《数字示波器》作品解析(赵茂泰)

1、数字示波器数字示波器作品解析作品解析一、题意分析一、题意分析二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计三、等效采样方式及实现三、等效采样方式及实现四、输入电路通道的设计四、输入电路通道的设计五、赛况简要分析五、赛况简要分析数字示波器（本科数字示波器（本科C题）题） 设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的设计并制作一台具有实时采样方式和等效采样方式的数字示波器，示意图如图所示。数字示波器，示意图如图所示。 1A/D转换器最高采样速率限定为1MSa/s，并要求设计独立的取样保持电路。 2显示部分可采用通用示波器，也可采用液晶显示器。取取样样与与保保持持电电路路A A / / D D转

2、转换换与与存存储储控控 制制 电电路路显显示示部部分分输输入入电电路路触触发发电电路路T TP P（1）频率范围为）频率范围为10Hz10MHz，实时采样速率，实时采样速率1MSa/s，等，等效采样速率效采样速率200MSa/s。（2）垂直分辨率为）垂直分辨率为8bits，垂直灵敏度含，垂直灵敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三档。电压测量误差三档。电压测量误差5%。在。在2mV/div档，输入短档，输入短路时的输出噪声峰路时的输出噪声峰-峰值小于峰值小于2mV。（3）扫描速度含）扫描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三档，波形三档，波形周期测量误

3、差周期测量误差5%。水平显示分辨率。水平显示分辨率20点点/ div。1、A/D转换器最高采样速率限定为转换器最高采样速率限定为1MSa/s。2、显示部分可采用通用示波器，也可采用液晶显示器。、显示部分可采用通用示波器，也可采用液晶显示器。题目主要要求题目主要要求一、题意分析一、题意分析竞赛的第1步是选题，选题要用理性分析代替凭感觉选题。分析时，先找出主要指标，然后分析其实现的可能性。 采样速率：采样速率： 单位时间内在不连续的时间点上获取模拟输入量并进行量化的单位时间内在不连续的时间点上获取模拟输入量并进行量化的次数，单位用次数，单位用Sa/s（ Sampling/s ）表示。）表示。 根据

4、取样定理，采样速率应根据取样定理，采样速率应信号最高频率分量的信号最高频率分量的2倍。倍。 当数字示波器采用点显示方式时，为保证显示波形的分辨率，当数字示波器采用点显示方式时，为保证显示波形的分辨率， 其其 “倍数倍数”应取应取1020；采用插值显示时，；采用插值显示时，“倍数倍数”应取应取2.510数字示波器的两个重要技术指标数字示波器的两个重要技术指标一、题意分析一、题意分析 频带宽度：频带宽度： 当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的信号当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上显示的信号幅度下降幅度下降3dB所对应的输入信号上、下限频率之差，称为示波器所对应的输入信号上、

5、下限频率之差，称为示波器的频带宽度，单位为的频带宽度，单位为MHz或或GHz。（1）频率范围为）频率范围为10Hz10MHz，实时采样速率，实时采样速率1MSa/s，等效采，等效采样速率样速率200MSa/s。（限定（限定A/D转换器最高采样速率为转换器最高采样速率为1MSa/s）（2）垂直灵敏度含）垂直灵敏度含1V/div、0.1V/div、2mV/div 三档。三档。（3）扫描速度含）扫描速度含20ms/div、2s /div、100 ns/div三档。三档。（显示屏刻度为（显示屏刻度为8 div10div，垂直分辨率为，垂直分辨率为8bit，水平显示分辨率，水平显示分辨率20点点/ di

6、v）取取 样样 与与保保 持持 电电 路路A A / / D D转转 换换与与 存存 储储控控 制制 电电 路路显显示示部部分分输输 入入电电 路路触触 发发电电 路路T TP Pl 采样与保持电路输入信号的最高频率为采样与保持电路输入信号的最高频率为10MHzl 设计应采用点显示方式，且采样速率设计应采用点显示方式，且采样速率信号最高频率分量的信号最高频率分量的2020倍。则当输入信号频率倍。则当输入信号频率50KHz50KHz时，采用实时采样方式，时，采用实时采样方式，当输入信当输入信号频率范围为号频率范围为 50KHz50KHz50KHz50KHz时时，采用等效采样方式，采用等效采样方式

7、l 如果如果A/DA/D转换器最大输入电压范围为转换器最大输入电压范围为0 0 2V2V，则输入电路中放大，则输入电路中放大器的放大倍数为器的放大倍数为125125倍倍, ,带宽为带宽为10MHz.10MHz.本题可分解为三个主要问题：本题可分解为三个主要问题：一、题意分析一、题意分析l 设计一个采用实时采样方式的数字示波器，要求最高采样设计一个采用实时采样方式的数字示波器，要求最高采样速率为速率为1MSa/s，输入信号频率范围为，输入信号频率范围为10Hz 50KHz，并具，并具有有“存储存储/调出调出”、“单次触发单次触发”等功能。等功能。l 设计一个采用等效采样方式的数字示波器，要求最高

8、等效设计一个采用等效采样方式的数字示波器，要求最高等效采样速率为采样速率为200MSa/s，输入信号频率，输入信号频率 50KHz 10MHz。l 设计一个放大倍数约设计一个放大倍数约125125倍、带宽为倍、带宽为10MHz10MHz的宽带宽放大器的宽带宽放大器 获全国一等奖的作品均能很好地完成前两个获全国一等奖的作品均能很好地完成前两个问题，区别仅在完成第三个问题的程度不同。问题，区别仅在完成第三个问题的程度不同。现代数字示波器多数采用现代数字示波器多数采用 ”实时采样方式实时采样方式+随机采样方式随机采样方式”二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计实时采样方式实时采样方式等效采

9、样方式等效采样方式顺序采样方式顺序采样方式随机采样方式随机采样方式在获得全国一等奖的五个作品中在获得全国一等奖的五个作品中:四个作品采用四个作品采用 ”实时采样方式实时采样方式+顺序采样方式顺序采样方式”一个作品采用一个作品采用 ”实时采样方式实时采样方式+随机采样方式随机采样方式”数字示波器的采样方式：数字示波器的采样方式：实时采样方式：实时采样方式： 所有采样点的采集都是按照一个固定的次序，并且这个采样的次序和采样点在示波器屏幕上出现的次序是相同的。 只要一个触发事件就可以启动全部的采集动作。二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计触发一次触发一次输输入入电电路路双双口口 R RA

10、 AM M( (Y Y输输入入）( (X X输输入入) )普普通通示示波波器器逻逻辑辑控控制制电电路路( (C CP PL LD D) )单单片片机机系系统统A A/ /D D转转换换触触发发电电路路D D/ /A A转转换换D D/ /A A转转换换键键盘盘与与显显示示电电路路写写地地址址读读地地址址时时钟钟二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计实时数字示波器的设计方案实时数字示波器的设计方案： 波形的采集与存储波形的采集与存储 波形的显示波形的显示 波形数据的处理波形数据的处理 波形的采集与存储波形的采集与存储： 由时钟、t/div控制器、写地址计数器、RAM读写控制等组成。 t

11、/divt/div控制器：控制器：实际上是一个分频器，产生一个与设定“t/div”量程对应的频率，用作A/D采样频率和写地址计数器的输入频率。 写地址计数器：写地址计数器：实际上是一个二进制计数器，用于产生一个对应的写RAM地址。 波形的采集与存储波形的采集与存储： t/divt/div控制器：控制器：实际上是一个分频器，产生一个与设定“t/div”量程对应的频率，用作A/D采样频率和写地址计数器的输入频率。 已知屏幕水平方向有10格（div），且20点/div。则采用点显示时（不做插值运算），屏幕水平方向显示点数N=200。 设扫描速度为t/div，相对应的采样率为 f，则20ms/div对

12、应的采样率应为1kSa/s，即 divtNf/扫描速度（扫描速度（div）20ms200s20s2s100ns采样速率（采样速率（MSa/s）0.0010.11-等效采样速率（等效采样速率（MSa/s） -10200 波形的采集与存储波形的采集与存储： 写地址计数器：写地址计数器：实际上是一个二进制计数器，用于产生一个对应的写RAM地址。 已知屏幕水平方向有10格，且20点/div。则屏幕水平方向显示点数N=200。写写地址计数器应地址计数器应采用八位二进制计数器即可。 即本题采样存储器的存储深度为200 每个触发信号能启动一次数据采集与写入RAM的过程 一方面， 控制器产生一个与设定“t/d

13、iv”量程对应的采样频率，使A/D按设定的采样频率转换，得到一串8位数据流；另一方面，控制器产生写使能信号W送至RAM，使写地址计数器按顺序递增, 确保每个数据写入到相应的存储单元中。 一旦200个单元写满， 一个写入循环就完成了。二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计实时数字示波器的设计方案实时数字示波器的设计方案： 波形的采集与存储波形的采集与存储 波形的显示波形的显示 波形数据的处理波形数据的处理双口双口 RAM RAMD/AD/A转换转换D/AD/A转换转换读地址读地址发生器发生器读读地地址址时时钟钟CPLD控制器部分CPLD控制器部分Y轴Y轴放大放大X轴X轴放大放大X X(

14、 (t t) )Y Y( (t t) )示波器示波器部分部分 波形的显示波形的显示 一方面，读地址计数器提供连续的RAM 读地址，依次将存储器中的波形数据送至D/A转换器恢复为模拟信号()，然后送至示波器CRT的Y轴； 另一方面， 读地址计数器提供的地址同时经另一D/A转换器形成锯齿阶梯波送至CRT的X轴，作同步的扫描信号()。 于是在CRT屏幕上便形成了被测试模拟信号的波形。 波形的显示波形的显示二、实时数字示波器的设计二、实时数字示波器的设计 波形的显示与波形的采集与存储在管理上是分离的，即不管数据以何种速度写入到存储器中，存储器中存储的数据均以固定的速度不断地读出。 对于频率极低的信号。

15、可以用较慢的扫描速度进行采集，而以相对快的速度读出显示，这样我们就可以无闪烁的观察极慢信号， 这是模拟示波器无能为力的。 对于观测极快信号来说，可以用较快的扫描速度进行采集，而以相对慢的速度读出显示，不但可以获得清淅而稳定波形，而且不需要带宽很高的阴极射线示波管（带宽高的示波管价格高，且一般显示精度和稳定性都较低）。1 1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式 顺序等效采样要求：每次触发在每个周期波形上只采样一点，且每次延迟一个已知的t 时间。 顺序采样能以低的采样速度获得高的被测信号带宽。三、等效采样方式及实现三、等效采样方式及实现l 高速取样及窄取样脉冲的产生：本题要求被测信号带宽为010M

16、Hz，因此要求取样脉冲的底宽应不大于45ns。l 精确t的产生：本题要求最高等效采样率为200MHz，因此最小的t应为5ns。1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式两个难点：两个难点：顺序等效采样数字示波器设计方案顺序等效采样数字示波器设计方案1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式 高速取样门及窄取样脉冲的产生， 产生精确的t 步进延迟电路，两个关键技术：两个关键技术：高速取样门高速取样门1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式 高速取样门及取样脉冲的产生高速取样门及取样脉冲的产生 示波器的带宽主要取决取样门，取样脉冲要足够窄。 根据取样示波器的设计原理，取样脉冲的底宽 与带宽 fBW 的关系为

17、： 本题 fBW = 10MHz，计算得 = 45ns. 实际脉宽应考虑小于15nsBWf45.0l 取样脉冲要足够窄；取样脉冲要足够窄；l VDVD：采用高速开关二极管；：采用高速开关二极管；1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式 高速取样示例：高速取样示例：（100MHz, 带宽带宽5ns） 高速取样门及取样脉冲的产生高速取样门及取样脉冲的产生四管平衡取样门电路 参赛作品广泛采用采样保持电路作为高速取样门参赛作品广泛采用采样保持电路作为高速取样门采样阶段：采样阶段：logic=0logic=0，模拟开关闭合，故V1 V2 V3，同时V2很快对Ch充电.保持阶段：保持阶段： logiclog

18、ic1 1，模拟开关断开，由于V2无放电回路，Ch上电压值基本不变，故使V3值得以保存。V2V1logic V3 应选择符合应选择符合题目要求的采保题目要求的采保电路芯片，特别电路芯片，特别注意速度方面的注意速度方面的性能指标！性能指标！参赛作品广泛采用采样保持电路作为高速取样门参赛作品广泛采用采样保持电路作为高速取样门 孔径时间（孔径时间（T TAPAP）：）： 在保持命令发出后至开关完全断开的称孔径时间，这一延迟会产生一个幅度误差（孔径误差） 孔径时间抖动（孔径时间抖动（T TAPAP） ： 指孔径时间变化的范围。如果改善保持命令发出的时间，可将孔径时间的影响消除，因而在模拟通道中可以仅考

19、虑孔径时间抖动对采样频率的影响。其可数字化最高正弦信号频率为 本题：fmax=10MHz，对于一个8bit（M=8）系统，要求采样采样保持电路的保持电路的TAP应小于125ps)(21maxHzTfAPM 高速取样门及取样脉冲的产生高速取样门及取样脉冲的产生 如果改善保持命令发出的时间，可将孔径时间的影响消除，因而在模拟通道中可以仅考虑孔径时间抖动对采样频率的影响。 l 高速取样门及取样脉冲的产生高速取样门及取样脉冲的产生信息工程大学作品采用的方案信息工程大学作品采用的方案 采用AD783构建采样保持电路，由FPGA控制其采样保持时钟，使其频率与ADC采样时钟同步，相位超前/25。 AD783

20、的孔径时间抖动的孔径时间抖动TAP = 50ps l 高速取样门及取样脉冲的产生高速取样门及取样脉冲的产生武汉大学作品采用的方案武汉大学作品采用的方案 选用高输入阻抗的运放LM7171以射级跟随器的形式实现信号的隔离，模拟开关S选用TI公司的模拟开关TS12A4515，电容选用低漏电型100pF聚苯电容。其中，TS12A4515的导通电阻为20, 频率响应为20MHz 250MHz。 1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式两个关键技术：两个关键技术：顺序等效采样数字示波器设计方案顺序等效采样数字示波器设计方案 高速取样门及窄取样脉冲的产生， 产生精确的产生精确的t t 步进延迟电路步进延迟电路

21、，1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式关键技术之二：步进延迟电路关键技术之二：步进延迟电路（产生精确的（产生精确的t t）l 采用分离元件组成的步进延迟电路采用分离元件组成的步进延迟电路l 采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路l 采用纯数字方法采用纯数字方法l 采用分离元件组成的采用分离元件组成的步进延迟电路步进延迟电路1、顺序等效采样方式、顺序等效采样方式l 采用分离元件组成的采用分离元件组成的步进延迟电路步进延迟电路快斜波发生器阶梯波发生器比较器触发脉冲步进脉冲快斜波阶梯波触发脉冲快斜波阶梯波比较过程步进脉冲t2t3t 触发脉冲经斜波发

22、生器产生与触发脉冲同的斜波，阶梯波发生器产生相应频率的阶梯波。 斜波与阶梯波在比较器进行比较，当波幅度达到阶梯波电平时，比较器产生步进脉冲信号， l 采用分离元件组成的步进延迟电路采用分离元件组成的步进延迟电路l 采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路 典型芯片之一：典型芯片之一：AD9500AD9500主要特点：主要特点：l 最小最小t：10psl 内置内置DACl 采用采用ECL电路电路l 采用分离元件组成的步进延迟电路采用分离元件组成的步进延迟电路l 采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路采用专用大规模集成电路芯片组成的步进延迟电路

23、 AD9500AD9500的典型应用示例：的典型应用示例：l 采用纯数字方法采用纯数字方法（参赛队普遍采用该方法）（参赛队普遍采用该方法）设被测信号频率为10MHz，等效采样率为200MHz（5ns）。则在顺序等效采样中，应取T=100ns，t=5ns那么， 上述过程可用FPGA实现，其工作时钟频率应为 200MHz 如果被测信号频率进一步提高，则FPGA的工作时钟频率也需要进一步提高。使该方法的应用有很大的限制。2 2、随机等效采样方式、随机等效采样方式三、等效采样方式及实现三、等效采样方式及实现1 1、随机等效采样方式、随机等效采样方式 采样时，采样时，也需要经过多次扫描，并且每次扫描的触

24、发点是一致的。与顺序等效采样方式不同的是：每次扫描采集多个采样点，并且每次扫描的触发点与其后的第一个采样点之间的时间（t1、t2、t3 ）是随机的。 波形重组时，波形重组时，首先精确短时间t1、t2、t3 ，然后以触发点为基准，由计算机按时间先后的次序将数据重新排列，并写入显示存储器相应的地址单元中。2 2、随机等效采样方式、随机等效采样方式由于被测时间极短，很难直接测量，一般采用精密的内插器进行扩展后再进行测量。内插器主要由相位检测、时间展宽、方波转换和时间测量四个部分。难点：短时间测量难点：短时间测量 相位检测主要完成触相位检测主要完成触发时刻与触发后第一个采样发时刻与触发后第一个采样点间

25、的时间间隔点间的时间间隔TxTx；时间展；时间展宽部分主要完成将宽部分主要完成将TxTx按一定按一定的比例展宽成锯齿波，展宽的比例展宽成锯齿波，展宽比由放电电流与充电电流之比由放电电流与充电电流之比来决定；比来决定；-学生作品未做说明四、输入通道电路的设计四、输入通道电路的设计要求：垂直灵敏度含要求：垂直灵敏度含1V/div1V/div、0.1V/div0.1V/div、2mV/div 2mV/div 三档三档 垂直分辨率为垂直分辨率为8bits8bits，显示屏的刻度为，显示屏的刻度为8 div8 div10div10div， 对应被测信号的最大幅度分别是对应被测信号的最大幅度分别是 8V、

26、0.8V 、16mV 。 如果选择的如果选择的A/D转换器最大输入电压幅度为转换器最大输入电压幅度为1V，计算得到，计算得到对应的输入电路的增益应分别为对应的输入电路的增益应分别为0.125、1.25、62.5。 垂直灵敏度垂直灵敏度1V/div0.1V/div2mV/div前级增益前级增益0.1251.2562.5取取样样与与保保持持电电路路A A / / D D转转换换与与存存储储控控 制制 电电路路显显示示部部分分输输入入电电路路触触发发电电路路T TP P 1 V /div档档: 0.125 1 1 = 0.125 0.1V/div档档: 1 1 1.25 = 1.25 2mV/div

27、档档: 1 8 7.8 = 125垂直灵敏度垂直灵敏度1V/div0.1V/div2mV/div前级增益前级增益0.1251.2562.5 示波器通道放大器示波器通道放大器: : 每级放大器的放大倍数一般应小于10；且每级放大器件应具有足够的增益带宽积 第一级放大应考虑低噪声,后级放大应具有足够的压摆率。例一、武汉大学方案例一、武汉大学方案A/D转换器选用转换器选用MAX118：采样速率为采样速率为1MS/s，输入电压范围为输入电压范围为05V垂直垂直灵敏度灵敏度2 2 mV/divmV/div0.1 0.1 V/divV/div1 1 V/divV/div前级增益前级增益312.5312.5

28、6.256.250.6250.625312.5（两级）（两级）阻抗转换阻抗转换6.25.625 A/D转换器输入电压范围为05V，然而由输入电路归一化后送来的双极牲信号最大幅度范围为2.5V2.5V，为此应在A/D转换器之前加上一个电平变換电路，将辐度范国为2.5V2.5V 的信号变換为05V 之间。 例一、武汉大学方案例一、武汉大学方案表表4 0.1V/div4 0.1V/div档垂直灵敏度档垂直灵敏度Fin(Vpp=0.4V)V实测（格数） 误差10Hz401KHz40100KHz401MHz3.92.510MHz3.85 Fin(Vpp=16mV)V实测（格数） 误差10Hz7.82.5

29、1KHz7.65100KHz7.47.51MHz4.68510MHz3.8105表表5 2mV/div档垂直灵敏度档垂直灵敏度表表3 1V/div3 1V/div档垂直灵敏度档垂直灵敏度 Fin(Vpp=4V)V实测(格数) 误差10Hz401KHz40100KHz401MHz 4010MHz3.9 2.5 2 mV/div 2 mV/div 档垂直灵敏档垂直灵敏度的误差超标！度的误差超标！ 增益为增益为312312的放大器未的放大器未达预定指标！达预定指标！例二、解放军信息工程大学方案例二、解放军信息工程大学方案A/D转换器选用转换器选用AD7822输入电压范围为输入电压范围为 02V垂直灵

30、敏度垂直灵敏度1V/div0.1V/div2mV/div前级增益前级增益0.252.5125 实际作品中，放大倍数设计为实际作品中，放大倍数设计为 0.1，1，50 ，然后通过微调，然后通过微调模拟示波器的垂直灵敏度来保证显示模拟示波器的垂直灵敏度来保证显示8格。格。？4.511运放选用运放选用OPA690 ：采样速率为采样速率为1MS/s，增益带宽积为增益带宽积为 500MHz 0.11阻抗转换阻抗转换 例二、解放军信息工程大学方案例二、解放军信息工程大学方案垂直灵敏度1V/div，信号峰峰值VPP=5V频率实测周期误差实测Vpp误差频率实测周期误差实测Vpp误差10Hz99.55ms0.4

31、5%5.000.00%100kHz9.67us3.30%5.010.20%50Hz20.08ms0.40%5.020.40%500kHz1.96us2.00%5.112.20%10kHz99.16us0.84%5.040.80%1MHz997.5ns0.25%5.061.20%50kHz20.01us0.05%5.020.40%10MHz98.75ns1.25%5.234.60%垂直灵敏度0.1V/div，信号峰峰值VPP=5mV频率实测周期误差实测Vpp误差频率实测周期误差实测Vpp误差10Hz99.49ms0.51%0.500.00%100kHz9.67us3.30%0.512.00%50

32、Hz20.07ms0.35%0.512.00%500kHz1.96us2.00%0.512.00%10kHz99.14us0.86%0.512.00%1MHz995.0ns0.50%0.512.00%50kHz20.01us0.05%0.500.00%10MHz98.75ns1.25%0.500.00%例二、解放军信息工程大学方案例二、解放军信息工程大学方案垂直灵敏度2mV/div，信号峰峰值VPP=10mV频率实测周期误差实测Vpp误差频率实测周期误差实测Vpp误差10Hz99.51ms0.49%10.131.30%100kHz9.67us3.30%10.040.40%50Hz20.07ms

33、0.35%10.030.30%500kHz1.96us2.00%10.040.40%10kHz99.16us0.84%9.871.30%1MHz997.5ns0.25%9.821.80%50kHz20.01us0.05%9.871.30%10MHz98.75ns1.25%9.673.30%短路噪声噪声峰峰值VPP=0.55mV结论：结论：1、所有量程的电压测量误差5%，系统模拟带宽大于10MHz。2、示波器的垂直分辨率为7bit，未达预定指标，相当于使用了一只7位 A/D 转换器五、赛况简要分析五、赛况简要分析 本题命题是在本题命题是在20012001年年“简易数字存储示波器简易数字存储示波器”命命题的基础上，