电子测量技术与应用项目20第39-40学时-3.4数字示波器

1Keywords:1.智能仪器的特点2.基本构成:硬件部分、软件部分3.智能型数字存储示波器特点数字示波器(补充)2一、智能仪器的特点

（一）强大的控制能力采用计算机技术，简化硬件结构，缩小仪器的体积及功耗，提高可靠性、灵活性，使仪器的自动化程度更高。智能仪器用键盘代替传统仪器中的旋转式或琴键式切换开关，从而使仪器面板及功能部件可以完全独立进行,提高仪器的技术指标,方便仪器的操作使用。3智能仪器具有友好的人机界面，使用时只需通过键盘输入命令，仪器就能实现等多种功能，如：测量自检数据处理显示打印4（二）强大的数据处理功能

改善测量的精确度

对测量结果的处理5智能仪器采用软件对测量结果进行及时的在线的处理，对各种误差进行计算和补偿，精度和数据处理的质量都大为提高。

例如：传统的数字万用表只能测量电阻、交直流电压、电流等，而智能型数字万用表不仅能进行上述测量，而且还能对测量结果进行计算和分析和处理：

6对测量结果的处理一般包括：百分误差，绝对误差峰-峰值，平均值有效值，最大值及最小值方差，标准差零点平移，统计分析…7（三）实现仪器功能多样化对于测量的数据，可以进行多种运算、比较、逻辑判断等数据处理，然后再按要求输出显示。微处理器的使用使智能仪器的测量过程、软件控制及数据处理等更多方面的功能易于实现。智能仪器一般都配有GPIB或RS-232等标准接口，使其具有可程控的能力。

8智能型万用表除可测—直流、交流电压，电阻外，

还具有以下功能：其测量频率范围提高到10HZ-1MHZ；可有极性显示，输入过载保护；自检；可对测量结果做简单的误差计算；在数字显示器下面加光条显示器，提高对被测信号波动变化倾向的判断；9有的具有示波功能；可进行可程控的自动化数字校准；用电平表示电压和功率；时钟、日历、打印、报警、自动记录;位数可提高到,；可进行统计计算…..智能型万用表功能：10二、智能仪器的基本构成(重点)组成：硬件和软件硬件部分包括：

CPU

存储器总线BUS

各种I/O接口输入/输出通道仪器面板

（键盘、开关、按钮、显示器）

11智能仪器以微处理器为核心，通过总线及接口与输入通道、输出通道、仪器键盘及仪器内存相连。

BUS

被测电压

CPU

输入电路

A/D转换

I/O

键盘

显示

I/O

标准仪器接口

存储器

I/O

I/O

仪器总线

智能仪器通用结构框图

D/A

A/D

12软件部分主要包括

监控程序

接口管理程序13监控程序—面向仪器面板和显示器，主要内容有：1.通过键盘操作输入并存储所设置的功能、操作方式与工作参数；2.通过控制I/O接口电路进行数据采集，对仪器进行预定的设置；3.对数据存储器所记录的数据和状态进行各种处理；以数字、字符、图形等形式显示各种状态信息以及测量数据的处理结果。14接口管理程序—面向通信接口，主要内容有:1.接受并分析来自通信接口总线的各种有关功能、操作方式与工作参数的程控操作码。2.通过通信接口输出仪器的现行工作状态及测量数据的处理结果，以响应计算机的远控命令。

15三、智能型数字存储示波器组成原理

具有取样与存储波形的能力，可以方便地对模拟信号进行长期存储并能利用机内微处理器系统对存储的信号作进一步的处理。实时工作模式时：其电路组成原理与一般传统模拟示波器一样。存储工作模式时：它的工作过程一般分两个阶段。存储显示16存储工作阶段：模拟信号先放大或衰减，再进行数字化处理。

取样—获得模拟输入信号的离散值；量化—

使每个取样的离散值经A/D转换器转换成二进制数字。取样量化写入RAM17数字存储示波器的取样和存储过程18显示工作阶段：数据信号读出D/A转换Y放大器放大

CRT的Y偏转板。

存储器的读地址计数脉冲D/A转换器

得模拟扫描电压X轴末级放大器驱动CRT的X偏转板显示信号一个波形显示的点数与RAM的容量有关，也是确定的，一般为256、512或1024等。

19数字存储示波器的读出和显示20YDS1012数字存储示波器：100MHZ，速率1.0GS/s2122垂直控制CH1CH2光标1光标2位置：可垂直定位波形。显示和使用光标时LED变亮以指示移动光标时，按纽的可选功能。CH1CH2菜单：显示垂直菜单选项并打开或关闭对通道波形显示.伏/格CH1CH2：选择标定的刻度系数。MATH数学计算菜单：显示波形的数学运算并可用于打开和关闭数学波形。23水平控制位置：调整所有通道和数学波形的水平位置。该控制的分辨率随时基设置的不同而改变。HORIZ水平位置按钮：用来控制触发相对显示屏中心的位置。在整个波形显示和部分显示细节的放大波形之间切换。设置为零按钮：用来将水平位置设置为零。秒/格旋钮：用于改变水平时间刻度,以便放大或压缩波形。24触发控制电平和高级旋钮：使用边沿触发时，电平旋钮的功能是设置电平幅度，信号必须高于它才能进行采集。高级灯亮时指示相应功能(释疑、视频线数、脉冲宽度)TRIG触发：显示触发菜单。设置为50%：触发电平设置为触发信号峰值的垂直中点。强制触发：不管触发信号是否适当都完成采集。如采集已停止则该按钮无用。触发视图：显示触发波形而不显示通道波形。25菜单和控制按钮保存/调出(SAVE/RECALL)：显示设置和波形的保存/调出菜单测量(MEASURE):显示自动测量菜单。采集(ACQUIRE):

显示采集菜单。显示(DISPLAY):

显示类型功能表。光标(CURSOR):

显示光标功能表，光标被激活，垂直位置控制方式可以调整光标的位置。离开光标菜单后，光标保持显示但不可调整。26辅助功能(UTILITY)：显示辅助功能菜单。帮助(HELP)：显示帮助菜单。默认设置(DEFAULTSETUP)：调出厂家设置。自动设定(AUTOSET)：自动设置示波器控制状态，以产

生适用于输出信号的显示图形。单次序列(SINGLESEQ)：采集单个波形，然后停止。运行/停止(RUN/STOP)：启动和停止波形获取。打印(PRINT)：开始打印操作。27（三）数字存储示波器的特点（1）可以长期存储波形存储示波器:采用存储栅网示波管

数字存储示波器:采用存储器28长期的存储波形可以更长期的存储波形，只要存储器不急于存入其他波形，已存波形就可以继续保存下去，而且存储时间无限长。还可以将已存储的信号进行扩展或缩小作仔细观察。为了有效利用存储器的容量，可以变换记录波形的记录速度。29（2）可以进行负延迟（预延迟）可观察触发点以前的信号，并且可任意选择超前或滞后的时间。因为数字存储示波器的触发点只是一个存储的参考点，而不一定是取样、存储的第一点，这就给显示数据的选择带来很大灵活性。而且可以高速捕捉，低速显示，单次信号、低频信号和毛刺脉冲都能清晰地显示。

触发点30负延迟利用数字存储示波器的负延迟特性可观察振荡器起振过程。选择触发点的触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值，触发极性为正，预延迟4.5格。在荧光屏上可以同时观察到触发前和触发后的情况，即显示了从起振到稳定的全过程。31（3）便于观测单次过程和缓慢变化的信号数字存储示波器只要对波形进行一次取样存储，就可以长期保存、多次显示，并且取样、存储和读出、显示的速度可以在很大范围内调节。这种示波器便于捕捉和显示单次瞬变信号或缓慢变化的信号。对于地震、金属断裂、材料变形、武器发射等偶发事件或缓慢变化的信号。32（4）多种显示方式“自动抹迹”（Auto-Erase）也叫自动清除。每满足一次触发条件，例如加一次触发脉冲，屏上原来的波形就被新存储的波形所更新。这个新波形的显示时间是可以调节的，在显示时间超过预置的时间以后，若再次满足触发条件，则自动抹掉旧画面，显示这次触发存储的新画面。33

“卷动”（Roll）显示方式

(a)新波形逐渐更新老波形(b)波形自窗口右端向左移动推出34

“卷动”显示方式最适于在缓慢变化的信号中寻找感兴趣的部分。卷动显示通常有两种形式：图(a)是用新波形逐渐更新旧波形，这反映了存储区中存储的内容正被改写。图(b)把屏幕比作一个窗口，波形从窗口右端推出向左移动，移至最左端就消失了。这实质上是从立即就要被覆盖的存储单元，向后显示一个完整的页面。35（5）具有很强的数据处理能力

图a：脉冲信号被淹没在噪声中，只是勉强可见。图b：对这个信号进行了一千次平均以后，得到大为改善的信号。

（a）利用平均技术从噪声中提取信号(b)36

（6）可用字符显示测量结果（7）便于程控和用多种方式输出（8）便于进行功能扩展

数字存储示波器中运用计算机技术为仪器的功能扩展提供了条件。例如运用计算机的运算功能，可以对存储的数据进行快速傅立叶变换（FFT）。从时域信号得到它的频域特性，利用FFT功能，还可以对信号进行失真度分析、调制特性分析等多种分析。

37快速傅立叶变换功能a）时域信号b）频域信号ω

f（t）

t

F（ω）

（a）

（b）

U(t)38（9）测量精度高数字存储示波器的扫描由取样点的时钟间隔和扫线上单位长度的取样点数来决定。由于使用晶振时钟，因此具有很高的测时精度；由于采用高分辨率的A/D转换器和随机重复采样，因此可达到很高的等效采样率。例如：HP51400A/D型数字化示波器可达100GHz等效采样率，10ps的时间分辨力，有效存储带宽为1GHz。39总结：一、智能仪器的特点（一）强大的控制能力

（二）强大的数据处理功能

（三）实现仪器功能多样化4