数字存储示波器组成及原理
中国地质大学（北京）
课程期末考试
论文（读书报告）
课程名称：电子测量技术
任课教师：王会敏
学 时：64
开课院系：地球物理与信息技术
开课时间：2010.2~7
数字存储示波器组成及原理
数字存储示波器是20世纪70年代初发展起来的一种新型示波器。这种类型的示波器可以方便地实现对模拟信号波形进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号做进一步的处理，例如对被测波形的频率、幅值、前后沿时间、平均值等参数的自动测量以及多种复杂的处理。数字存储示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革。
一、 概述
1.1 数字存储示波器的组成原理
与模拟示波器类似数字存储示波器原理框图如图1-1所示
图1-1 数字示波器组成框图
1.2 数字存储示波器的主要技术指标
最大取样速率
最大取样速率是指单位时间内完成的完整 A／D 转换的最高次数。最大取样速率主要由 A／D转换器的最高转换速率来决定。 最大取样速率愈高，仪器捕捉信号的能力愈强。数字存储示波器在某个测量时刻的实际取样速率可根据示波器当时设定的扫描时间因数推算。其推算公式为：
…… （1.1）
式中，N——每格的取样数；t/div——扫描时间因数，扫描一格所占用的时间。亦称扫描速度，例如， 若某数字示波器的扫描时间因数设定为10μs/div， 每格取样数为100点，则此时的取样速率等于10MHz。
很显然，数字示波器最大取样速率与示波器最快扫描速度相对应。若该数字示波器最快扫描速度为100μs/div，则其为1GHz。
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信号最高频率分量的2倍，便可重现原信号波形。实际上，在数字存储示波器的设计中，为保证显示波形的分辨率，往往要求增加更多的取样点， 一般一个周期取4～10点。
3． 分辨率
分辨率用于反映存储信号波形细节的综合特性。分辨率包括垂直分辨率和水平分辨率。垂直分辨率与 A/D 转换器的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数 (级/div) 表示。水平分辨率由存储器的容量来决定，常以屏幕每格含多少个取样点（点/div）表示。
4． 存储容量
存储容量又称记录长度，用记录一帧波形数据占有的存储容量来表示，常以字（word）为单位。存储容量与水平分辨率在数值上互为倒数关系。数字存储器的存储容量通常采用 256B，512B，1KB，4KB 等。存储容量愈大，水平分辨率就愈高。但存储容量并非越大越好，由于仪器最高取样速率的限制，若存储容量选取不恰当，往往会因时间窗口缩短而失去信号的重要成分，或者因时间窗口增大而使水平分辨率降低。
5． 读出速度
读出速度是指将存储的数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div表示。其中，时间等于屏幕中每格内对应的存储容量×读脉冲周期。使用时，示波器应根据显示器、记录装置或打印机等对速度的不同要求，选择不同的读出速度。
1.3 数字存储示波器的主要优缺点
数字存储示波器与模拟示波器相比较有下述几个特点。
(1) 数字存储示波器在存储工作阶段，对快速信号采用较高的速率进行取样与存储，对慢速信号采用较低速率进行取样与存储，但在显示工作阶段，其读出速度采取了一个固定的速率，不受取样速率的限制，因而可以获得清晰而稳定的波形。
(2) 数字存储示波器能长时间地保存信号。这种特性对观察单次出现的瞬变信号尤为有利。
(3) 具有多种触发功能。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，这对材料强度、地震研究、生物机能实验提供了有利的工具。除此之外，数字存储示波器还可以向用户提供边缘触发、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，方便、准确地对电信号进行分析。
(4) 测量精度高。数字存储示波器由于使用晶振作高稳定时钟，有很高的测时精度。采用多位A/D转换器也使幅度测量精度大大提高。有效地克服示波管对测量精度的影响。
(5) 具有很强的处理能力，这是由于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与显示。
(6) 具有数字信号的输入/输出功能，可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算或分析处理。
但是，数字存储示波器也有它的局限性，例如，由于受 A/D转换器最大转换速率等因素的影响，数字存储示波器目前还不能用于观测频率较高的信号。
二、 数字存储示波器的原理分析
2.1 实时取样方式的采集原理
实时取样是指对波形进行等时间间隔取样，按照取样先后的次序进行A/D转换并存入存储器中。实时取样方式的采集电路如图2-1所示。
图2-1 实时取样采集电路原理
2.1.1 取样与A/D转换原理
１、取样
取样即连续波形的离散化，其方法可。把模拟波形送到加有反偏的取样门的a点，在c点加入等间隔取样脉冲，则对应时间 tn (n＝1,2,3,…) 取样脉冲打开取样门的瞬间，在b点就得到相应的模拟量an(n＝1,2,3,…)，这个模拟量an 就是取样后得到的离散化的模拟量。 见图2-2所示。
2、A/D转换
把an中的每一个离散模拟量进行A/D转换，就可以得到相应的数字量。例如经过转换以后，a1→ A/D→01H；a2→A/D→02H；a3→ A/D→03H；… a7→ A/D→01H。再把这些数字量按序存放在存储器中，就相当于把一幅模拟波形以数字量的形式存储起来，A/D转换器是波形采集的关键部件。它决定了示波器的最大取样速率、存储带宽以及垂直分辨率等多项指标。目前存储示波器采用的A/D转换的形式有逐次比较型、并联比较型、串并联型以及CCD器件与A/D转换器相配合的形式等。
图2-2 信号采样过程
2.1.2 扫描速度t/div 控制器
扫描速度t/div控制器实际上是一个时基分频器，用于控制A/D 转换速率以及存储器的写入速度，它由一个准确度、稳定性很好的晶体振荡器、一组分频器和相应的组合电路组成。
2.1.3 写地址计数器
写地址计数器用来产生写地址信号，它由二进制计数器组成，计数器的位数由存储长度来决定。写地址计数器的计数频率应该与控制A/D转换器的取样时钟的频率相同。
2.1.4 预置触发功能
预置触发功能含正延迟触发和负延迟触发两种情况。并且正负延迟及延迟时间都可以进行预置。在数字存储示波器中预置触发可以通过控制存储器的写操作过程来实现。在常态触发状态，当被测信号大于预置电平时，触发电路便产生触发信号，于是存储器就从零地址开始写入采集的数据，设示波器的存储容量为1024，则当写满1 024个单元后便停止写操作。显示也从零地址开始读数据，则对应示波器屏幕上显示的信号便是触发点开始后的波形。
1、正延迟
在正延迟时，触发信号到来后，存储器不立即写入数据，而是延迟N次取样之后才开始写入。这样当显示时，示波器屏幕上显示的信号便是触发点之后N个取样点的波形。这等效于示波器的时间窗口右移。
2、负延迟
在负延迟时，触发信号到来前，存储器信号便就一直处于0～1023单元不断循环写入的过程中，当写满1024个单元之后，新内容将覆盖旧内容继续写入。当触发信号到来后，使存储器再写入1024～N个取样点之后停止写操作。显示时，不是从零地址读数据， 而是从停止写操作时地址的下一个地址作为显示首地址连续读1024个单元的内容。这样，示波器屏幕上显示的便是触发点之前N次取样点为起点的波形，这等于示波器的时间窗口左移。
2.2 波形显示技术
经过信号的采样与存储以后，将信号进行显示是仪器工作的最后环节，对于数字示波器有多种波形显示技术，如存储显示、双踪显示、锁存和半存显示、滚动显示、点显示与插值显示等波形显示技术，不同的波形显示方法有不同的特点，在不同的要求下可以选择不同的技术。现在就存储显示方法进行讨论。
存储显示是数字存储示波器最基本的显示方式。它显示的波形是触发后所存储的一帧波形信号，即在一次触发所完成的一帧信号数据采集之后，再通过控制存储器的地址依次将数据读出，并经D/A转换稳定地显示在CRT上。
依照读出方法的不同，又可分为直接控制方式和CPU控制方式。下面以直接控制方式为例说明。这种显示特点是数据传输不再经过CPU，而直接对内存进行读/写操作，因此速度快。显示原理见图2-3
图2-3 直接控制方式显示
由上图可以看出，一方面，地址计数器在显示时钟的驱动下， 产生的连续地址信号依次将存储器中的波形数据连续地送至D/A转换器，然后将恢复的模拟量送至CRT的Y轴；另一方面， 地址计数器提供的地址信号经另一D/A转换器形成阶梯波送至CRT的X轴作同步的扫描信号。在CRT屏幕上便形成了被显示的模拟波形。很显然，这种方式的数据传输速度取决于时钟的速率，速度较快。
而CPU控制方式显示的特点： 无论是Y轴还是X轴的数据，都必须通过CPU传输，数据传输速度受到一定的限制。
在连续触发显示方式下，每满足一次触发条件，就完成一帧数据的取样与存储，同时，屏幕上原来的显示波形就被新存储的数据更新一次。单次触发显示只不断显示一次触发而取样与存储的数据波形。
2..3 波形参数的测量与处理
几乎所有微机化的数字示波器都充分地利用内部微处理器系统以及A/D 转换器等硬件，构成多种测量及数据处理能力，使数字示波器成为一台功能很强大的测量仪器。数字示波器的测量及处理功能包括：波形上任意两点间的电位差（ΔU）以及时间差（Δt）的测量、波形的前后沿时间测量、峰-峰值测量、有效值测量、频率测量、显示波形平均值处理、两波形的加、减、乘运算、波形的频谱分析等。
现在以ΔU与Δt测量、两波形相加处理为代表，讨论波形参数的测量与处理的一般原理及方法。波形上任意两点间的电位差(ΔU)和时间差(Δt)的测量 一般采用加亮标志法或光标标志法。
加亮标志法是将欲测量的波形段加亮进行标志，而光标标志法是通过设置两条水平光标线或两条垂直光标线对波形被测部分进行标志。
波形加亮部分的起点和终点，或者光标线的位置，可通过面板相应按键的控制下作步进式的移动，波形加亮部分的起点和终点或光标线与波形的交点，对应于信号存储器中的相应数据，当设置不同的测量项目时，仪器即可在测量程序控制下实现不同的测量目的，并将测量结果直接显示在CRT上。
为了测量ΔU、Δt的大小， 通常应将扫描时间因数 (t/div) 和灵敏度(mＶ/div)分挡编成代码，并与波形代码一起存入存储器，最后，再把代表扫描时间因数二进制代码放在一个字节的高5位，代表灵敏度的二进制代码放在同一字节的低3位，并在每次存储一页波形数据时，把这一字节内容也存放在同一页面的某个单元（如0号单元）。具体加亮标志法Δt 测量原理如下。
设波形由255个点组成，当扫描时间因数确定之后，每两点之间的步进时间Tstep便是确定的。若想测量波形某一部分的时间Δt，只需把这一部分加亮，把加亮部分的点数求出来，用点数乘以步进时间Tstep即可求出Δt
求解Δt 的步骤：
1、根据扫描时间因数确定步进时间 Tstep ；
2、求出测量波形（加亮部分）的点数；
3、 Δt = 点数×Tstep。
步进时间Tstep是随不同的扫描时间而变的，此时只要把存放在波形页面中0号地址的内容取出来，根据它的高5位代码就可以确定步进时间及单位。
三、总结
数字示波器采用了数字电路经过A/D变换后将模拟信号变换成数字信号，进行存储，当需要显示的时候，再从存储器中读出通过D/A变换，将数字信号再变换成模拟信号进行显示，具有存储时间长，能捕捉触发前的信号，可以通过接口与计算机连成系统，分析复杂的单次瞬变信号，显示出其强大的生命力，迅速发展，在现在化的各行各业得到了广泛的应用。
参考文献 ：[1] 李希文 赵建《电子测量技术》
[2] 基于双MCU的简易数字示波器设计--《沈阳师范大学学报(自然科学版)
[3] 数字存储示波器 [电子通讯]
数字存储示波器组成及原理.doc
