现代电子测量技术教案

4、存储容量 存储容量又称记录长度，表示数字存储示波器
获取被测信号长度的能力。示波器的存储容量用 存储器能够存储的最大存储字数来表示。
数字存储示波器的存储器通常采用1K、4K、甚 至2M字及以上的高速半导体存储器。除采集存储 器外，还有用于存储多个波形的低速大容量显示 存储器和保持存储器，但它们的存储容量并不表 示获取信号的能力。
3、有的信号只出现一次，有的信号虽重复出现，但是非 周期性的； 4、造成系统出错的误码常混在一串正确的数据流中，只 在出错后才能辨认出来，常要求查找其原因； 5、数字信号的速度变化范围甚广； 6、数字信号是脉冲信号。
第二节 逻辑分析仪原理 1、逻辑分析仪组成 数据获取和数据显示两大部分组成。 前者捕获并存储所需观察分析的数据， 后者用多种形式显示数据。 包括输入电路（探头）、数据获取、数据存储、 数据触发和数据显示几个电路部分。 逻辑分析仪组成如下图：
② 正弦插值 正弦内插显示是对数据进行sinx/x函数运算后 用曲线将各数据点连接起来。采用正弦插值在 显示正弦波时，每周只需2.5次采样就能精确地 重现这个正弦波，这个数值已接近理论值。正 弦插值还能防止在正弦波测量期间发生包络误 差。
4、触发方式 数字存储示波器除具有模拟示波器通常的触发
外，还具有预置触发观察能力。数字存储示波器 中的预置触发功能，是以触发点为参考，灵活地 移动存储窗口和显示窗口。通常，预置触发是由 延迟触发实现的。延迟触发有“+”延迟触发和“-” 延迟触发。这样，有了预置触发功能后，便可以 设置不同的延迟字，根据需要在屏幕的范围内观 测波形的各个部分。
有效存储带宽=最大采样速率/K 其中，K的取值，在使用光点显示时约等于25；使用矢量 内插显示时约等于10；使用正弦内插显示时约等于2.5。 若非实时采样，其等效存储带宽等于示波器的模拟带宽。
3、测量分辨率和测量精度 测量分辨率包括电压分辨率（垂直分辨率）和时 间分辨率（水平分辨率）。
① 电压分辨率 电压分辨率指每个采样点的模拟量对应二进制 数字的位数，也就是对信号（Vp-p）所能识别的 最小电压等级。电压分辨率由A/D变换器的分辨率 决定。 ② 时间分辨率 时间分辨率表示对模拟信号相邻两个样点之间 时间间隔的分辨能力，常以位数（bit）、每格多 少点（点/div）或相邻数据点的时间间隔（s）来 表示。
第二节 直接数字频率合成技术
一、基本DDFS的工作原理 基本DDFS功能方框图如图2.1所示。它基本上
由五部分组成：频率码锁存器（FR）、相位累加 器（PA）、ROM（正弦表） D/A变换器、低通 滤波器（LPF），在时钟的统调下工作。
二、基本DDFS的设计
设 St Sin2f0t 为所需输出频率。用 nTc代替t，则以时钟
第三节 数字存储示波器的主要技术指标
1、最高采样速率
采样速率是指单位时间内对模拟输入信号的采样次数。 最高采样速率由A/D变换器的转换速率来决定。 采样速率通常以采样脉冲的频率（Hz）、每秒的采样样 本点数及存储的数据位数来表示。在实际应用中，采样 速率可根据所设定的示波器扫描时间因数Dx（t/div）来 选择，但其上限则由示波器的最高采样速率所限制。当 扫描时间因数t/div确定之后，采样频率fs的计算公式为：
现代电子测量技术
Modern Electronic Measurement Technology
电子信息工程学院 王化深
目
录
第一章 概述 第二章 数字示波技术 第三章 数字化信号发生技术 第四章 数据域测试技术 第五章 自动测试系统
本课教学安排 1、课程安排 课堂教学 14学时 实验（二个整天）15学时 考试：1学时 2、考核成绩 总成绩=考试（50）+实验（20+30）
是以有效存储带宽和等效存储带宽来表征的。
有效存储带宽表征采用实时采样方式时可测量正弦波信号 的最高频率；
等效存储带宽表征采用非实时采样技术时可测量正弦波信 号的最高频率。
数字存储示波器的有效存储带宽两种定义目前尚未统 一。一种是用A/D转换器采样速率的一半来定义，即按照 奈奎斯特频率极限给出，称为最大存储带宽。 另一种是Tektronix公司首先提出了另一种较为合理的存 储带宽的定义，即：
实际的数字存储示波器通常将模拟示波器的功 能融合进来，一种典型的结构如下:
2、信号采样 数字存储示波器均采用实时采样和非实时采样
相结合的方法（取样技术），信号采样的关键实 现部件是A/D转换器。
对观察非周期信号和瞬态信号，实时采样方法 能更好地进行处理和分析。 3、波形的存储
把每个离散的模拟量经A/D变换后，就可以得 到相应的数字量。如果设法把这些数字量存到存 储器中，就相当于把一个模拟波形以数字量的形 式存储起来，这可利用微处理器来实现。 如图：
第四节 DDFS的特点
1、任意波形发生 2、跳频速度极快 3、频率分辨率可以任意 4、频率、相位、幅度可控 5、频率覆盖率高 6、频率受器件限制不可能太高 7、可软件实现频率合成
第四章 数据域测试技术
第一节 数据域测试技术概述
数字系统相对于模拟系统其信号的特点是： 1、绝大部分数字信息都是多位传输的； 2、数字信号是时序传递的，是数据流；
这种变换器记录速度高，它的等效采样速率可 达 25Gsample/s～100Gsample/s。当扫描变换 采用更先进的二极管矩阵靶时，它可数字化的瞬 态信号（或重复信号）高达6GHz。
④ 数字化照像系统（DCS） 数字化照像系统是一种完全不同于传统数字
化波形的方法。它利用具有CCD技术的扫描转 换录像机，捕获任何模拟示波器屏幕上的波形， 使模拟示波器获得数字化和信号处理能力。
周期
Tc
1 fc
为取样间隔的正弦取样值为
Sn Sin2f0nTc Sin2n f0 fc Sinn
最小相位间隔应是

min

2
2A
rad
式中A——ROM的地址线位数。而最小频率间隔（相
f邻0 kf两0min 个k 2fNc 频率点之差，即频率分辨力）应是f0
对于非周期的单次波形以及频率较低的周期 波形，必须用实时采样的方法。
采样、变换和存储方案
4、存储波形的显示 把存储器中的数据，按地址顺序取出，并经D/A还
原为原来的模拟量，同时将地址按顺序送出，并经D/A 转换成阶梯波。把前一模拟量送到示波器的Y轴，把阶 梯波送到示波管的X轴（作扫描），这样就能把被测波 形显示在屏幕上。如图：
DCS主要由视频录像机、帧存板、电缆及 相关的软件组成。并配有不同的接头，供不同 示波器联接用，帧存板插入PC机扩展插槽内。
2、经典显示技术 ① 光点扫描式显示 ② 光栅增辉式显示 ③ 光标和字符的显示
3、插值显示技术 ① 线性插值
线性插值是在两个采样点之间插入数据点，且 采样点和各插值点处于同一条直线上。对于正 弦波形而言，采用线性插值后，每周期仅需要 约10次采样就能使波形清晰。
fs =n/T 式中：n为对应于示波器屏幕水平线每格的采样点数；
T为每格的扫描时间。 例如：扫描时间为10μs/div，水平通道D/A转换器采 用10位D/A，示波器水平方向分为10个格，则每格采样 数为1024/10=102.4点，采样频率fs为10.24Ms/s。
2、系统带宽 数字存储示波器在存储工作方式下的带宽（存储带宽）
② 电荷耦合器件（CCD）A/D变换器 电荷耦合器件是由许多相距很近，且具有内部电荷
转移通道的MOS电容器组成的一维或二维阵列。在加 上适当的时钟信号后，在这些MOS电容器之间能够发 生电荷沿某一方向的转移。利用CCD器件的快写慢读 （电荷转移输出）特性，可以很方便地构成高速数据 采集系统。如图：
在实际应用中，存储容量必须按照存储波形的长度、
细节要求的点数（时间分辨率）和仪器限定的时基速度进 行选择（对单次信号还取决于采样速率）。在有些情况下， 采集存储器可串联或分开使用。
5、动态范围 动态范围指可测量的最大信号与可分辨的最
小信号之比，常用对数值dB表示。 动态范围=20log（A/D变换分级数）
电压分辨率每增加 1bit，分级数增加一倍， 分级误差减小一半，动态范围扩展 6dB。 6、通道数
通道数指数字存储示波器能够同时存储的模
拟信号个数。
第四节 数字存储示波器中的关键技术
1、高速信号采集技术 ① 比较式A/D变换器
逐次逼近比较式属于反馈比较式变换器，速率不是很 快，故高速数字存储器都采用非反馈比较式A/D变换 器，如串并行 A/D变换器、并联比较型A/D变换器等。 快速并行比较式（“闪烁”变换）A/D变换器是全并 行比较式高速变换器，它在比较式变换器中变换速率 最快，但这种变换器使用比较器较多，且分辨率每增 加一位，比较器个数便增加一倍，使分辨率的提高受 到限制。由于电路复杂，所以制造困难，价格也贵。
第一章 概述
第一节 经典电子测量技术 1、测量数据处理 2、显示测量技术 3、频率测量技术 4、电压测量技术 5、信号发生技术 6、频域测量技术
第一章 概述
第二节 现代电子测量技术 1、数字化测量技术 2、智能化测量技术 3、虚拟化测量技术 4、自动测试系统
第二章 数字示波技术
第一节 数字存储示波器的组成和原理 1、数字存储示波器的组成 （Digital Storage Oscilloscope，简写DSO）

f 0 min

fc 2N
式中N——相位累加器的位数，一般N都大于A。于是
输出频率可以写成
f0
k f0 min
k
fc 2N
m min 2 f0 fc 2 k 2 N 最高输出频率〈时钟频率/4
设计举例：
若要求DDFS输出频率为1Hz——10kHz频率 间隔1Hz，试设计其各部分参数；若要求输出 频率为4.096kHz，k值是多少？
设计思路： 根据题目要求，主要考虑与频率有关的参数： 时钟、累加器位数N、频率码k；最低频率就是 分辨力；最高频率〈时钟频率/4。
第三节 DDFS应用与拓展
1、线性或对数变化频率码实现扫频信号发生器 2、ROM存储任意函数值实现任意波形合成 3、将调制信码加至频率码寄存器实现调频信号发生器 4、增加相位码寄存器实现相位可调及调相信号发生器 5、加程控放大器或程控调整D/A参考源实现幅度可控 6、与PLL结合实现混合环
③ 扫描变换管A/D变换器 扫描变换技术是一种转换存储方法，它利用扫
描变换管实现高速A/D变换。通常分为电流型和电 压型，电流型A/D变换器转换速率快。
扫描变换管与示波管并行工作。扫描变换管工
作时，最初是把波形记录在很小的靶面上，然后 通过电子束扫描靶面，以图像信号输出的形式把 记录的波形抹掉，取出存储信号，经通常的A/D变 换器有效地变换后，存储到半导体存储器中，供 示波器的CRT显示。
第二节 数字存储示波器的特点
数字存储示波器与模拟示波器相比有下述特点 （1）长期存储波形 （2）信号的采集和存储与显示过程分离 （3）具有多种触发方式
能显示触发后的信号，能显示触发前的信号， 毛刺触发、脉宽触发、窗口触发、逻辑组合触发、状态 触发以及电视视频信号触发等 （4）具有多种显示方式 定格显示 刷新显示 滚动显示 （5）便于进行多波形分析比较 （6）采用数字技术提高测量精度高 （7）采用微处理器控制，具有智能仪器的特点
① 利用峰值检波模式在宽范围内捕捉尖峰干扰 ② 利用毛刺触发功能测量尖峰波形
除了上述的测量应用之外，数字存储示波器还被 广泛地用于电信、电气、机械、材料试验分析、 生物医学、电子、国防科研以及其他如地震、激 光和纺织等各种科研和生产领域。
你能利用计算机的软硬件实现数字 存储示波器功能吗？
第三章 数字化信号发生技术 第一节 间接频率合成技术概述 基本环、混频环、倍频环、分频环 多环合成单元、混合环
第五节 数字存储示波器的应用
1. 数字存储示波器的选择
① 确定经常测试的信号类型，
② 确定数字存储示波器的存储带宽。
③ 根据信号细节分析的要求，确定示波器的测量 分辨率等指标。 ④ 确定数字存储示波器的数据处理分析能力。 ⑤ 对仪器的性能和价格做出综合考虑。
2. 数字示波测量方法 （1）时间和电压的测量 （2）尖峰干扰的测量