù)觸發(fā)顯示方式下，每滿足一次觸發(fā)條件，就完成一幀數(shù)據(jù)的取樣與存儲(chǔ)，同時(shí)，屏幕上原來的顯示波形就被新存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)更新一次。單次觸發(fā)顯示只不斷顯示一次觸發(fā)而取樣與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)波形。CPU控制方式顯示的特點(diǎn)： 無論是Y軸還是X軸的數(shù)據(jù)，都必須通過CP

19、U傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度受到一定的限制。直接控制方式顯示的特點(diǎn)：直接在時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下對內(nèi)存進(jìn)行讀/寫操作，不再經(jīng)過CPU，數(shù)據(jù)傳輸速度僅取決于時(shí)鐘速率，而不是由軟件決定的，速度較快。 第25頁/共65頁二、 雙蹤顯示 存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。即利用寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣電路輪流對兩通道輸入信號進(jìn)行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2n中每

20、一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達(dá)到兩通道信號分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 第26頁/共65頁二、 雙蹤顯示 存儲(chǔ)時(shí)，為了使兩條波形保持原有的時(shí)間對應(yīng)關(guān)系，常采用交替存儲(chǔ)技術(shù)。即利用寫地址的最低位A0來控制通道開關(guān)，使取樣電路輪流對兩通道輸入信號進(jìn)行取樣和A/D轉(zhuǎn)換，存儲(chǔ)方式如圖所示。讀出時(shí)，先讀偶數(shù)地址，再讀奇數(shù)地址，Y1和Y2信號便在CRT上交替顯示。為了使兩通道信號的波形分別顯示于屏幕的上半部和下半部，可將存入存儲(chǔ)器的數(shù)字序列Y1n與Y2n中的每一數(shù)據(jù)右移一位(即除以2)；再將Y2n中每一個(gè)數(shù)據(jù)的最高位置1，將Y1n中每一個(gè)

21、數(shù)據(jù)的最高位保持為零，便可達(dá)到兩通道信號分區(qū)域顯示的效果。但這種處理方式使波形垂直分辨率降低了一倍。 第27頁/共65頁三、 鎖存和半存顯示 鎖存顯示就是把一幅波形數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器之后，只允許從存儲(chǔ)器中讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，不準(zhǔn)新數(shù)據(jù)再寫入。半存顯示是指波形被存儲(chǔ)之后，允許存儲(chǔ)器奇數(shù)(或偶數(shù))地址中的內(nèi)容更新，但偶數(shù)(或奇數(shù))地址中的內(nèi)容保持不變。于是屏幕上便出現(xiàn)兩個(gè)波形，一個(gè)是已存儲(chǔ)的波形信號，另一個(gè)是實(shí)時(shí)測量的波形信號。這種顯示方法可以實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)行波形與過去存儲(chǔ)下來的波形進(jìn)行比較的功能。 第28頁/共65頁四、 滾動(dòng)顯示 滾動(dòng)顯示的表現(xiàn)形式是：被測波形連續(xù)不斷地從屏幕右端進(jìn)入，從屏幕左端移出。示波

22、器猶如一臺圖形記錄儀，記錄筆在屏幕的右端，記錄紙由右向左移動(dòng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)欲研究的波形部分時(shí)，還可將波形存儲(chǔ)或固定在屏幕上，以作細(xì)微的觀察與分析。滾動(dòng)顯示方式的機(jī)理是：每當(dāng)采集到一個(gè)新的數(shù)據(jù)時(shí)，就把已存在存儲(chǔ)器中的所有數(shù)據(jù)都向前移動(dòng)一個(gè)單元，即將第一個(gè)單元的數(shù)據(jù)沖掉，其他單元的內(nèi)容依次向前遞進(jìn)，然后再在最后一個(gè)單元中存入新采集的數(shù)據(jù)。每寫入一個(gè)數(shù)據(jù)，就進(jìn)行一次讀過程，讀出和寫入的內(nèi)容不斷更新，因而可以產(chǎn)生波形滾滾而來的滾動(dòng)效果。滾動(dòng)顯示主要適于緩慢變化的信號。 第29頁/共65頁五、 點(diǎn)顯示與插值顯示 數(shù)字示波器屏幕顯示的波形一般是由一些密集的點(diǎn)構(gòu)成，通常稱點(diǎn)顯示。在點(diǎn)顯示情況下，當(dāng)被觀察的信號在一

23、周期內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)較少時(shí)會(huì)引起視覺上的混淆現(xiàn)象，使觀察者很難辨認(rèn)。一般認(rèn)為當(dāng)采樣頻率低于被測信號頻率的2.5倍時(shí)，點(diǎn)顯示就會(huì)造成視覺混淆。采用插值顯示可以克服視覺的混淆現(xiàn)象，同時(shí)又不降低帶寬指標(biāo)。 如圖所示，當(dāng)采用點(diǎn)顯示方式顯示采樣點(diǎn)數(shù)較少的正弦波形時(shí)所造成的視覺混淆，以及采用插值顯示的效果。第30頁/共65頁 所謂插值顯示，即在波形上兩個(gè)測試數(shù)據(jù)點(diǎn)間插入一個(gè)估值。數(shù)字示波器廣泛采用矢量插值法和正弦插值法兩種方式。矢量插值法是用斜率不同的直線段來連接相鄰的點(diǎn)。正弦插值法是以正弦規(guī)律，用曲線連接各數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示方式，其能力已接近奈奎斯特極限頻率。 對每周期采樣點(diǎn)數(shù)較少的正弦波，采用正弦插值處理會(huì)得到滿

24、意的顯示效果，如圖81示。同樣，對脈沖信號采用矢量插值法會(huì)得到較滿意的效果，若選用正弦插值處理會(huì)在信號的前沿造成尖頭狀失真，如圖815示。五、 點(diǎn)顯示與插值顯示 第31頁/共65頁 幾乎所有微機(jī)化的數(shù)字示波器都充分地利用內(nèi)部微處理器系統(tǒng)以及A/D 轉(zhuǎn)換器等硬件，構(gòu)成多種測量及數(shù)據(jù)處理能力，使數(shù)字示波器成為一臺功能很強(qiáng)大的測量儀器。數(shù)字示波器的測量及處理功能包括：波形上任意兩點(diǎn)間的電位差（U）以及時(shí)間差（t）的測量、波形的前后沿時(shí)間測量、峰-峰值測量、有效值測量、頻率測量、顯示波形平均值處理、兩波形的加、減、乘運(yùn)算、波形的頻譜分析等。8.2.4 波形參數(shù)的測量與處理 本節(jié)以U與t測量、兩波形相加

25、處理為代表，討論波形參數(shù)的測量與處理的一般原理及方法。第32頁/共65頁一、 U 、t 的測量 波形上任意兩點(diǎn)間的電位差(U)和時(shí)間差(t)的測量 一般采用加亮標(biāo)志法或光標(biāo)標(biāo)志法。加亮標(biāo)志法是將欲測量的波形段加亮進(jìn)行標(biāo)志，而光標(biāo)標(biāo)志法是通過設(shè)置兩條水平光標(biāo)線或兩條垂直光標(biāo)線對波形被測部分進(jìn)行標(biāo)志。波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，或者光標(biāo)線的位置，可通過面板相應(yīng)按鍵的控制下作步進(jìn)式的移動(dòng)，波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)或光標(biāo)線與波形的交點(diǎn)，對應(yīng)于信號存儲(chǔ)器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置不同的測量項(xiàng)目時(shí)，儀器即可在測量程序控制下實(shí)現(xiàn)不同的測量目的，并將測量結(jié)果直接顯示在CRT上。為了測量U、t的大小， 通常應(yīng)將掃描時(shí)間

26、因數(shù) (t/div) 和靈敏度(m/div)分擋編成代碼，并與波形代碼一起存入存儲(chǔ)器，如表83和表84所示。第33頁/共65頁 表8-3為掃描時(shí)間因數(shù)代碼表，表中的每擋掃描時(shí)間因數(shù)都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)總數(shù)為30擋時(shí)，用5位二進(jìn)制代碼即可。第34頁/共65頁 表8-4為靈敏度代碼表，表中的每擋靈敏度都用相應(yīng)的代碼表示，當(dāng)靈敏度總數(shù)為6擋時(shí)，用3位二進(jìn)制代碼來表示6擋靈敏度。 最后，再把代表掃描時(shí)間因數(shù)的5位二進(jìn)制代碼放在一個(gè)字節(jié)的高5位，代表靈敏度的3位二進(jìn)制代碼放在同一字節(jié)的低3位，并在每次存儲(chǔ)一頁波形數(shù)據(jù)時(shí)，把這一字節(jié)內(nèi)容也存放在同一頁面的某個(gè)單元（例如0號單元）。第35頁/共

27、65頁1 加亮標(biāo)志法t 測量原理 設(shè)波形由255個(gè)點(diǎn)組成，當(dāng)掃描時(shí)間因數(shù)確定之后，每兩點(diǎn)之間的步進(jìn)時(shí)間Tstep便是確定的。若想測量波形某一部分的時(shí)間t，只需把這一部分加亮，把加亮部分的點(diǎn)數(shù)求出來，用點(diǎn)數(shù)乘以步進(jìn)時(shí)間Tstep即可求出t。 求解t 的步驟： 1、根據(jù)掃描時(shí)間因數(shù)確定步進(jìn)時(shí)間Tstep； 2、求出測量波形（加亮部分）的點(diǎn)數(shù)； 3、 t = 點(diǎn)數(shù)Tstep。步進(jìn)時(shí)間Tstep是隨不同的掃描時(shí)間而變的，此時(shí)只要把存放在波形頁面中0號地址的內(nèi)容取出來，根據(jù)它的高5位代碼就可以確定步進(jìn)時(shí)間及單位。 第36頁/共65頁 圖8-16 波形加亮及控制流程第37頁/共65頁 圖中，端口“I/O”

28、為控制加亮輸入口，端口“I/O，Z”為控制加亮輸出口。其中“I/O”口的U0鍵和U1鍵分別對應(yīng)波形加亮部分的起點(diǎn)和終點(diǎn)，并定義D1為1表示要改變U1的位置，D2為1表示要改變U0的位置，究竟作如何改變(進(jìn)或者退)則由進(jìn)/退鍵來決定，定義D0為1時(shí)進(jìn)，D1為0時(shí)退。在存儲(chǔ)階段，在CPU兩次取樣之間訪問I/O口，若D1為1，則B寄存器加 1(若同時(shí)D0為1)或者減1(若同時(shí)D0為0); 若D2為1，則C寄存器加1(若同時(shí)D0為1)或者減 1(若同時(shí)D0為0)，使寄存器B和C分別寄存加亮部分起點(diǎn)和終點(diǎn)的地址。在顯示波形時(shí)，不斷地讓信號存儲(chǔ)器的地址計(jì)數(shù)器(L寄存器)與C寄存器比較，當(dāng)LC時(shí)，則使“I/

29、O，Z”口的D0置1， 它與加亮信號組合起來就產(chǎn)生了在波形上加亮的效果。同樣若LB，則使“I/O，Z”口的D0置0，這就是加亮的結(jié)束。這樣，通過按動(dòng)U0鍵、U1鍵和進(jìn)退鍵，便可產(chǎn)生使波形加亮部分變寬、變窄以及左右移動(dòng)的效果。于是，可以得到加亮待測波形部分的時(shí)間T(B-C) Tstep，式中的(B-C)即為加亮標(biāo)志間的點(diǎn)數(shù)。第38頁/共65頁二、 兩波形的“加”運(yùn)算 兩波形的“加”運(yùn)算是指把存放在不同頁面中的波形數(shù)據(jù)對應(yīng)相加。相加時(shí)，要求波形的掃描時(shí)間因數(shù)必須相同，否則無法表示相加后的時(shí)間； 應(yīng)注意兩個(gè)頁面的靈敏度要相同，若靈敏度不同，應(yīng)在運(yùn)算之前把兩頁面的靈敏度給以調(diào)整或“對齊”， 記下靈敏度

30、調(diào)整系數(shù)。相加時(shí)，如有溢出還應(yīng)能自動(dòng)調(diào)整，使每兩點(diǎn)相加結(jié)果不超過255。 靈敏度對齊程序的依據(jù)是表86所示的靈敏度與代碼關(guān)系表。首先把A、B頁面的靈敏度代碼相減，若結(jié)果為零，說明兩頁面的靈敏度相同不需要調(diào)整。若不為零，應(yīng)把相減的差值 L（即靈敏度的差值）按2L計(jì)算出調(diào)整系數(shù)，然后進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整原則是：向低靈敏度對齊，即把靈敏度高的頁面做被調(diào)整頁，將其代碼改為低靈敏度代碼，再把被調(diào)整頁每一單元的數(shù)都除以調(diào)整系數(shù)。當(dāng)靈敏度“對齊”以后，便把兩頁面對應(yīng)地址中的數(shù)相加，相加的結(jié)果放在B 頁面對應(yīng)的地址中。若兩個(gè)數(shù)相加有溢出，則把溢出標(biāo)志碼AAH存入E寄存器中， 第39頁/共65頁二、 兩波形的“加”運(yùn)

31、算“加”運(yùn)算流程 第40頁/共65頁8.3 數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 8.3.1 簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)并制作一臺用普通示波器顯示被測波形的簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器，示意圖如下： 考慮到電子競賽的特點(diǎn)，將示波器被測信號的最高頻率分量（存儲(chǔ)帶寬）限定在50kHz，其顯示部分用模擬示波器（XY工作方式）來替代。第41頁/共65頁(1) 具有連續(xù)觸發(fā)和單次觸發(fā)兩種存儲(chǔ)顯示方式。在連續(xù)觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式中，儀器能連續(xù)對信號進(jìn)行采集、存儲(chǔ)并實(shí)時(shí)顯示，且具有鎖存（按“鎖存”鍵即可存儲(chǔ)當(dāng)前波形）功能。在單次觸發(fā)存儲(chǔ)顯示方式下，每按動(dòng)一次“單次觸發(fā)”鍵，儀器在滿足觸發(fā)條件時(shí)，能對被測周期信號或單次非周期信號進(jìn)行一

32、次采集與存儲(chǔ)，然后連續(xù)顯示采集的波形。(2) 器垂直分辨率為32級/div，水平分辨率為20點(diǎn)/div(設(shè)示波器顯示屏水平刻度為10div，垂直刻度為8div)，輸入阻抗大于100k。(3) 頻率范圍為DC50kHz，最少設(shè)置0.2s/div、0.2ms/div、20s/div三擋掃描速度，其誤差5%；最少設(shè)置1V/div、0.1V/div、0.01V/div三擋垂直靈敏度，其誤差5%。(4) 儀器觸發(fā)電路采用內(nèi)觸發(fā)方式，上升沿觸發(fā)，觸發(fā)電平可調(diào)。(5) 具有雙蹤示波功能，能同時(shí)顯示兩路被測信號波形。(6) 具有水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能，要求將存儲(chǔ)深度增加一倍，并且能通過操作“移動(dòng)”鍵顯示被存儲(chǔ)信

33、號波形的任一部分。(7) 其他，例如具有量程自動(dòng)調(diào)節(jié)(Autoscale)功能、頻譜分析功能等。要求達(dá)到的功能和技術(shù)指標(biāo)：第42頁/共65頁 8.3.1 簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定 設(shè)計(jì)要求存儲(chǔ)示波器具有單次觸發(fā)功能，能對單次出現(xiàn)的信號進(jìn)行測量，非實(shí)時(shí)的等效時(shí)間取樣方式無能為力；另一方面，本題要求A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率僅為2MHz，因此，本設(shè)計(jì)選用實(shí)時(shí)取樣方式。 1. 取樣方式的選擇本題要求示波器垂直分辨率為32級/div，而顯示屏的垂直刻度為8div，因而要求A/D轉(zhuǎn)換器能分辨328256級，應(yīng)選擇8位A/D轉(zhuǎn)換器。本題要求示波器的最快掃描速度為20s/d

34、iv，水平分辨率為20點(diǎn)/div，因而A/D轉(zhuǎn)換器的最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)為1MHz。若考慮雙蹤輸入情況，A/D轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速率應(yīng)選擇在2MHz以上。根據(jù)上述分析，A/D轉(zhuǎn)換器應(yīng)選擇最高轉(zhuǎn)換速率為2MHz以上的8位A/D轉(zhuǎn)換器，例如CA 3308、TLC 5510等。 2. A/D轉(zhuǎn)換器的選擇第43頁/共65頁 8.3.1 簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì) 一、技術(shù)指標(biāo)分析及總體方案的制定 本題要求水平分辨率為20點(diǎn)/div，而顯示屏水平刻度為10div，因而滿屏掃描顯示需2010200點(diǎn)。考慮雙蹤示波功能，存儲(chǔ)深度應(yīng)增加到400點(diǎn)，若再考慮水平移動(dòng)擴(kuò)展顯示功能的需要，可考慮選擇容量為1KB以上的存儲(chǔ)器。數(shù)

35、字存儲(chǔ)示波器工作的一個(gè)重要特點(diǎn)是要求數(shù)據(jù)的寫入與讀出能同時(shí)進(jìn)行，這就存在一個(gè)共享RAM的問題。可以考慮采用如下兩種方案：(1) 采用一般的RAM并設(shè)計(jì)相應(yīng)的外圍控制電路，使數(shù)據(jù)的寫入與讀出分時(shí)使用同一套總線。(2)采用具有兩套總線的雙口RAM器件。根據(jù)上述分析，本設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)器擬選擇雙口RAM器件，例如選擇容量為2KB的雙口RAM器件IDT 7132。 3. 存儲(chǔ)器的選擇第44頁/共65頁由于存儲(chǔ)示波器一般采樣速率較高(本題要求最高采樣速率不小于2MHz)，控制的實(shí)時(shí)性較強(qiáng)，并且采集與存儲(chǔ)要求保持嚴(yán)格的同步，因此采用普通單片機(jī)直接控制很難勝任。本設(shè)計(jì)采用了 “CPLD單片機(jī)”的兩層控制方案，底層

36、控制由CPLD或普通IC為核心的高速邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制和高速的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)與傳輸；頂層由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、數(shù)據(jù)處理等項(xiàng)工作。這種控制方案使單片機(jī)和高速邏輯器件揚(yáng)長避短地有效地結(jié)合在一起。4. 控制方案的確定 第45頁/共65頁二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì) 輸入電路主要作用是將輸入信號的幅度調(diào)整到A/D轉(zhuǎn)換器允許的電壓范圍內(nèi)。題目要求垂直靈敏度擋位范圍在0.01V/div1V/div之間，示波器顯示屏的垂直刻度為8div，則對應(yīng)被測信號電壓幅度的范圍應(yīng)在0.08V8V之間。如果選擇的A/D轉(zhuǎn)換器最大輸入電壓幅度為2V，則計(jì)算得到對應(yīng)的輸入電路的衰減放大系數(shù)的范圍應(yīng)為0.2525。若

37、考慮Autoscale功能的要求，則應(yīng)按125分配原則設(shè)置7擋垂直靈敏度的量程（覆蓋題目要求的3擋量程）。不同垂直靈敏度（V/div擋）與對應(yīng)的衰減放大系數(shù)的關(guān)系如表所示。 1. 輸入電路的分析與設(shè)計(jì)很顯然，輸入電路應(yīng)是一個(gè)寬帶的數(shù)控衰減放大電路。根據(jù)表8-7提供的數(shù)據(jù)，輸入電路可以由二擋量程的程控衰減器(1、0.1)和四擋量程的程控放大器(2.5、5、12.5、25)組合而成，或者采用具有7擋量程的程控衰減器和放大倍數(shù)固定為25的放大器組成等方案。 垂直靈敏度(V/div) 10mV 20mV 50mV 0.1V 0.2V 0.5V 1V 衰減放大系數(shù) 25 12.5 5 2.5 1.25

38、0.5 0. 25第46頁/共65頁二、關(guān)鍵電路的分析與設(shè)計(jì) 1. 輸入電路的分析與設(shè)計(jì) 本題要求儀器輸入帶寬不小于50kHz，選用集成運(yùn)放LF356(GBW為5MHz)；實(shí)際輸入電路設(shè)計(jì)還要考慮雙蹤輸入，單雙蹤控制由多路選擇器IC6完成，當(dāng)P1.1為高電平時(shí)，儀器為雙蹤示波功能；主放大器IC3是根據(jù)表8-7設(shè)計(jì)的具有七擋量程的程控放大器，通過控制模擬選擇開關(guān)IC7實(shí)現(xiàn)垂直靈敏度的選擇；IC4組成電平移位電路，以使輸入信號的電平移位到A/D轉(zhuǎn)換器所要求的02V范圍內(nèi)。 （典型的輸入電路設(shè)計(jì)方案舉例）第47頁/共65頁2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì) 存儲(chǔ)示波器的采樣與存儲(chǔ)控制電路一般由時(shí)鐘、t/

39、div控制器、寫地址計(jì)數(shù)器、RAM讀/寫控制等組成，圖822給出了能滿足本設(shè)計(jì)要求的采樣與存儲(chǔ)控制電路原理簡要框圖。 輸入信號經(jīng)輸入電路分送至A/D轉(zhuǎn)換器與觸發(fā)電路。控制電路一旦接到來自觸發(fā)電路的觸發(fā)信號，就啟動(dòng)一次數(shù)據(jù)采集及RAM寫入過程：一方面，“t/div”控制器產(chǎn)生一個(gè)對應(yīng)控制轉(zhuǎn)換速率的采集信號，使A/D轉(zhuǎn)換器按設(shè)定的轉(zhuǎn)換速率對輸入信號進(jìn)行采集；另一方面，使寫地址計(jì)數(shù)器按順序遞增，以選通RAM中對應(yīng)的存儲(chǔ)單元。為了保證下一個(gè)數(shù)據(jù)能可靠寫入到對應(yīng)的存儲(chǔ)單元中，應(yīng)安排在時(shí)鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入到存儲(chǔ)器，在其下降沿將地址計(jì)數(shù)器加1。一旦200個(gè)存儲(chǔ)單元寫滿，就完成了一個(gè)寫入循環(huán)。 第48頁/共

40、65頁2. 采樣與存儲(chǔ)控制電路的設(shè)計(jì) t /div 控制器用于控制 A/D 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率和對應(yīng)的存儲(chǔ)器的寫入地址，它是采集與存儲(chǔ)控制電路的核心。t /div 控制器實(shí)際上是一個(gè)時(shí)基分頻器，題目要求掃描速度范圍在0.2s/div20s/div之間，水平分辨率為20點(diǎn)/div，則根據(jù)式(8.1)進(jìn)行推算，得A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的范圍在100Hz1MHz之間。若考慮Autoscale功能的要求，應(yīng)按1-2-5分配原則設(shè)置13擋掃描速度量程。經(jīng)計(jì)算得到不同 t/div 擋與對應(yīng)轉(zhuǎn)換速率的關(guān)系如表所示。第49頁/共65頁3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì) 波形顯示控制電路一般由時(shí)鐘、讀地址計(jì)數(shù)器、RAM讀控制

41、等部分組成，用以控制雙口RAM的一組地址和控制總線。波形顯示控制電路和采集與存儲(chǔ)控制電路在邏輯關(guān)系上是可以分離的，但在設(shè)計(jì)中兩者可以設(shè)計(jì)在同一可編程邏輯器件中。 數(shù)字存儲(chǔ)示波器區(qū)別于模擬示波器的一個(gè)重要方面是，波形的顯示與波形的采集和存儲(chǔ)在管理上是分離的，即不管數(shù)據(jù)以何種速度寫入到存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)均以固定的速度讀出，因而可以得到清晰而穩(wěn)定的波形。這樣我們就可以無閃爍地觀察極慢信號，同時(shí)也可以穩(wěn)定地顯示很高頻率的信號。這是模擬示波器所不能及的。第50頁/共65頁3. 波形顯示電路的設(shè)計(jì) 簡易數(shù)字存儲(chǔ)示波器的控制電路如圖所示。圖中，讀地址計(jì)數(shù)器一方面提供連續(xù)的RAM讀地址，依次將存儲(chǔ)器

42、中的波形數(shù)據(jù)送至D/A轉(zhuǎn)換器恢復(fù)為模擬信號() ，然后送至示波器CRT的Y軸；另一方面，提供的地址信號也同時(shí)經(jīng)另一D/A轉(zhuǎn)換器形成鋸齒階梯波送至CRT的X軸做同步的掃描信號() 。很顯然，由于()和() 信號都來源于同一地址發(fā)生器，因而在顯示屏上形成的波形非常穩(wěn)定。第51頁/共65頁 三、 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 在數(shù)字存儲(chǔ)示波器軟件的作用除表現(xiàn)在底層控制和人機(jī)界面的控制外，更重要的是體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理方面。這是因?yàn)楸粶y信號已按預(yù)定的速率取樣、量化并存儲(chǔ)在儀器中，因而通過軟件可以很自如地對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行各種處理，從而擴(kuò)展出許多儀器功能。例如基于幅度和頻率測量算法的自動(dòng)測試功能基于幅度和頻率測量算法的自動(dòng)測試

43、功能： 這類算法的主要思想是：通過查找存儲(chǔ)在RAM中波形數(shù)據(jù)的最大值、最小值以及過零值等特征數(shù)據(jù)，按照定義計(jì)算出信號的頻率、周期、峰峰值、有效值等波形參數(shù)。這里特別要說明Autoscale功能，由于儀器已具備測頻和測幅的功能，所以儀器就能根據(jù)已經(jīng)測得的信號頻率和幅度，計(jì)算并設(shè)置好最合理的垂直靈敏度及掃描速度量程，使信號波形能自動(dòng)地以適當(dāng)?shù)姆群椭芷跀?shù)穩(wěn)定地顯示在示波器的屏幕上。該功能實(shí)際上是一個(gè)二維的自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換功能。 第52頁/共65頁8.3.2 等效時(shí)間取樣方式數(shù)字示波器的設(shè)計(jì) 本節(jié)擬通過對探地雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及回波顯示系統(tǒng)的分析，討論基于等效時(shí)間取樣方式的數(shù)字存儲(chǔ)示波器的設(shè)計(jì)方

44、法。探地雷達(dá)的回波信號有兩個(gè)特點(diǎn)：一是回波信號的最高頻率分量高達(dá)GHz量級，這就對A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換速率提出了很高的要求；二是信號幅度變化的動(dòng)態(tài)范圍很大，要求采用1416位A/D轉(zhuǎn)換器。很顯然，如果采用實(shí)時(shí)取樣方式，這種高轉(zhuǎn)換速率、高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，無論從技術(shù)條件還是從價(jià)格上都是困難的。所幸的是，探地雷達(dá)回波信號在一定的時(shí)間內(nèi)(ms級)，可以認(rèn)為是重復(fù)出現(xiàn)的周期信號。因此，該系統(tǒng)采用等效時(shí)間取樣方案是非常合適的。 第53頁/共65頁擬定的探地雷達(dá)回波信號數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖如圖示。系統(tǒng)采用了“CPLD單片機(jī)PC機(jī)”三層控制方案。 底層控制由以CPLD為核心的高速控制邏輯電路構(gòu)成，直接控制

45、高速數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)倪^程；中層控制由單片機(jī)組成，一方面接收并執(zhí)行由PC機(jī)發(fā)送的控制命令，實(shí)施對底層控制器的控制，同時(shí)將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出并迅速上傳至PC機(jī)；上層控制由便攜式PC機(jī)完成，一方面為用戶提供一個(gè)操作窗口，完成對儀器功能和參數(shù)的設(shè)置，向單片機(jī)發(fā)送相關(guān)的控制命令；另一方面，實(shí)時(shí)接收單片機(jī)上傳的回波信號數(shù)據(jù)，并進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理及顯示波形。 第54頁/共65頁系統(tǒng)的時(shí)基電路按照PC機(jī)的設(shè)置，產(chǎn)生具有特定頻率的觸發(fā)脈沖信號，該信號一路送至發(fā)射天線裝置，以產(chǎn)生用于向地下發(fā)射的ns級寬度的窄脈沖電磁波信號；電磁波在地下不同介質(zhì)的界面上會(huì)產(chǎn)生反射而形成一系列回波信號，這些回波信號由接收天線接收

46、后經(jīng)過低噪放大，送往取樣門電路；時(shí)基電路送出的觸發(fā)脈沖信號也同時(shí)送給步進(jìn)脈沖系統(tǒng)，以產(chǎn)生步進(jìn)脈沖信號，步進(jìn)脈沖信號經(jīng)取樣脈沖發(fā)生器整形成取樣脈沖，送往取樣門電路對回波信號進(jìn)行取樣；取樣后的回波信號經(jīng)保持放大電路處理，就變成了拉寬的低頻信號，然后再將該信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并經(jīng)FIFO存儲(chǔ)器的緩沖，傳輸?shù)絇C機(jī)進(jìn)行后處理及顯示；為保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)向PC機(jī)傳輸?shù)乃俣龋瑔纹瑱C(jī)與PC機(jī)接口采用USB總線。系統(tǒng)的工作流程如下本節(jié)側(cè)重分析步進(jìn)系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路，取樣電路，數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及高速傳輸電路三部分的原理。 第55頁/共65頁 一、步進(jìn)脈沖系統(tǒng)及步進(jìn)控制電路 功能：產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)取樣門電路取樣的取樣脈沖信號和啟

47、動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換的步進(jìn)脈沖信號。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)產(chǎn)生的步進(jìn)脈沖的最小步進(jìn)時(shí)間達(dá)到0.1ns。 步進(jìn)脈沖系統(tǒng)由斜波發(fā)生器、比較器及輔助電路等部分組成，原理見8.2.2節(jié)的介紹 。本例設(shè)計(jì)的系統(tǒng)采用了美國數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器AD 9500芯片，不僅集成了斜波發(fā)生器、比較器等電路，而且還內(nèi)置了D/A轉(zhuǎn)換器及鎖存器。使用時(shí)只需要提供外部觸發(fā)信號以及控制步進(jìn)延時(shí)的數(shù)據(jù)，就能產(chǎn)生最小步進(jìn)延時(shí)達(dá)10ps的步進(jìn)脈沖信號。若使用可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)對AD 9500的控制，則整個(gè)步進(jìn)系統(tǒng)的電路將會(huì)大幅度簡化，使系統(tǒng)的可靠性進(jìn)一步增強(qiáng)。 第56頁/共65頁AD 9500是8位數(shù)字可編程延時(shí)發(fā)生器，其功能方框圖內(nèi)部定時(shí)圖如圖所示。 AD 9500的核心部件線性斜波發(fā)生器由差分模擬輸入級、定時(shí)控制電路、基準(zhǔn)電流、外接電容CEXT和外接電阻RSET等組成。從觸發(fā)到比較器翻轉(zhuǎn)之間的這段時(shí)間間隔就是AD 9500的總延時(shí) t，其值由斜波的斜率和加在內(nèi)置DAC輸入端D