数字存储示波器的设计及发展研究文献综述.docx
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数字存储示波器的设计及发展研究文献综述
文献综述
电子信息工程
数字存储示波器的设计及发展研究
摘要:
作为使用最广泛的电子信号分析工具、模拟示波器的替代者,数字存储示波器的设计研究是一个比较活跃的一个领域,新的数字存储示波器厂家和数字示波器产品不断的涌现,相关技术迅速发展[1]。
但是仍然有很多测试技术人员在不断迟疑,不肯放弃他们已经信赖和熟悉的模拟示波器(Ana-logicOscilloscope,简称AO),而换用潜力更大的数字存储示波器(DigitalStorageOscilloscope,简称DSO).本文将着重介绍数字存储示波器的各方面,来探讨DSO的优点[2]。
关键字:
示波器数字存储示波器FPGA
.1绪论
随着科学技术突飞猛进的发展,世界已进入新的技术革命时代。
作为技术革命先导的电子技术已渗透到国民经济各个领域中去。
人类在认识自然和改造自然的过程中,必定要进行测量活动。
测量,就是为确定被测对象的量值岁进行的实验过程。
电子测量,从广义上来说是指利用电子技术进行的测量。
电子测量仪器则是采用电子技术测量电量或非电量的测量仪器,一个国家的电子测量技术水平,在一定程度上反映了该国的电子技术水平。
示波器是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值的仪器,也是一种测量、观察、记录用的仪器。
他利用一个或多个电子束的偏转,得到表示某变量函数瞬时值的显示。
直观表示二维、三维及多维变量之间的瞬态或稳态函数关系、逻辑关系,以及实现对某些物理量的变换或存储。
示波器已成为一种直观、通用、精密的测量工具,广泛地应用于工农业生产、科研、军事、教育各个领域中,进行对电量或许多非电量的测试、分析、监视,示波器发展速度、销售额都远远超过其它电子测量仪器。
1.1示波器发展简史与现状[15]
从第一台商业示波器出现到今天,已有50余年的历史,其间的发展,大致可分为三个阶段。
20世纪30~50年代是电子管示波器阶段。
到1958年示波器的带宽达到了100MHZ后便停滞不前。
1957年美国休斯飞机制造研制成功了记忆示波器;1959年美国卢米特龙公司生产出由R.休格曼研制的取样示波器。
20世纪60年代是晶体管示波器阶段。
由于采用了晶体管器件,示波器的带宽在驻足9年之后终于突破额100MHz达到了150MHz,到了1969年又跃至300MHz。
同年,取样示波器的带宽达到了18GHz的高峰。
20世纪70年代是集成化示波器阶段。
集成电路技术为示波器的小型化和向高性能、高可靠发展创造了条件。
1971年问世的微处理器,更为示波器的智能化增添了双翅。
1971年,示波器的带宽提高到500MHz,1979年达到了1GHz的高峰。
1972年,第一台数字存储示波器诞生,它对示波器的发展产生了重大的影响。
1973年,同时出现的逻辑状态分析仪和逻辑定时分析仪标志着“示波”测量已经跨入了数领域。
1974年发表了带微处理器的示波器,从此示波器的发展进入了一个崭新阶段。
80年代以来,示波器正朝着数字化、智能化方向飞速地发展,示波器面貌日新月异,新产品层出不穷。
我国在1949年以前,示波器工业是一片空白,仅有少数厂商做一些进口示波器的维修工作。
1950年,我国开始研制示波器,并于1951年初完成了实验样机。
当时这台用于观察“生物电信息”的示波器成为我国自己研制的第一台示波器。
1951年上海成立新建电议工业社,当时职工仅6人,从事示波器和其它电子测量仪器的开发和生产。
从1951年开始先后研制生产了103型、105型、113型和125型示波器。
1957年,新建电议工作室更名为新建电子仪器厂,1967年又改名为上海无线电二十一厂。
示波器的“新建”牌商标一直沿用至今。
目前,数字示波器市场上的主流产品仍然是国外产品。
其中美国TEK公司的示波器一直处于领先地位,被世界公认为示波器的权威。
近来TEK推出的TDS系列示波器具有独特的保证信号高保真度的获取结构,能够利用最先进的触发系统,提供快速瞬态信号或重复信号的多通道获取,显示和所有测量的有效修正。
TDS2012示波器具有100MHZ的带宽,1GS/s等效采样率,记录长度可达2.5K,内部采取高保真读的获取技术,操作简单。
力科公司在示波器方面世界排行第三,它也推出了各种型号的示波器,并具有独自的特点,能够自动测试32种参数。
如:
LC534A/LC574A数字示波器带宽为1GHz,采样速率4GS/s。
由于该示波器采用了96MHz的POWERPC603e处理器、8~64Mbyte的系统ram,1Mbyte的视频存储器、32kbyte的高速缓存和智能化存储器管理系统,它能快速刷新波形、动态分配处理器、采集存储器和运算存储器的资源,保证示波器资源的最佳利用。
该系列采用9英寸彩色显示器,能提供8个波形的画面,可方便、容易观察信号细节。
8踪显示能与运算功能、放大缩小、参考存储器或通道组合,并能在屏幕上显示或不显示参数。
该示波器在信号分析方面具有较强的处理功能,可同时完成4种处理功能:
加、减、乘、除、取反、恒等、累加平均值和正弦值。
还有FFT平均运算和5个窗功能的频谱分析功能。
尽管在国际上数字示波器已经有了较为成熟的发展,我国目前在数字示波器生产领域内基本上处于起步阶段。
国内示波器主要生产厂家有上海无线电二十一厂、西安红华无线电厂、辽宁无线电二厂、江苏绿扬集团、北京普源精电科技有限公司等。
江苏绿扬电子仪器集团有限公司是我国电子仪器行业的骨干企业,1998年以来,电子测量仪器的产销总量连续居全国同行第一,约占国内市场销售量的1/3。
但是他们的产品主要是模拟示波器类型的产品。
北京普源精电科技有限公司是目前国内惟一以自主知识产权生产数字存储示波器的企业,主要产品是台式数字存储示波器和虚拟仪器系列。
2004年2月18日,该公司宣布他们自主开发的DS5000系列数字存储示波器,打破了国外产品一统天下的局面,推动了国产仪器的数字化发展。
目前国内数字存储示波器市场上出现的产品最高带宽为100MHz,像普源精电公司的DS3102系列产品就是带宽为100MHz,等效采样率为10GS/S。
由于受到高速取样技术的限制,国内100MHz带宽的数字示波器大都采用重复取样技术。
1.2示波器原理概述物理学理论可以证明:
一端通过细绳固定的重物在作摆动时,与中心垂线的距离满足正弦波规律。
沙漏实验可以清晰地显示这个随时间变化的波形:
用沙漏充当重物,并且在沙漏底下的桌面上平铺一张纸,当沙漏开始摆动时,让纸匀速移动。
这样,沙漏中流出的细沙,就在纸上留下了一个正弦波痕迹,如图1.1所示。
利用这种设计思想,可以完成波形在平面上(对应于时间的流动)的展开。
这种设计思想在波形记录、显示中被广泛采用,比如心电图机,就是用原地摆动的电热针,在匀速移动的记录纸带上描记出心电波形。
图1.1沙漏摆动留下的正弦波
利用心电图机的结构,已经可以记录电压信号,但是,示波器在大量的应用中,并不需要通过消耗纸张来记录波形,而仅仅是观察波形。
因此,可以重复使用的CRT示波管和LCD显示屏,被应用到示波器的设计中。
示波器的基本原理框图如图1.2,
图1.2示波器基本原理框图
当被测信号通过Y轴输入放大器送至Y偏转板,由时基电路产生的电压扫描信号经X轴放大器送至X偏转板时,在触发电路的控制下,能够在示波器的屏幕上稳定地显示出被测信号的波形。
1.3模拟示波器与数字示波器
模拟示波器体积大、重量重、成本高、价格贵,并且不太适合用于对非周期的、单次信号的测量。
数字示波器首先对模拟信号进行高速采样获得相应的数字数据并存储。
用数字信号处理技术对采样得到的数字信号进行相关处理与运算,从而获得所需的各种信号参数。
根据得到的信号参数绘制信号波形,并可对被测信号进行实时的、瞬态的分析,以方便使用者了解信号质量,快速准确地进行故障的诊断。
测量开始时,操作者可通过操作界面选定测量类型、测量参数及测量范围(可选自动设置,由仪器自动设置最佳范围);微处理器自动将测量设置解释到采样电路,并启动数据采集;采集完成后,由微处理器对采样数据按测量设置进行处理,提取所需要的测量参数,并将结果送显示部件。
使用模拟示波器和数字示波器通常都能很好地观察简单重复性信号。
但是两者都有其优点和局限性。
对于模拟示波器来说,由于CRT的余辉时间很短,因而难于显示频率很低的信号。
由于示波管上的扫描轨迹亮度和扫描速度成反比,所以具有快速上升、下降时间的低重复速率信号就很难看到。
而数字示波器的扫描轨迹亮度和扫描速度与信号重复速率无关。
故可以很好地反映出来。
对于显示具有较高重复速率的重复性信号的快速上升、下降沿来说,数字存储示波器和模拟示波器的性能几乎没有什么区别。
用两种示波器都能很好的观察信号波形。
当要进行信号参量的测量时,数字存储示波器的优点在于具有自动测量各种参数的能力。
而使用模拟示波器时,则必须自己设置光标、分析理解显示的波形才能得到测量的结果。
但是如果要进行调整工作,那么一般最好使用模拟示波器。
这是因为模拟示波器的实时显示能力使它在每时每刻都能显示出输入的电压。
其波形更新速率(每秒钟在屏幕上描画扫描轨迹的次数)很高,所以信号的任何变化都会立即显示出来。
与模拟示波器相反,数字示波器所显示的是用采集的波形数据重建的波形。
所以其波形更新率远低于模拟示波器,结果在信号发生变化和变化了的信号在屏幕上显示出来之间就有了一定的时间延迟。
这是数字示波器的重大缺点。
但是综合起来数字示波器还是有很大优势的:
(1)模拟示波器需要与带宽相适应的CRT示波管,随着频率的提高,对CRT示波管的工艺要求严格,成本增加,存在技术瓶颈。
所以在电子市场上不好买,性能好的大多数是进口品牌,其价格昂贵且需要处理的问题也多,比如要产生阳极高压、扫描锯齿波还要对示波管进行电磁屏蔽等等,而且做出来体积很大,便携就更谈不上了。
而数字示波器只要与带宽相适应的高速A/D转换器,其它存储器和D/A转换器以及显示器都是较低速的部件,显示器可用LCD显示模块做显示器,在电子市场很容易买到,价格也不贵而且应用简单,只需考虑与微处理器的接口,体积小且功耗远小于CRT示波管。
使用LCD显示模块做示波器做成便携的很容易,做成示波表都没问题!
当然LCD显示模块也有其不足之处,比如亮度和对比度不如CRT示波管,但综合考虑LCD显示模块的优势还是比较明显的。
(2)模拟示波器是一个完全的硬件结构,做好之后很难进行功能升级,而数字示波器不同,它的控制以及其他功能的实现在保证基本硬件后都是由软件来实现的。
存储示波器是在传统示波器设计方法的基础上发展起来的,是传统示波器功能的扩展和补充。
按照存储方法和原理,存储示波器可分为两类:
第一类是CRT(阴极射线管)模拟存储示波器(也称记忆示波器);第二类是数字存储示波器。
这一类示波器从广义上说,亦可称为数字示波器。
它具有微处理器控制,在屏幕显示波形的同时能够用数字显示各种设定值和测量结果,对波形数据还能进行各种运算处理和分析。
并具有程控和遥控能力,通过GB-1B接口还可将数据传输到计算机等外部设备进行分析处理。
数字存储示波器有以下优点:
1.使用简单
数字存储示波器的操作几乎同传统示波器一样。
若要转为存储方式,只要按一按钮,如果用CRT模拟存储示波器,则因为存储介质是在示波器显示屏幕后的充电栅网上或直接在荧光屏,要获得清晰的光迹就必须调整记忆电平、控制辉度等,操作繁琐。
与此相比数字存储示波器就简单的多。
而且存储波形还可以扩张、压缩和移动。
2.信号处理与显示分离
模拟示波器的设计示波管直接影响着示波器的主要指标,而数字存储示波器的示波管只起显示作用,其性能的好坏(包括速度和精度)完全取决于进行信号处理的模/数(A/D)变换器和半导体存储器。
在这种示波器中,由于信号的处理与显示是分开的;可以高速捕获,低速显示。
采用大屏幕显示光迹明亮清晰;采用彩色显示,可以很好地分辨各种信息;也可用液晶、发光二极管等各种平面显示器件显示,大大减小了仪器的体积。
3.具有多种触发功能
有预触发、后触发、窗口触发和数字组合触发。
尤其是预触发,这是数字存储示波器的一个重要特点,因为传统示波器只能观测触发点以后的波形,因此利用数字存储示波器的预置触发功能(见图3),可以方便地显示触发点以前不同时刻的波形。
这种预触发特性,特别有利于分析故障产生的原因。
另外,窗口触发和数字组合触发在数字电路、计算机的调试中十分有用。
图1.3数字存储示波器的预置触发功能
4.观察慢速信号时无闪烁现象
慢速信号使用传统示波器观测时光迹存在闪烁现象。
在数字存储示波器中,由于存储器的写入和读出是不相关的,写入存储器的时间可以很慢,而从存储器中读出信号是以固定频率进行的,所以显示时,光迹无闪烁现象。
5.存储时间无限长
数字存储示波器是将模拟信号经模/数变换器转换成数字信号存储于半导体存储器中,只要仪器不停电存储信号就可长期保持,需要时可随时取出进行显示且质量不会变差。
若采用CMOS存储器,则耗电很小,在机内装一电池,即可实现关机后仍能存储信号的功能。
CRT模拟存储示波器是利用特殊的示波管作为存储器件,以电荷的形式存储记录波形,它的存储波形在较短时间内出现模糊和变暗现象,所以波形存储时间和显示时间是有限的。
它的存储时间因存储技术不同而异,一般从几十秒至几十分钟,最长也不过数天。
另外,数字存储示波器与CRT模拟存储示波器或传统示波器相比较,它的模拟输出还可以用标准笔记录仪做廉价的永久性存储数据硬拷贝。
而后者只能使用昂贵的胶片照相作长期保存。
6.多波形比较分析
数字存储示波器能够存储多个波形,并能够在屏幕上同时显示不同时间或相同时间发生的几个波形,因而能够方便地将已存储下来的波形与更新波形进行比较分析。
对于实时/存储示波器,还可将存储波形同实时波形进行对比。
7.多种灵活的显示方式
由于被测信号是多种多样和复杂的,因此需要有多种灵活的显示方式。
存储显示
它可稳定、不闪烁地显示所存储的瞬变信号,同时显示的波形还可以扩展和移动,便于对瞬变波形进行仔细分析和研究。
滚动显示
这好似数字存储示波器特有的工作方式,主要用于连续观察低速变化信号和低重复频率信号,并可检测数据中随机出现的偶发信号。
自动抹迹
当一个触发脉冲到来,触发存储该瞬变并进行显示,其显示观察时间可以控制在给定范围,当观察时间过后再有触发脉冲到来,则又能重新存储新的信号。
8.测量精度高[10]
传统示波器的扫描速度有锯齿波扫描信号决定,而数字存储示波器的扫描速度由取样的时间间隔和扫线上单位长度所具有的取样点数来决定。
由于使用晶振时钟,所以具有很高的测量精度。
采用高分辨率的A/D变换器也使幅度测量精度大大提高。
另外,现代数字存储示波器普遍采用电压时间光标数字测量,能够减少输入放大器和示波管的线性精度的影响,可使精度做的比较高。
当移动被测波形上光标点(或线)位置时,可迅速精确地测量出电压时间等波形参数,并可用数字显示。
9.便于波形数据分析处理[10]
由于数字存储示波器是以模拟输入信号数字化和数字存储为基础的,所以便于波形数据进行各种数字处理分析。
特别是以微处理器为基础的数字存储示波器,可以编程自动程控操作。
同时对存储信号还可进行信息处理,如平均迭加、信号的相关处理、频谱分析、能谱分析和FFT分析等。
亦可方便的通过标准的GP-1B接口,将存储信号传送至计算机或其他外部设备,进行更复杂的数据运算和分析处理。
亦可构成自动测试系统,成为强有力的系统单元。
上述两种不同存储方式的示波器,各有其优缺点和应用特点,但由于数字存储示波器比CRT模拟存储示波器有更多优点和高的性能价格比,所以近年来得到了显著的发展和广泛的应用。
小结:
数字存储示波器的性能及设计技术水平随着数字集成店里的发展而不断提高。
研制的数字存储示波器具有丰富的功能和比较高的综合性能,使用方便,得到了广大电子工程师的喜爱。
由于数字集成电路的飞速发展,研制的数字存储示波器在体系结构上已有所落后,成本较高。
现在的可编程器件FPGA的规模及性能已经有了很大的提高,价格却有了很大的下降,只使用一片大规模的FPGA就可以实现100MHZ带宽通用DSO中波形控制、采集、触发控制、显示处理等几乎所有的数字逻辑电路。
为高性能、低成本数字存储示波器的设计提供了良好的条件[16]。
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