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信号波形测量（二）

信号波形测量（二）. 测试技术及仪器研究所 曾 浩. 主楼 C2-305. zenghao_zxy@163.com. 综合设计. 设计一款等效采样率为 125MSPS 的数字存储示波器 模拟带宽： 5 MHz 实时采样率： ≤10 MSPS 等效采样率： ≥ 125MSPS 垂直分辨率： 8bit 存储深度： 2.5kpts 触发模式： 边沿触发、脉宽触发（可选） 时基： 200ns/div 、1μs/div、 5 0μ s/div 、1m s/div

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信号波形测量（二）

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  1. 信号波形测量（二） 测试技术及仪器研究所 曾 浩 主楼C2-305 zenghao_zxy@163.com

  2. 综合设计 设计一款等效采样率为125MSPS的数字存储示波器 • 模拟带宽： 5MHz • 实时采样率： ≤10MSPS 等效采样率： ≥125MSPS • 垂直分辨率： 8bit • 存储深度： 2.5kpts • 触发模式： 边沿触发、脉宽触发（可选） • 时基： 200ns/div、1μs/div、50μs/div、1ms/div • 垂直灵敏度： 50mV/div、100mV/div、200mV • 波形显示区： 水平10div*垂直8div，水平显示分辨率≥25点/div • 显示方式： 自由发挥（LCD、模拟示波器、计算机）

  3. 综合设计 • 所涉及到的知识 • 电子测量原理之信号波形测量 • 模拟电路、数字逻辑、电路分析 • 信号与系统、数字信号处理 • 单片机/DSP、C语言、Verilog语言

  4. 综合设计 • 设计要求： • 自由组队，每组不超过3人； • 在规定时间内撰写综合设计的方案论证报告； • 方案论证报告评估并答辩，由老师从中筛选出3组同学，进行实物设计，并给予各种条件和经费的支持。

  5. 综合设计 方案论证报告的具体要求： • 系统方案：方案的比较和选择、系统方案的总体描述、系统框图 • 拟达到的主要技术指标 • 拟采取的具体实施方案（包含详细的软硬件方案、关键元器件的选择） • 关键技术及可行性分析 • 时间安排、人员分工及经费需求

  6. 本阶段主要内容 • 数字存储示波器原理与设计（4） • 数字三维示波器原理与设计（2） • 取样示波器和数字采样示波器原理（1） • 示波器的应用（1） • 互动环节：关于示波器的讨论（2） • 示波器专题与前沿讲座（2）

  7. 互动环节 小paper： • 串行协议解码与分析在数字示波器中的应用 • 并行采样与校正技术在示波器中的应用 • 如何用示波器测量电源纹波？ • 数字示波器体系结构与波形捕获率的关系 • 关于综合设计的讨论 • 数字示波器的自动设置功能是如何实现的？ • 其它有关示波器技术或应用方面的话题 要求：任选一个题目，最多三人一组

  8. 幅频特性曲线 100%（0dB） 71%（-3dB） 只能测量低频交流的仪表在处也下滑。 示波器的带宽（BW） 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 1．模拟带宽和上升时间tr • 模拟带宽 定义：示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，显示屏上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下降3dB时，其下限到上限频率的范围。

  9. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 1．模拟带宽和上升时间tr 上升时间tr与模拟带宽密切相关，反映示波器跟随输入信号快速变化的能力。 • 模拟带宽

  10. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 2．采样率 • 单位时间内对信号进行采样的次数（Sa/s或SPS）。 • 最高实时采样率的大小通常由示波器所选择的A/D转换器的采样率决定。 • 最高等效采样率的大小是根据示波器显示器的分辨率和最快时基来确定

  11. 模拟和数字示波器的比较

  12. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 3．存储深度 • 表示示波器在最高实时采样率下连续采集并存储采样点的能力，通常用采样点数（pts）表示。 • 最大存储深度由示波器的存储器容量决定，增加存储深度可通过外部存储器实现。 • 存储深度越深越利于观察波形细节

  13. 普通存储与深存储比对 展宽后无法观测到正常波形 10MHz正弦波 普通存储 展宽后可以观测到正常波形 10MHz正弦波 深存储

  14. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 4. 波形捕获率 • 单位时间内示波器所能捕获并显示的波形幅数，通常以波形幅数/秒（wfms/s）表示。 • “死区时间”的概念。

  15. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 4. 波形捕获率

  16. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 4. 波形捕获率 死区时间对测量的影响：

  17. 一.数字示波器原理与设计 • 主要技术指标 5．时基 时基是示波器的水平刻度，是时间显示的基本单位。通常以水平方向上单位显示长度（一格）所代表的时间（s/div）来表示。 6．垂直灵敏度 垂直灵敏度是示波器的垂直刻度，是电压显示的基本单位，也称电压档。单位输入电压变化所产生的垂直方向上显示值的变化，通常以垂直方向上单位显示长度（一格）所代表的电压值（V/div）来表示。

  18. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，简称为DSO）

  19. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 数字三维示波器（Digital Three-dimensional Oscilloscope，简称为DTO） • 数字荧光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope，简称为DPO）

  20. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 数字采样示波器

  21. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 手持式数字示波表

  22. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 混合信号示波器（MSO）

  23. 一.数字示波器原理与设计 • 数字示波器： • 混合域示波器（MDO）

  24. 一.数字示波器原理与设计 • 数字存储示波器基本组成

  25. LCD显示器 CH1 信号调理 接口 USB等 ADC 数据 转换器 FPGA DSP 数字 信号 处理器 CH2 信号调理 键盘 RAM 程序、数据存储器 触发通道 一.数字示波器原理与设计 • 数字存储示波器基本组成

  26. 一.数字示波器原理与设计 • 信号调理通道原理

  27. 一.数字示波器原理与设计 • 交直流耦合控制 控制开关通常采用干簧继电器来实现

  28. 一.数字示波器原理与设计 • 无源衰减网络

  29. 一.数字示波器原理与设计 • 阻抗变换网络 隔离前后级电路之间的影响，增加对后级的驱动能力

  30. 一.数字示波器原理与设计 • 数控增益运放 增益细调

  31. 一.数字示波器原理与设计 • 压控增益运放（VGA） 增益细调

  32. 一.数字示波器原理与设计 • ADC驱动级

  33. 一.数字示波器原理与设计 • 通道的控制 • 耦合方式控制 • 无源衰减控制 • 有源放大控制 • 带宽限制控制 • 并行采样信源控制 干簧继电器内部结构图

  34. 一.数字示波器原理与设计 • 偏置调节与增益 控制电路 • 一般选用多通道的高精度DAC（12bit以上）

  35. 一.数字示波器原理与设计 • 偏置调节与增益 控制电路 • 思考： 偏置调节功能能否用软件实现？

  36. 一.数字示波器原理与设计 • 触发通道原理

  37. 一.数字示波器原理与设计 • 触发通道原理

  38. 一.数字示波器原理与设计 • 触发通道原理

  39. 边沿触发 触发原理：在输入信号边沿的触发阈值上触发 输出差分对 触发信号 触发电平 触发灵敏度 一.数字示波器原理与设计 Page40

  40. 边沿触发 适合信号：正弦波、方波等 上升沿、下降沿同时触发 一.数字示波器原理与设计 Page41

  41. 脉宽触发 触发原理：根据脉冲的宽度来确定触发时刻 输出差分对 触发信号 触发信号 触发电平 触发灵敏度 输出差分信号 计数脉冲（10ns） 20ns 一.数字示波器原理与设计 Page42

  42. 脉宽触发 适合信号：方波、脉冲信号等 一.数字示波器原理与设计 Page43

  43. 斜率触发 触发原理：依据信号的上升/下降时间来判断 触发信号 输出差分对 触发信号 触发电平1 触发电平2 触发灵敏度 输出差分信号 计数脉冲（10ns） 70ns 一.数字示波器原理与设计 Page44

  44. 斜率触发 适合信号：三角波、锯齿波等 一.数字示波器原理与设计 Page45

  45. 一.数字示波器原理与设计 • 视频信号

  46. 视频触发 触发原理：对标准视频信号进行任意行或场触发。 适合信号：视频信号 一.数字示波器原理与设计 Page47

  47. 交替触发 触发原理：稳定触发不同步信号 适合信号：双通道模拟信号 一.数字示波器原理与设计 Page48

  48. 码型触发 适合信号：数字信号 一.数字示波器原理与设计 Page49

  49. 持续时间触发 触发原理：在满足码型条件后的指定时间内触发 适合信号：数字信号 一.数字示波器原理与设计 Page50

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