電子示波器結(jié)構(gòu)方框圖分析

　　電子示波器用來(lái)測(cè)量交流電或脈沖電流波的形狀的儀器，由電子管放大器、掃描振蕩器、陰極射線管等組成。除觀測(cè)電流的波形外，還可以測(cè)定頻率、電壓強(qiáng)度等。凡可以變?yōu)殡娦?yīng)的周期性物理過(guò)程都可以用示波器進(jìn)行觀測(cè)

　　按照信號(hào)的不同分類(lèi)

　　模擬示波器采用的是模擬電路（示波管，其基礎(chǔ)是電子槍）電子槍向屏幕發(fā)射電子，發(fā)射的電子經(jīng)聚焦形成電子束，并打到屏幕上。屏幕的內(nèi)表面涂有熒光物質(zhì)，這樣電子束打中的點(diǎn)就會(huì)發(fā)出光來(lái)。

　　數(shù)字示波器則是數(shù)據(jù)采集，A/D轉(zhuǎn)換，軟件編程等一系列的技術(shù)制造出來(lái)的高性能示波器。數(shù)字示波器的工作方式是通過(guò)模擬轉(zhuǎn)換器（ADC）把被測(cè)電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值，并對(duì)樣值進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)限度是判斷累計(jì)的樣值是否能描繪出波形為止，隨后，數(shù)字示波器重構(gòu)波形。數(shù)字示波器可以分為數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSO），數(shù)字熒光示波器（DPO）和采樣示波器。

　　模擬示波器要提高帶寬，需要示波管、垂直放大和水平掃描全面推進(jìn)。數(shù)字示波器要改善帶寬只需要提高前端的A/D轉(zhuǎn)換器的性能，對(duì)示波管和掃描電路沒(méi)有特殊要求。加上數(shù)字示波管能充分利用記憶、存儲(chǔ)和處理，以及多種觸發(fā)和超前觸發(fā)能力。廿世紀(jì)八十年代數(shù)字示波器異軍突起，成果累累，大有全面取代模擬示波器之勢(shì)，模擬示波器的確從前臺(tái)退到后臺(tái)。

　　按照結(jié)構(gòu)和性能不同分類(lèi)

　　①普通示波器。電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶較窄，掃描線性差，僅用于觀察波形。

　?、诙嘤檬静ㄆ?。頻帶較寬，掃描線性好，能對(duì)直流、低頻、高頻、超高頻信號(hào)和脈沖信號(hào)進(jìn)行定量測(cè)試。借助幅度校準(zhǔn)器和時(shí)間校準(zhǔn)器，測(cè)量的準(zhǔn)確度可達(dá)±5%。

　?、鄱嗑€示波器。采用多束示波管，能在熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形，沒(méi)有時(shí)差，時(shí)序關(guān)系準(zhǔn)確。

　?、芏噗櫴静ㄆ?。具有電子開(kāi)關(guān)和門(mén)控電路的結(jié)構(gòu)，可在單束示波管的熒光屏上同時(shí)顯示兩個(gè)以上同頻信號(hào)的波形。但存在時(shí)差，時(shí)序關(guān)系不準(zhǔn)確。

　?、萑邮静ㄆ?。采用取樣技術(shù)將高頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬低頻信號(hào)進(jìn)行顯示，有效頻帶可達(dá)GHz級(jí)。

　?、抻洃浭静ㄆ?。采用存儲(chǔ)示波管或數(shù)字存儲(chǔ)技術(shù)，將單次電信號(hào)瞬變過(guò)程、非周期現(xiàn)象和超低頻信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間保留在示波管的熒光屏上或存儲(chǔ)在電路中，以供重復(fù)測(cè)試。

　?、邤?shù)字示波器。內(nèi)部帶有微處理器，外部裝有數(shù)字顯示器，有的產(chǎn)品在示波管熒光屏上既可顯示波形，又可顯示字符。被測(cè)信號(hào)經(jīng)模一數(shù)變換器（A/D變換器）送入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過(guò)鍵盤(pán)操作，可對(duì)捕獲的波形參數(shù)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行加、減、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的運(yùn)算，并顯示出答案數(shù)字。

　　電子示波器結(jié)構(gòu)方框圖

　　以安捷倫的90000A系列數(shù)字示波器為例，介紹數(shù)字示波器的結(jié)構(gòu)原理。

　　圖1是數(shù)字示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。示波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要包括如下幾個(gè)部分：

　　1）信號(hào)調(diào)理部分：主要由衰減器和放大器組成；

　　2）采集和存儲(chǔ)部分：主要由模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，內(nèi)存控制器和存儲(chǔ)器組成；

　　3）觸發(fā)部分：主要由觸發(fā)電路組成；

　　4）軟件處理部分：由一臺(tái)計(jì)算機(jī)組成。

　　信號(hào)進(jìn)入示波器后，先要進(jìn)行衰減，再進(jìn)行放大，這是為什么呢？

　　原來(lái)，衰減器是可調(diào)衰減器，當(dāng)衰減比調(diào)節(jié)的較大時(shí)，讓我們能夠測(cè)試大幅度的信號(hào)，當(dāng)衰減比調(diào)節(jié)的較小或0dB衰減時(shí)，通過(guò)放大器的放大作用，使得我們可以測(cè)試小幅度的信號(hào)。我們平時(shí)調(diào)節(jié)示波器的垂直靈敏度，實(shí)際上就是調(diào)節(jié)衰減器的衰減比（粗調(diào)）。通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路使得信號(hào)能夠較理想的讓ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，反映在示波器屏幕上就是盡量顯示的波形能夠達(dá)到屏幕的2/3以上（但是不要超出屏幕）。

　　放大器一方面是對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大（微調(diào)垂直靈敏度時(shí)，也是放大器起作用），另一方面是提供匹配電路去驅(qū)動(dòng)ADC和觸發(fā)電路，放大器決定了示波器的模擬帶寬，這是示波器的第一重要指標(biāo)。

　　信號(hào)經(jīng)過(guò)ADC后，需要先把點(diǎn)存在存儲(chǔ)器里，設(shè)置的存儲(chǔ)器存滿了，再把樣點(diǎn)傳遞到計(jì)算機(jī)，這是為什么呢？

　　原來(lái)，ADC的采樣速率比較高（比如每秒20G樣點(diǎn)），每個(gè)樣點(diǎn)用8bits來(lái)表示（現(xiàn)代的數(shù)字示波器通常ADC都是8位），ADC后面的總線帶寬就達(dá)到160Gbps，這是不可能實(shí)時(shí)把樣點(diǎn)傳遞到計(jì)算機(jī)的。所以需要采用Block的工作方式，先把點(diǎn)存起來(lái)，存滿后再慢慢的把數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)，而且這個(gè)時(shí)間一般相對(duì)采集時(shí)間較長(zhǎng)，所以數(shù)字示波器的死區(qū)時(shí)間還是比較大的（一般為95％以上）。那么如何保證示波器捕獲我們感興趣的信號(hào)呢？這就要靠觸發(fā)，通過(guò)觸發(fā)來(lái)解決采集和傳輸?shù)拿堋?/p>

　　示波器的第二重要指標(biāo)有ADC決定，就是實(shí)時(shí)采樣速率。第三重要指標(biāo)是存儲(chǔ)深度，由內(nèi)存控制器和存儲(chǔ)器決定。第四重要指標(biāo)是觸發(fā)能力，由觸發(fā)電路決定。

　　圖2是安捷倫90000A系列示波器的捕獲板（90000A示波器包括2塊捕獲板）。信號(hào)通過(guò)SMA同軸電纜連接到捕獲板的前端上，前端包括衰減器、放大器和一部分觸發(fā)電路，這些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端電路驅(qū)動(dòng)兩顆ADC芯片，每顆ADC芯片的采樣速率是20GSa/s，兩顆采用交叉采集達(dá)到40GSa/s的采樣速率。ADC后面是內(nèi)存控制器IDA，做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分配和一些運(yùn)算，如幅度、相位補(bǔ)償，觸發(fā)抖動(dòng)補(bǔ)償?shù)取DA通過(guò)PCI-Express總線與計(jì)算機(jī)相連。

　　那么數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)后，還要做哪些處理呢？圖3是計(jì)算機(jī)處理結(jié)構(gòu)框圖。

　　采集的數(shù)據(jù)傳遞到計(jì)算機(jī)后，先要進(jìn)行Sin（x）/x正弦內(nèi)插，或線性內(nèi)插進(jìn)行波形的重建，重建后的波形可以進(jìn)行各種各樣的參數(shù)測(cè)量、信號(hào)運(yùn)算和分析等。最終的結(jié)果或原始的樣點(diǎn)都可以直接顯示到屏幕上。