虚拟示波器的基本原理.doc

虚拟示波器的基本原理1 示波器的基本原理示波器是利用电子射线的偏转，来复现电信号瞬时值图像(常成为时间波形)的一种仪器。它能快速的把肉眼不能直接看见的电信号的时变规律，以可见的形式形象的显示出来。目前，示波器在信号测试、信号比较、逻辑分析等领域得到了广泛应用。1.1 示波器波形显示原理在示波器的荧光屏上，显示电压波形的原理如下：被测电压是时间的函数，在直角坐标系统中，可以用ux=f(t)的曲线表示。示波器的两副偏转板使电子束在两个互相垂直的方向偏转，这两个方向可以看成是坐标轴。因此，要在管子的荧光屏上显示被测电压的波形，就必须使射线沿水平方向的偏转同时间成正比，而在垂直方向同被测电压成正比(每一瞬间)。所以，锯齿波电压加到水平偏转板上，它迫使射线以恒定的速度从左向右沿水平方向偏转。并且很快的返回到起始位置。射线沿水平轴经过的距离跟时间成正比。被测电压加到垂直偏转板上，因而，每一瞬间射线的位置单值的对应于这一瞬间被测信号的值。在锯齿波电压作用期间，射线就绘出了被测信号的曲线，如图2.l图1 示波器波形显示原理以上图形是锯齿波的重复周期等于输入信号周期整数倍的情况(一倍)，荧光屏上显示出的信号图形是稳定不动的。如果不是整数倍，则每次出现的信号波形就不会重合，图形将不断移动，不利于观测。为了保证锯齿波的周期等于输入信号的整数倍，示波器必须具有同步或触发电路。1.2 示波器的触发原理我们经常听到示波器的触发方式有电平触发和边沿触发等，但是，到底什么是触发呢？它在示波器中有什么用呢？为了使扫描信号与被测信号同步，我们可以设定一些条件，将被测信号不断地与这些条件相比较，只有当被测信号满足这些条件时才启动扫描，从而使得扫描的频率与被测信号相同或存在整数倍的关系，也就是同步。这种技术我们就称为“触发”，而这些条件我们称其为“触发条件” 。触发的目的简单来说就是为了每次显示的时候都在波形的同一位置开始,波形可以稳定显示.一般模拟示波器有边沿触发、视频触发和市电触发；而在数字示波器上有了更多的触发条件被称为高级触发如逻辑触发，毛刺触发和脉宽触发等。 edge trigger ，边沿触发，可设触发电平，上升沿或下降沿。边沿触发也称为基本触发。 advanced trigger，即高级触发，里面含概各种不同的触发功能，可以根据被测信号的特征，设置相应的触发条件，定位感兴趣的波形。高级触发是电路调试的关键。在电路调试过程中，如果事先不了解被测信号可能的问题配合不同的高级触发功能来进行故障的细节定位，这样可以缩短您的调试周期。1.3 通用示波器的组成部分现代示波器主要由主机、Y轴系统、X轴系统三个部分组成。被测信号接到“Y”输入端，经Y轴衰减器适当衰减后送至Y1放大器(前置放大)，推挽输出信号和。经延迟级延迟r1时间，到Y2放大器。放大后产生足够大的信号和，加到示波管的Y轴偏转板上。为了在屏幕上显示出完整的稳定波形，将Y轴的被测信号引入x轴系统的触发电路，在引入信号的正(或者负)极性的某一电平值产生触发脉冲，启动锯齿波扫描电路(时基发生器)，产生扫描电压。由于从触发到启动扫描有一时间延迟r2，为保证Y轴信号到达荧光屏之前x轴开始扫描，Y轴的延迟时间r1应稍大于x轴的延迟时间r2。扫描电压经x轴放大器放大，产生推挽输出和，加到示波管的x轴偏转板上。z轴系统用于放大扫描电压正程，并且变成正向矩形波，送到示波管栅极。这使得在扫描正程显示的波形有某一固定辉度，而在扫描回程进行抹迹。其简化方框图如图2所示。图2 示波器的简化方框图2 数字示波器的基本原理数字示波器用A/D变换器把模拟波形转换成数字信号，然后存储在半导体存储器RAM中，需要时，将RAM中存储内容调出，通过相应的D/A变换器，再恢复为模拟量显示在示波管屏幕上。在这种示波器中，信号处理功能和信号显示功能是分开的。其性能，包括速度和精度，完全取决于进行信号处理的A/D、D/A变换器和半导体存储器。2.1 数字示波器基本原理在数字示波器中，把输入的被测模拟信号先送至A/D变换器进行取样、量化和编码，成为数字“1”,“0”码，存储到RAM中，这个过程称为存储器的“写过程”。然后，再将这些“1”、“0”码从RAM中依次取出按顺序排列起来，经D/A转换使其包络重现输入模拟信号，这就是“读过程”。在数字存储示波器中，采用适时取样方式，可观测单次信号；采用顺序取样或随机取样方式，可观测重复信号。理论分析指出，为了正确的观测信号波形，只有恰当的选择取样频率才能用所得的样值脉冲序列恢复出原信号波形。取样频率过低会产生频谱重叠效应，造成波形失真，使示波器测量结果出现明显误差。取样定理证明，对于一个最高频率为f0的信号，当取样频率fs2f0时，其取样后所得的脉冲系列将包括原信号的全部信息。Fs称为奈奎斯特频率。当取样频率fs等于输入信号频率f0时，显示波形的频率信息还能保留，但是幅度信息将大量损失。通过计算可以得出，当一个周期中取样点数N为4时，即取样频率fs=4f0时，失真波形的最大值是波形幅值的0.707，故数字示波器的等效带宽为fs/4。若采用正弦内插显示，等效带宽可达fs/2.5。2.2 数字示波器基本方框图图3 数字存储示波器的方框图数字示波器的基本方框图如图3。Y输入信号经衰减放大后送至A/D变换器，按“t/div"开关设定的取样频率下进行变换，从而得到一串数据流，在控制逻辑电路的作用下写入随机存储器RAM中。RAM的读写操作受R/W控制，当RAM的读写控制R/W=0时，RAM进行写操作；R/W=1时，RAM进行读操作。RAM地址选择器在RAM进行写操作时，将写地址输出选做RAM地址；读操作时，则将读地址输出选做RAM地址。控制逻辑电路一旦接受到来自触发放大器的触发信号，就启动一次数据写入循环，产生写功能信号送至RAM读写控制，同时使写地址计数器计数。写地址计数器将顺序递增的写地址送至存储器，确保每组数据写入至相应的存储单元中去。不管数据用何种速度写入存储器，存储器中存储的各数据均不相关地以固定的速度不断读出，且显示时不产生闪烁。读出数据送至垂直D/A变换电路，用做示波器Y显示。同时一个以读出速率递增的计数器计数，输出送至水平D/A变换器，用做示波器X显示。晶体振荡器产生高精度、高稳定性的时钟。该时钟由分频电路产生与面板上“t/div”开关设置相对应的取样时钟，去控制A/D变换器和存储器写入。时基分频电路也产生该脉冲，供读地址计数器和显示地址计数器，以产生稳定的阶梯扫描电压。3 虚拟示波器的工作原理模拟信号经同轴电缆进入采集卡的输入通道，经过前置滤波电路、衰减电路、可变增益的放大电路，将信号处理成A/D转换器可以处理的标准电平，经过A/D采样量化转化成计算机可以处理的数字信号并缓存到卡上的存储器。其支持软件直接通过USB接口传输到计算机内存，同时对数据信号进行分析处理、显示、存储及打印输出等。虚拟示波器是采用基于计算机的虚拟技术，用以模拟通用示波器的面板操作和处理功能，也就是使用个人计算机及其接口电路来采集现场或实验室信号，并通过图形用户界面(GUI)来模仿示波器的操作面板，完成信号采集、调理、分析处理和显示输出等功能。一般开发的虚拟示波器，是在数据采集硬件的支持下，配备一定功能的软件，完成波形的存储、分析、显示等功能。一般测试仪器由信号采集、信号处理和结果显示三大部分组成，这三部分均由硬件构成。虚拟示波器也是由这三大部分组成，但是除了信号采集部分是由硬件实现之外，其它两部分都是由软件实现。虚拟示波器总体上包括数据采集、触发控制、波形显示、参数测量、频谱分析、波形存储以及坐标移动模块等七大模块组成，其结构框图5所示。触发控制时基控制通道控制波形显示幅值测量频率测量频谱分析坐标移动数据处理数据采集数据存储图5 虚拟示波器的结构框图