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06/2009|FundamentalsofDSOs|1现代数字示波器–基本原理陈嵩锐Rev.106/2009|FundamentalsofDSOs|2议程–现代数字示波器技术l基本介绍l时域测量需求推动示波器出现l从模拟到数字–示波器技术的演变l数字示波器各功能块介绍l垂直系统l水平系统l触发系统l采集处理系统l探头介绍l总结06/2009|FundamentalsofDSOs|3对信号的时频分析概念时域频域06/2009|FundamentalsofDSOs|4R&S提供的很多仪表都可以提供简单时域测试测量功能，主要还是以频域参数测量为主，如频谱分析仪、矢量网络分析仪等R&S的测试仪表已经可以支持时域测试功能06/2009|FundamentalsofDSOs|5时域测试的主要设备－示波器在电子工业领域……示波器必不可少电力线(模拟信号)电视信号(复杂模拟信号)数据总线(数字信号)06/2009|FundamentalsofDSOs|6示波器的应用领域一般调试等频谱、直方图、模版测试等时域分析分析功能串行总线I2C,SPI,RS-232-C,CAN,LIN,FlexRay记录研究捕获率、触发功能快速、易于使用触发及解码存储深度、历史视图信号保真度06/2009|FundamentalsofDSOs|7示波器－无处不在通信军用系统计算机和消费类电子产品工业和自动化测试科教领域研制开发调试生产安装维护06/2009|FundamentalsofDSOs|8示波器历史-从模拟到数字韦伯斯特,1906:“一台将变化的电量通过阴极射线管的荧光屏暂时表现出可见波形的仪器.”TheGeneralRadioOscilloscope(1931),withsweepcircuit(right).HorizSweepVertAmpDelayLineTriggerDisplayAmp1998:能对电信号进行视觉观察和测量的仪器06/2009|FundamentalsofDSOs|9示波器历史-从模拟到数字l5MHz带宽lARTl边沿触发l经过校准的放大器和时基Type511FirstTektronixOscilloscope06/2009|FundamentalsofDSOs|10从数字到模拟–模拟示波器模拟实时示波器(ART)原理框图06/2009|FundamentalsofDSOs|11l实时信号显示-采用电子管技术l由垂直和水平偏转系统构成-各自带有一对偏转板l施加在偏转板间的电压驱动信号亮点移动l通过偏转板的电子流轰击阴极射线管（CRT）的荧光屏形成亮线轨迹模拟示波器的缺点：l采用CRT显示,没有颜色等级l测量带宽只能到几百兆l没有高级触发功能和预触发能力l无法存储波形和处理波形从数字到模拟–模拟示波器06/2009|FundamentalsofDSOs|121980计算机技术LSI(大规模集成电路)数字信号数据混合信号环境越来越快的处理器速度系统集成品质保证信号数据高频影响归档的要求市场驱动用户面临的挑战1950军方电子显像管技术新兴固态电子技术广播电视器件特性的不同信号边沿和波形形状数字模拟示波器技术从数字到模拟–示波器的演变06/2009|FundamentalsofDSOs|13l垂直系统通过衰减器和垂直放大器保证信号能够以最佳的幅度值输入到模数转换器(ADC)l位于采集系统的ADC在离散的时间点上对模拟信号进行采集，将这些时刻点上的电压值转换为数字值来表示，也成为采样点从数字到模拟–示波器的演变06/2009|FundamentalsofDSOs|14l水平系统的采样时钟决定ADC多长时间采集一个样本点，把这个时钟速率称为采样率，也就是一秒钟采集的样本数lADC采集的样本点存在存储器中，组成波形记录长度从数字到模拟–示波器的演变06/2009|FundamentalsofDSOs|15数字存储示波器的好处l存储波形l捕获罕见的异常事件l先进的触发功能l显示触发事件之前的信息l去除噪声l具有更精确的时基l彩色显示l信号处理(averaging,FFT)l传输/拷贝存储的波形HMO3000Series06/2009|FundamentalsofDSOs|16数字存储示波器的缺点l有限的波形捕获速率l由于数据信息不足产生混叠l没有亮度等级(信息出现的分布)06/2009|FundamentalsofDSOs|17议程–现代数字示波器技术l基本介绍l时域测量需求推动示波器出现l从模拟到数字–示波器技术的演变l数字示波器各功能块介绍l垂直系统l水平系统l触发系统l采集处理系统l探头介绍l总结06/2009|FundamentalsofDSOs|18数字示波器功能模块垂直系统ADCAcquisitionProcessingMemoryPost-ProcessingDisplayTriggerSystemHorizontalSystemAtt.AmpAmpVerticalSystem06/2009|FundamentalsofDSOs|19示波器的带宽（模拟带宽）0dB6divat50kHz-3dB4.2divatbandwidthVV0.7070.707V,V,ffBWBW06/2009|FundamentalsofDSOs|20带宽对测试结果的影响06/2009|FundamentalsofDSOs|21带宽和谐波分量的关系DigitalSquareWave–OddFourierSums-101050100Fundamental(1stHarmonic)5thHarmonic3rdHarmonicFourierSquareWave(1st-5thH)06/2009|FundamentalsofDSOs|22系统带宽l由于带宽和上升时间成倒数关系故其公式如下：l由此式也可看出，示波器及探头的带宽越宽，则对测量带宽的影响越小，也就是说测量带宽越接近信号带宽。2221111++=探头带宽示波器带宽信号带宽测量带宽06/2009|FundamentalsofDSOs|23l示波器的上升时间（Tr），可定义为示波器前置放大器的阶跃响应时间。这个指标反映的是示波器前置放大器的瞬态响应能力。可评估放大器的相位响应能力。若示波器前置放大器模型是低通滤波器(一阶)模型，则其带宽(BW)可用公式（0.35/Tr）来计算，也就是说BWxTr=0.35，若示波器放大器模型不是一阶低通滤波器，则tr与BW的乘积会更高，比如0.4、0.45等信号带宽v.s.上升时间0.9V0.1VVV上升时间(tr)BW=0.35/tr06/2009|FundamentalsofDSOs|24l示波器的带宽—影响转换时间(Transition-time)的测量值–低通滤波器(一阶)的效应(带宽X上升时间=0.35)–测量值是系统的合成结果(示波器带宽需大于输入信号带宽)–使用350MHz带宽，即1ns上升时间(0.35/350M)的示波器，测量上升时间为1ns的方波信号(示波器带宽等于输入信号带宽时)测量值如下:–使用1GHz带宽，即350ps上升时间(0.35/1G)的示波器(示波器带宽大于输入信号带宽3倍)测量值如下:示波器带宽v.s.上升时间()()22上升时间上升时间上升时间示波器信号信号测量值+=()()nsnsns41.11122=+=上升时间测量值()()nspsns06.1350122=+=上升时间测量值06/2009|FundamentalsofDSOs|25数字示波器功能模块垂直系统–模数转换器ADCAcquisitionProcessingDisplayTriggerSystemHorizontalSystemAtt.AmpAmpVerticalSystemMemoryPost-Processing06/2009|FundamentalsofDSOs|26模数转换器(ADC)l模数转换器（ADC）是示波器的核心器件之一l大部分示波器使用的都是8-bit的ADCl示波器厂家使用的ADC器件都是专门定制，无法在市场上买到l高度敏感的技术l参数:l采样率:ADC的时钟频率–典型值是示波器带宽的5倍06/2009|FundamentalsofDSOs|27模数转换器(ADC)采样l采样点等时间间隔分布l采样率以样点数/秒描述(S/s,kS/s,MS/s,GS/s)在特定的时间点采集输入信号的值MemoryStorage10111001101110011111010100110110.....SamplingDigitizing(Sample,Hold)(ConverttoNumber)(SequenceStore)10111001ScopeScreen06/2009|FundamentalsofDSOs|28模拟转换器–分辨率l由输入电压范围和ADC比特位决定的垂直量化误差l举例:Inputvoltage=5V,8-bitADC=19.5mV/bitExample:Zoom06/2009|FundamentalsofDSOs|29输入范围l输入的范围和位置直接影响到示波器的分辨率和波形幅度l示波器10格满屏对应ADC范围信号幅度:0.5VScale/div=50mV/divScale/div=100mV/divADC分辨率为8bit=0.2mV/bitADC分辨率变差8bit=0.4mV/bit06/2009|FundamentalsofDSOs|30VerticalSystemADCAcquisitionProcessingDisplayTriggerSystemHorizontalSystemAtt.AmpAmp采样方法&采集模式MemoryPost-Processing06/2009|FundamentalsofDSOs|31支持3种采样模式4完全实时模式(RT)0样点都是实际采样的点4内插实时模式(IT)（业界唯一）0“IT”字符会显示在采样率字符的后面0样点既包括实际采样的点，也包括内插的点0支持到400x的内插，点间隔达到250fs4等效时间模式(ET)0“ET”字符会显示在采样率字符的后面0一个波形由多次触发完成，样点之间间隔可达到250fs06/2009|FundamentalsofDSOs|32实时采样(RT)后置触发前置触发触发点–信号输入示波器，触发后，一次采样完成所要的数据。–可以选择前置及后置触发的长短。–具有相同的采样时间间隔。–基于Nyquist（奈奎斯特）理论，采样率最少要大于输入信号带宽的2倍。现实中，以R&S的示波器为例，配合SinX/X的內插(Interpolation)技术，可以5倍的采样率，将信号还原。–适用于采集突发或间歇性信号(singleshot)。–实时内插模式（IT）06/2009|FundamentalsofDSOs|33实时内插采样(IT)触发点–信号输入示波器，触发后，一次采样完成所要的数据。–IT”字符会显示在采样率字符的后面–样点既包括实际采样的点，也包括内插的点–支持到400x的内插，点间隔达到250fs后置触发前置触发06/2009|FundamentalsofDSOs|34等时采样，利用重复采样技术，经过许多触发采集循环，来重组一周期性高频波形。l适用于周期性信号。l实时采样频率可以低于奈奎斯特采样频率。l提供周期性信号更高的时间清晰度。等效采样(ET)06/2009|FundamentalsofDSOs|35实际混叠l无法纠正因为波形内最大正弦波频率大于数字采样率的1/2l重构出错误的混叠波形Nyquist(奈奎斯特)理论例子-输入1GHz正弦波信号-采样率:750MSa/s-混叠:250MHz输入信号混叠06/2009|FundamentalsofDSOs|36插值方法:10samplesReal-timeSamplingover-samplingfollowingNyquistruleInterpola