2020年02月05日 | 电子示波器结构方框图分析

　　电子示波器用来测量交流电或脉冲电流波的形状的仪器，由电子管放大器、扫描振荡器、阴极射线管等组成。除观测电流的波形外，还可以测定频率、电压强度等。凡可以变为电效应的周期性物理过程都可以用示波器进行观测

　　按照信号的不同分类

　　模拟示波器采用的是模拟电路（示波管，其基础是电子枪）电子枪向屏幕发射电子，发射的电子经聚焦形成电子束，并打到屏幕上。屏幕的内表面涂有荧光物质，这样电子束打中的点就会发出光来。

　　数字示波器则是数据采集，A/D转换，软件编程等一系列的技术制造出来的高性能示波器。数字示波器的工作方式是通过模拟转换器（ADC）把被测电压转换为数字信息。数字示波器捕获的是波形的一系列样值，并对样值进行存储，存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止，随后，数字示波器重构波形。数字示波器可以分为数字存储示波器（DSO），数字荧光示波器（DPO）和采样示波器。

　　模拟示波器要提高带宽，需要示波管、垂直放大和水平扫描全面推进。数字示波器要改善带宽只需要提高前端的A/D转换器的性能，对示波管和扫描电路没有特殊要求。加上数字示波管能充分利用记忆、存储和处理，以及多种触发和超前触发能力。廿世纪八十年代数字示波器异军突起，成果累累，大有全面取代模拟示波器之势，模拟示波器的确从前台退到后台。

　　按照结构和性能不同分类

　　①普通示波器。电路结构简单，频带较窄，扫描线性差，仅用于观察波形。

　　②多用示波器。频带较宽，扫描线性好，能对直流、低频、高频、超高频信号和脉冲信号进行定量测试。借助幅度校准器和时间校准器，测量的准确度可达±5%。

　　③多线示波器。采用多束示波管，能在荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形，没有时差，时序关系准确。

　　④多踪示波器。具有电子开关和门控电路的结构，可在单束示波管的荧光屏上同时显示两个以上同频信号的波形。但存在时差，时序关系不准确。

　　⑤取样示波器。采用取样技术将高频信号转换成模拟低频信号进行显示，有效频带可达GHz级。

　　⑥记忆示波器。采用存储示波管或数字存储技术，将单次电信号瞬变过程、非周期现象和超低频信号长时间保留在示波管的荧光屏上或存储在电路中，以供重复测试。

　　⑦数字示波器。内部带有微处理器，外部装有数字显示器，有的产品在示波管荧光屏上既可显示波形，又可显示字符。被测信号经模一数变换器（A/D变换器）送入数据存储器，通过键盘操作，可对捕获的波形参数的数据，进行加、减、乘、除、求平均值、求平方根值、求均方根值等的运算，并显示出答案数字。

　　电子示波器结构方框图

　　以安捷伦的90000A系列数字示波器为例，介绍数字示波器的结构原理。

　　图1是数字示波器内部结构图。示波器内部结构主要包括如下几个部分：

　　1）信号调理部分：主要由衰减器和放大器组成；

　　2）采集和存储部分：主要由模数转换器ADC，内存控制器和存储器组成；

　　3）触发部分：主要由触发电路组成；

　　4）软件处理部分：由一台计算机组成。

　　信号进入示波器后，先要进行衰减，再进行放大，这是为什么呢？

　　原来，衰减器是可调衰减器，当衰减比调节的较大时，让我们能够测试大幅度的信号，当衰减比调节的较小或0dB衰减时，通过放大器的放大作用，使得我们可以测试小幅度的信号。我们平时调节示波器的垂直灵敏度，实际上就是调节衰减器的衰减比（粗调）。通过信号调理电路使得信号能够较理想的让ADC进行模数转换，反映在示波器屏幕上就是尽量显示的波形能够达到屏幕的2/3以上（但是不要超出屏幕）。

　　放大器一方面是对信号进行放大（微调垂直灵敏度时，也是放大器起作用），另一方面是提供匹配电路去驱动ADC和触发电路，放大器决定了示波器的模拟带宽，这是示波器的第一重要指标。

　　信号经过ADC后，需要先把点存在存储器里，设置的存储器存满了，再把样点传递到计算机，这是为什么呢？

　　原来，ADC的采样速率比较高（比如每秒20G样点），每个样点用8bits来表示（现代的数字示波器通常ADC都是8位），ADC后面的总线带宽就达到160Gbps，这是不可能实时把样点传递到计算机的。所以需要采用Block的工作方式，先把点存起来，存满后再慢慢的把数据传递到计算机，而且这个时间一般相对采集时间较长，所以数字示波器的死区时间还是比较大的（一般为95％以上）。那么如何保证示波器捕获我们感兴趣的信号呢？这就要靠触发，通过触发来解决采集和传输的矛盾。

　　示波器的第二重要指标有ADC决定，就是实时采样速率。第三重要指标是存储深度，由内存控制器和存储器决定。第四重要指标是触发能力，由触发电路决定。

　　图2是安捷伦90000A系列示波器的捕获板（90000A示波器包括2块捕获板）。信号通过SMA同轴电缆连接到捕获板的前端上，前端包括衰减器、放大器和一部分触发电路，这些器件被裸封到一片MCM芯片上。前端电路驱动两颗ADC芯片，每颗ADC芯片的采样速率是20GSa/s，两颗采用交叉采集达到40GSa/s的采样速率。ADC后面是内存控制器IDA，做数据存储分配和一些运算，如幅度、相位补偿，触发抖动补偿等。IDA通过PCI-Express总线与计算机相连。

　　那么数据传递到计算机后，还要做哪些处理呢？图3是计算机处理结构框图。

　　采集的数据传递到计算机后，先要进行Sin（x）/x正弦内插，或线性内插进行波形的重建，重建后的波形可以进行各种各样的参数测量、信号运算和分析等。最终的结果或原始的样点都可以直接显示到屏幕上。