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今天朋友的女儿满月

上几天，朋友来电话说女儿满月让我过去吃顿饭。都一年没见朋友了，约上其他朋友，都是高中同学，然后一起在同一间大学读书的。朋友见面，少不了说天说地。刚好朋友家在我市重点高中旁边，拉着横幅说某某同学夺什么第一。就这样就说高中时，我们高中毕业都7年了，时间真快啊！吃过饭，4个人到江边坐在堤坝的草地上，看着来回的船只，不停的聊以前读书的事，好久没这样跟朋友聊天了！回到家，又要忙公司的方案了。为了以后更好的生活，努力工作！

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示波器名词解释

示波器名词解释

来源 : 慧聪网教育行业频道

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。

示波器分为数字示波器和模拟示波器。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。而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。数字示波器一般支持多级菜单，能提供给用户多种选择，多种分析功能。还有一些示波器可以提供存储，实现对波形的保存和处理。

示波器工作原理是：利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。

示波器使用方法：利用显示在示波器上的波形幅度的相对大小来反映加在示波器Y偏转极板上的电压最大值的相对大小，从而反映出电磁感应中所产生的交变电动势的最大值的大小。因此借助示波器可以研究感应电动势与其产生条件的关系。

荧光屏的右上方标有“¤”符号的是辉度调节旋钮，用来调节图象亮度；它下面标有“⊙”和“○”的依次是聚焦调节旋钮和辅助聚焦调节旋钮。两者配合使用可使电子束聚成一细束，在屏上出现一个小亮点，使图象线条清晰。再下面是电源开关和指示灯，电源接通时指示灯明亮。

标有“↑↓”和“→”符号的称竖直位移旋钮和水平位移旋钮，分别用来调节图象在竖直方向和水平方向的位置。旋钮“Y增益”和“X增益”是调节Y或X放大器的输出电压的大小、以改变图象沿竖直方向或水平方向的幅度。

“衰减”调节旋钮共分有1、10、100．1000四挡，可使加在竖直方向的信号电压按上述倍数衰减，使得图象在示波管上的垂直幅度依次减到前一挡的十分之一。

右边的旋钮是“扫描范围”调节，它可改变加在水平方向的锯齿波电压的频率范围。第一挡的频率范围是10－100赫，向右旋转每升高1挡，电压的频率范围依次增大为前一挡的十倍。“扫描微调”旋钮可使扫描电压的频率在选定范围内连续变化。

“Y输入”、“X输入”和“地”分别是对应方向的讯号电压输入和公共接地的接线柱。“DC、AC”是竖直方向输入信号的直流、交流选择开关。在“DC”位置时，所加信号电压是直接输入的；在“AC”位置时，所加信号电压是通过一个电容器输入的。“同步＋－”是同步极性选择开关，置于“＋”位置时扫描发生器与输入信号的正半周同步；置于“－”位置时与负半周同步，以获得初相位相反的显示波形。

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数字示波器使用时注意

数字示波器使用时注意

来源：慧聪网教育行业频道

前言

    虚拟示波器因具有波形触发、存储、显示、测量、波形数据分析处理等独特优点，其使用日益普及。由于虚拟示波器与模拟示波器之间存在较大的性能差异，如果使用不当，会产生较大的测量误差，从而影响测试任务。

    区分模拟带宽和数字实时带宽

    带宽是示波器最重要的指标之一。模拟示波器的带宽是一个固定的值，而虚拟示波器的带宽有模拟带宽和数字实时带宽两种。虚拟示波器对重复信号采用顺序采样或随机采样技术所能达到的最高带宽为示波器的数字实时带宽，数字实时带宽与最高数字化频率和波形重建技术因子K相关（数字实时带宽=最高数字化速率/K），一般并不作为一项指标直接给出。从两种带宽的定义可以看出，模拟带宽只适合重复周期信号的测量，而数字实时带宽则同时适合重复信号和单次信号的测量。厂家声称示波器的带宽能达到多少兆，实际上指的是模拟带宽，数字实时带宽是要低于这个值的。例如说TEK公司的TES520B的带宽为500MHz，实际上是指其模拟带宽为500MHz，而最高数字实时带宽只能达到400MHz远低于模拟带宽。所以在测量单次信号时，一定要参考虚拟示波器的数字实时带宽，否则会给测量带来意想不到的误差。

    有关采样速率

    采样速率也称为数字化速率，是指单位时间内，对模拟输入信号的采样次数，常以MS/s表示。采样速率是虚拟示波器的一项重要指标。

    1.如果采样速率不够，容易出现混迭现象

    如果示波器的输人信号为一个100KHz的正弦信号，示波器显示的信号频率却是50KHz，这是怎么回事呢？这是因为示波器的采样速率太慢，产生了混迭现象。混迭就是屏幕上显示的波形频率低于信号的实际频率，或者即使示波器上的触发指示灯已经亮了，而显示的波形仍不稳定。混迭的产生如图1所示。那么，对于一个未知频率的波形，如何判断所显示的波形是否已经产生混迭呢？可以通过慢慢改变扫速t/div到较快的时基档，看波形的频率参数是否急剧改变，如果是，说明波形混迭已经发生；或者晃动的波形在某个较快的时基档稳定下来，也说明波形混迭已经发生。根据奈奎斯特定理，采样速率至少高于信号高频成分的2倍才不会发生混迭，如一个500MHz的信号，至少需要1GS/s的采样速率。有如下几种方法可以简单地防止混迭发生：

    •调整扫速；

    •采用自动设置（Autoset）；

    •试着将收集方式切换到包络方式或峰值检测方式，因为包络方式是在多个收集记录中寻找极值，而峰值检测方式则是在单个收集记录中寻找最大最小值，这两种方法都能检测到较快的信号变化。

    •如果示波器有InstaVu采集方式，可以选用，因为这种方式采集波形速度快，用这种方法显示的波形类似于用模拟示波器显示的波形。

    2.采样速率与t/div的关系

    每台虚拟示波器的最大采样速率是一个定值。

但是，在任意一个扫描时间t/div，采样速率fs由下式给出：

    10．可当数据采集卡，集成2路8位数据采集器，14路数字IO，1路10位DA虚拟信号源。

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基于多功能DAQ卡的虚拟数字示波器的设计

基于多功能DAQ卡的虚拟数字示波器的设计

来源：今日电子  作者：西安市第二炮兵工程学院控制系 惠俊军 王志贤

摘 要：简要介绍了虚拟仪器的组成，基于Labwindows/CVI和NI公司的PXI-6670E数据采集卡，设计了一个虚拟数字示波器。该系统功能强大，不仅具有实时采集功能，还具有频谱分析、加窗处理、滤波功能和数字存储等功能。
关键词：虚拟仪器；Labwindows/CVI；数据采集卡；频谱分析

引言
    虚拟仪器中有一类是基于多功能DAQ卡的虚拟仪器，结构简单，开发成本低，目前已经得到了广泛的应用。本文以一个基于多功能DAQ卡的虚拟数字示波器为例，来说明如何开发基于多功能DAQ卡的虚拟仪器。 

虚拟数字示波器的结构与组成
    虚拟数字示波器由一块PXI总线的多功能数据采集卡和相应的软件组成。将它们安装在一台运行Windows的PC上，即构成一个功能强大的可存储数字示波器。数字示波器的前面板如图1所示。


● 数据采集卡
设计中所采用的是NI公司生产的多功能数据采集卡PXI-6670E，其主要功能如下：
    64路单端/32路差分模拟输入；12位精度；1.25MSPS采样速度；1.25MSPS磁盘写入速度；±0.05～±10V输入范围；两路12位模拟输出；8条数字I/O线；两路24位计数器/定时器。

● 仪器功能。
    本例虚拟数字示波器具有实时数据采集、频谱分析、加窗处理和滤波等功能。在虚拟数字示波器主面板上有数据采集、频谱分析、加窗处理、滤波功能等功能键，按相应的功能键就可进入相应的子面板。

软件的设计与实现
● 软件开发环境。
    虚拟数字示波器软件设计采用了基于C语言的编程环境LabWindows/CVI。LabWindows/CVI支持数值型、布尔型、文本型和串等数据类型，而且最大优点是能够通过对话框形式的交互式操作生成标准C程序代码。另外LabWindows/CVI提供了非常丰富的调试工具,包括单步执行、断点、变量查看、监视窗口等，这些功能使程序的调试变 得更为容易。

● 主要功能模块。
    虚拟数字示波器主要由软件控制完成信号的采集和显示处理，功能结构框图如图2所示。

     在数据采集面板中主要完成以下功能：设置通道、设置采样频率、设置产生方式、显示波形等，其软面板如图3所示。

     在数据采集面板中主要完成以下功能：对实时采集的信号和自行产生的信号进行频谱分析，查看谱线等功能，其软面板如图4所示。 

     加窗处理面板对实时采集的信号和自行产生的信号加窗处理(包括海明窗、汉明窗、平滑窗和布拉克曼窗等)，其软面板如图5所示。

      在滤波处理面板中包括以下功能：对实时采集的信号和自行产生的信号进行滤波处理(包括单步滤波法、多步滤波法和传统方法等)，其软面板如图6所示。

● 源程序文件的生成。

      当完成面板各个控件的设置后，就可以产生程序的代码函数了。具体方法为：把已完成的面板定为当前响应状态，在[Code]菜单中，选中[Generate]中的[All Code]，在弹出的对话框中选定函数主面板和退出函数，就能产生与用户接口文件相对应的框架代码函数。

● 添加程序代码。
     上一步自动生成的是控件对应的函数的框架，要使控件完成一定的功能，必须添加程序代码来控制控件。其中main()函数是程序的入口，它的功能是初始化程序，装载用户面板并显示，如要完成其他功能须添加代码。以下这段代码实现数据采集功能，程序通过调用数据采集按钮的回调函数SHOU进行外部采集。

int CVICALLBACK SHOW(int panel,int control,int event,void *callbackData,int eventData1,int eventData2)
{
int NumChan;/*定义所用通道*/
double ActScanRate;/*定义采样速率*/
switch (event)
{
case EVENT_COMMIT:
nidaqAICreateTask(“daq::1!(0)”, kNidaqWaveformCapture, &NumChan,&AiTask);/*创建采样任务*/
nidaqAIConfigScanClockRate(AiTask,400000,&ActScanRate); /*设置采样速率*/
nidaqAIConfigBuffer(AiTask,1000,kNidaqFinite);/*设置采样数据缓冲区*/
nidaqAIStart(AiTask);/*启动采样*/
nidaqAIRead(AiTask,“daq::1!(0)”,1000,-1.0,wave);/*读取采样数据*/
nidaqAIStop(AiTask);/*结束采样*/
DeleteGraphPlot(EEpanel,EEPANEL_WAVEGRAPH, -1,VAL_IMMEDIATE_DRA);/*删除显示的波形*/
PlotY(EEpanel, EEPANEL_WAVEGRAPH, wave, 1000, VAL_DOUBLE, VAL_THIN_LINE, VAL_EMPTY_SQUARE, VAL_SOLID, 1, VAL_YELLOW); /*显示波形*/
break;
}
return 0;
}
    限于篇幅，其他功能模块的实现这里就不一一介绍了。
● 保存项目文件，然后编译运行。

结论
    本文设计的虚拟数字示波器不仅具有一般台式数字存储器的功能，而且充分发挥了微机强大的功能和软件设计的灵活性，而且此虚拟数字示波器的设计包含了基于多功能DAQ卡的虚拟仪器设计的基本思路和方法，用户可以参照这种方法来设计其他虚拟仪器。

参考文献
1 杨乐平,李海涛.虚拟仪器技术概论.电子工业出版社
2 刘君华.LabWindows/CVI基础教程.电子工业出版社
3 National Instruments Corporation.PXI-6670E User Manual.2001 

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在示波器上使用DSP滤波技术的探讨

在示波器上使用DSP滤波技术的探讨

来源：EDN China  作者：Johnnie Hancock

简介
　　当前所有高速实时数字示波器都采用了各种形式的数字信号处理技术(DSP)。某些工程师担心使用软件对采集来的数据波形滤波可能会与实际的信号有出入。但是，示波器捕获的原始波形未必表示的是实际输入信号，示波器捕获的“原始”波形数据中包括了失真的结果，这是由示波器的前端硬件滤波器造成的。在理想情况下，实时示波器拥有无限快的采样速率、完美的平坦频响、线性相位响应、没有底噪声及带宽高。但在实际环境中，示波器具有硬件限制，这种限制产生了误差。DSP滤波技术最终可以在一定程度上校正硬件导致的误差，改善测量精度，增强显示质量。
　　当前性能较高的实时示波器中常用的DSP滤波技术有以下五种：

　　每种滤波器特点都可以在用有限脉冲响应(FIR)软件滤波器实现。本文介绍了不同DSP滤波器的用途，以及相关的优点和缺点。本文没有提供实现各种DSP滤波器的实际软件有关的信息。
 　　用于波形重建的DSP滤波技术
　　波形重建滤波用来在两个实际数据采样点之间“插入”数学运算点。插入的数据点可提高较快时基下的波形测量精度和使波形更接近真实。等效/重复采样，也是一种透过插入点的方法实现的波形重建技术，但它的应用场合有限，仅对严格重复的波形有效；对信号实时变化的应用场合，不能使用等效采样。必须在一次采集完成一个完整的波形捕获，因此只能选择软件的方法重建波形。
　　最简单的波形重建，采用线性插补滤波器。尽管这类滤波器将改善测量分辨率、精度和显示质量，但更精确的内插技术是sin(x)/x 波形内差滤波技术，这是一种对称滤波器。图1是使用线性内差 (顶部的蓝色曲线)和sin(x)/x 内差 (底部的黄色曲线)的3GHz正弦波实例。通过线性内差，我们可以清楚地看到这一使用20 G 样点每秒采样的示波器，得到的样点间隔为50 ps。

图1:线性内差 与 正弦内差

　　Sin(x)/x内插滤波虽然是更精确地表示输入信号的方法，但有一些问题要注意。首先，为使sin(x)/x 内插滤波绝对精确，示波器的采样率要保证能处理任何低于Nyquist频率 (fN)的频率成分。Nyquist频率定义为取样频率(fS)的?。对可以以20 GSa/s速率采样的示波器，Nyquist频率是10 GHz。为提供最大带宽、同时保证能将10 GHz以上的频率完全滤掉，在理论上，示波器必须有一个10 GHz或10GHz以下的硬件“砖墙式滤波器”。遗憾的是，砖墙滤波器在物理上是不能通过硬件实现的。图2中的红色曲线(顶部)表示砖墙滤波器的特点，Nyquist频率以下的所有频率成分都完全通过，Nyquist频率之上的所有频率成分都完全被滤掉。

图2: 各种硬件滤波器的频率响应

　　过去，带宽较低的示波器一般具有高斯类型的滚降特点，如图2中的绿色曲线(底部)所示。如果您使用这种高斯类型的低速滚降滤波器处理速度非常快的信号，由于高于–3dB带宽的信号很多，超过Nyquist频率之上的频率成分(在本图中用阴影区域表示)会出现混叠现象。如果被测对象基波频率接近或超过Nyquist频率，混叠会使得显示的周期性波形看上去会像没有触发一样，波形的测量误差会呈几何级数增长。在输入信号的基波频率低于Nyquist频率，但信号谐波高于Nyquist频率时，您可能会在示波器显示屏上看到边沿“摇摆”的波形。为此，安捷伦在传统上一直把具有高斯滚降特点、带宽较低的实时示波器的带宽限定为取样速率的?，也就是Nyquist频率的? ，目的是滤除高于Nyquist的谐波成分。
　　对某些带宽在2 GHz - 6 GHz之间的带宽较高的实时示波器，硬件滚降特点开始接近理论砖墙滤波器。在大多数示波器测量中，这是一种希望实现的特点。这类硬件滤波器称为高阶最大平坦滤波器，如图2中的蓝色曲线(中间)所示。通过这类硬件滤波器，大多数带内频率以最小衰减传送，而大多数带外频率则被明显衰减。在高阶最大平坦响应时，示波器带宽开始接近Nyquist极限。安捷伦建议对具有高阶最大平坦响应的示波器，示波器带宽应限定在不大于取样速率的0.4倍。换句话说，为保证使用sin(x)/x滤波的波形重建技术的有效性和精确性，以20 GSa/s速率取样的示波器的带宽不得超过8 GHz。
　　在示波器中采用sin(x)/x 软件内插滤波器有什么缺点呢？如果输入信号在前期有频段限制，或如果示波器的硬件适当地限制了Nyquist频率之上的取样频率成分，那么其问题可以降到最小。但是如果输入信号具有超过系统带宽的明显高的频率成分，那么sin(x)/x滤波技术的问题之一是对重建的波形可能会出现软件生成的下冲和过冲，这种影响在本质上是一种Gibbs现象。软件生成的过冲通常隐藏在实际输入信号中固有的过冲及示波器的硬件滤波技术所产生的过冲中。由于下冲通常在信号中实际并不存在，因此示波器用户通常会怀疑sin(x)/x滤波技术的有效性。但在测量带外信号时，与未校正的硬件导致的误差相比，软件导致的误差(如下冲)可能只是小巫见大巫。
　　记住，测量带外信号意味着您正在试图捕获频率成分超过示波器指定带宽功能的信号，因此测得结果中可能包括由于硬件限制导致的明显误差成分。例如，如果您试图测量边沿速率为20 ps (10% - 90%)的输入信号，6 GHz示波器会产生70 ps左右的测量结果(10% - 90%)， 250%的测量误差。尽管软件滤波产生的下冲和过冲可能会扰乱视觉，但与硬件导致的过冲及经常被忽视的边沿速率测量误差相比，这些现象只是很小的误差来源。
　　为降低软件导致的下冲，示波器设计人员可以采用sin(x)/x 内插滤波技术，而不校正采集的带外波形的相位，结果是滤波后的波形有很大的过冲和很小的下冲时，尽管这感觉可能比较舒服，但幅度测量和边沿速率测量的精度会恶化。因此，就快速上升沿和下降沿的测量而言，使用线性相位校正的DSP滤波技术的测量结果最为精确。(本文后面将更详细地讨论相位校正滤波技术。)
　　最好的方法是尽力忽略下冲现象，把快速边沿脉冲开始前的这种“摆动”看作实时示波器采用正确DSP滤波器的一种标志，这种技术可以最精确地表示带外信号的整体特点。也可以把下冲信号看成一种标志，表明您应该使用更高带宽的实时示波器，或者使用高带宽取样示波器，如Agilent 86100C。如果不可能进行重复取样，而且合适的高带宽实时示波器尚未面世，那么您可能必需接受，实时测量结果是当前实时取样和滤波技术所能实现的最好结果。
　　如前所述，sin(x)/x DSP滤波会明显改善测量分辨率和精度，使其远远高于实时取样间隔 (1/取样速率)。通过安捷伦20 GSa/s 54855A示波器，在单次采集中使用sin(x)/x滤波时，增量时间测量精度可以改进到+/-7 ps (峰值)。在某些情况下，使用sin(x)/x滤波技术会影响吞吐量，换句话说，滤波器导致示波器显示屏更新速度太慢。但是，由于使用sin(x)/x滤波可以增强精度，因此所有缺点显得都不那么重要。
　　目前，所有主要实时示波器厂商都允许用户决定是否使用sin(x)/x滤波技术。这种工作模式是安捷伦示波器是一种默认选项，但用户可以选择其它选项。
　　幅度平坦滤波技术
　　幅度平坦滤波用来校正示波器硬件中的非平坦频响。在理想情况下，示波器应拥有完美的平坦硬件响应，直到示波器的自然带宽滚降点，如图2中的曲线所示。这意味着如果您测量幅度不变、但频率变化的正弦波，应一直测量相同的幅度，直到接近滚降频点。遗憾的是，在接近示波器的带宽极限时，频率响应的平坦度趋于恶化。通常情况下，硬件本身会导致的信号在某些频点上衰减，某些频点上则出现幅值放大。事实上，示波器设计工程师通常会在示波器硬件中的带宽极限附近故意引入幅值放大，以补偿频率相关的幅值衰减，把示波器推到更高的带宽频响上。
　　图3中的红色曲线(顶部)显示了Agilent 54855A实时6 GHz示波器的典型硬件频响。可以看到，这一示波器的硬件响应满足了6 GHz的–3dB硬件模拟带宽标准，但响应还在大约3.5 GHz上显示了约+1dB的峰值，在大约5.5 GHz上显示了接近+2dB的峰值。当前没有示波器制造商指定示波器频响的平坦度。示波器指定的唯一频域指标是–3dB带宽点。即使示波器拥有+6dB的峰值，这在某些带内频率上相当于60%的幅度误差，只要–3dB点高于指定带宽，那么示波器就会被视为符合规范。但与较高频率的衰减会恶化测量精度一样，幅度放大也会恶化测量精度。

图3: 幅度平坦滤波器响应

　　图3中的蓝色曲线(底部)显示了使用幅度平坦滤波技术时54855A校正后的幅度频响。通过这种DSP/软件滤波器，在接近6 GHz带宽前，示波器的校正频响偏差一般会低于+/- 0.5dB，该FIR滤波器是始终存在的，不可已被去掉，示波器在以最大取样速率取样时，它一直在起作用，以校正硬件滤波误差。软件滤波器和硬件滤波器相结合，测量精度要高于单纯硬件滤波器产生的测量精度。
　　相位校正滤波技术

图4: 同相谐波

　　高速数字信号由多个频率成分组成，包括基波和谐波。在理想情况下，数字信号的基波和谐波是严格同相的，各频率成分之间没有相差或时延，如图4所示。遗憾的是，示波器的硬件在高速信号的高阶成分中引入了相移，只能通过大幅提高仪器模拟带宽或使用相位校正DSP滤波技术来消除这种影响。图5显示了五次谐波(绿色曲线)相对基波和三次谐波有时延的实例。结果是在示波器显示屏上出现失真的波形显示。如果没有相位校正技术，这种失真通常会在波形显示中表现为过高的过冲，同时边沿速率会下降。高速数字设计人员通常会忽视失真的过冲成分，认为测得的过冲实际上出现在测得的输入信号上。但事实可能并非如此，实际可能是硬件能力不够而导致的测量误差。

图5: 延迟的第5个谐波

　　图6中的红色曲线显示了54855A硬件在较高输入频率上导致的典型频率相关相位误差。本图中的蓝色曲线显示了使用相位校正DSP/软件滤波技术得到的校正后的相位响应。可以看出，这个软件滤波器把相位误差校正到远远超过仪器的带宽指标。

图6: 校正的和没有校正的相位响应

　　图7是对基于高阶最大平坦响应的6GHz硬件系统，使用相位校正和没有使用相位时校正的快速边沿信号的仿真图。在相位校正波形(左边/红色曲线)中可以注意到波形上存在下冲和过冲，而这些下冲和过冲实际上并不存在，该测量结果表明被测信号超过示波器–3dB带宽频点，而且该示波器采用了线性相位系统响应。右边的蓝色波形是没有相位校正的示波器测量的结果，可以看出，虽然没有下冲，但其上冲却非常高。相位校正波形(左边/红色曲线)中，顶部和底部的过冲误差得到整体改善。而且最重要的是，使用相位校正技术，对带内信号或带外信号的定时测量，如上升时间和下降时间的精度要高得多。在Agilent 54855A示波器中，该相位校正滤波器是不可以被去掉的，以保证对硬件相位误差进行校正。

图7: 使用相位校正及没有使用相位校正时的脉冲响应

　　减噪滤波技术
　　正如您所预期的那样，减噪滤波技术会降低示波器本底噪声的影响。示波器是宽带仪器，带宽越高，本底噪声越高。这种硬件导致的误差在宽带仪器中是不可避免的。通过Agilent 54855A示波器，您可以选择减噪滤波器，改善测量精度，它是通过在很宽的范围内设置带宽限制来实现的。

图8:  未采用降噪滤波器，测得的本底噪声为2.8 mV RMS

　　图8是在没有使用减噪滤波技术时，使用6-GHz带宽54855A示波器捕获1 GHz正弦波的实例。通过使用无限余辉显示模式，在累积采集1000次以后，我们在这个捕获的正弦波上看到示波器的硬件本底噪声导致的噪声，大约2.8 mV RMS。上面/黄色曲线是100mV/格时放大到接近满量程的输入信号。下面/绿色曲线显示了对波形峰值部分进行放大10倍后显示。

图9:降噪滤波器参数设置为2 GHz，测得的本底噪声为1.6 mV RMS

　　图9显示了相同的1 GHz正弦波，但现在是使用2 GHz带宽减噪滤波器。在累积采集1000次以后，我们看到由于系统本底噪声降低了近一半。这里，上方/黄色曲线仍显示了100 mV/格时放大的输入信号，下方/黄色曲线显示了对波形峰值部分进行放大10倍后显示，因此我们可以更清楚地看到使用减噪滤波技术后，示波器本底噪声大幅下降。
　　在测试带宽较低的信号或边沿速率相对较慢的信号时，采用减噪滤波技术通常会增强幅度测量和时间相关测量的精度。如在测量抖动时，抖动测量误差成分中最大、但经常被忽视的是垂直噪声导致的抖动/定时误差。垂直噪声和时间相关测量误差之间具有直接关系，是信号斜率(slew rate)的函数。尽管难以很直观地解释这一技术，但确实在测量带内信号时，降低测量系统带宽实际上会改善抖动测量的精度。启动减噪滤波会自动降低仪器本底噪声导致的抖动。由于提升带宽与降低本底噪声相矛盾，在Agilent 54855A 示波器中，我们让用户可以选择是否使用减噪滤波。
　　带宽增强滤波技术
　　带宽增强滤波技术有时也称为“带宽提升技术”，可能是最不直观的DSP滤波技术。目前某些高带宽实时示波器中采用了这种技术。一旦硬件已经衰减信号，怎样才能增强系统的带宽呢？答案很简单，使用软件把信号放大。一旦把数字化信号分成各种正弦波频率成分，那么可以使用软件选择性地“放大”个别频率成分，把衰减的频率成分，用软件滤波方法将示波器–3dB点频响点提升到更高的频率，如图10所示。本图中的红色曲线(底部)显示了典型的硬件频响。绿色曲线(顶部)表示带宽增强滤波器，蓝色曲线(中间)表示改进的系统带宽响应，可以看到，带宽已经“被提升到”更高的频率。除提高带宽外，这种特定滤波器还为示波器生成更陡峭的滚降特点，帮助降低高频噪声，在测试带外输入信号时帮助消除假信号。

图10:带宽增强滤波技术

　　这里也有一个很大的缺点。我们已经提到，示波器是一种宽带仪器，仪器的本底噪声可能会明显恶化测量结果。带宽增强滤波技术同时也放大了仪器的本底噪声。因此，在使用示波器FIR DSP滤波器的带宽增强功能时，会影响信噪比。
　　尽管带宽增强滤波技术在当前某些带宽较高的实时示波器中是一种相当新的功能，但这在测试测量业内并不是一种新技术。多年来，安捷伦一直在网络分析仪和频谱分析仪中使用带宽增强技术。事实上，安捷伦在使用20GHz 取样示波器中，很早就已经采用这种技术，进行TDR测量时仿真更快的边沿速率。这种技术在当前具有TDR测量功能的取样示波器中称为“归一化”。

图11: 没有采用带宽增强技术时测量的上升时间

　　图11是使用6GHz 示波器测量带外信号的实例。输入信号具有大约50 ps的上升时间 (10% - 90%)。但由于示波器硬件的上升时间指标是70 ps，我们的测量结果为74 ps。通过使用7 GHz带宽增强滤波技术，我们现在可以进行更精确的测量，测量结果为66 ps，如图12所示。但是，可以看到这一波形顶部和底部的基线噪声已经提高。在标准6 GHz带宽模式下，示波器的本底噪声在100mV/格设置时测得的结果约为3 mV RMS。在使用7 GHz带宽增强滤波技术时，本底噪声提高到大约6 mV RMS。

图12:使用7-GHz带宽增强技术时测量的上升时间

　　在Agilent 54855A示波器上使用带宽增强DSP滤波技术的另一个优点是，可以使用8GHz的有源高阻探头，以实现高达7GHz的系统带宽进行测量。
　　总结
　　当前许多工程师一般信任硬件滤波技术，而怀疑DSP滤波技术，因为后者基于软件。我们在本应用指南中已经阐述，在示波器波形上采用DSP滤波的目的是校正硬件滤波误差。软件滤波不应视为一种不真实的处理方式，而更应看作一种数据还原方式。重要的是，您要清楚DSP滤波技术有没有带来副作用，若有，有那些。多年来，我们使用软件校正示波器中的硬件误差，包括增益/偏置校准及信道之间的偏移校正时延。还可以使用软件，校正采用DSP滤波技术时更加复杂的与频率相关的硬件误差来源。
　　本应用指南中讨论的部分滤波器特点拥有很小的副作用或没有副作用，如幅度平坦和相位校正滤波技术。正因如此，在Agilent 54855A示波器以最大取样速率取样时(20GSa/s)，用户不能选择这些特定的滤波器特点，而是作为默认操作方式使用。因为我们相信sin(x)/x 波形重建滤波会改善测量精度和显示质量，因此这一特定的滤波器特点也作为示波器的默认工作模式使用，但用户可以简便地禁止这种功能。使用sin(x)/x滤波的主要副作用是降低示波器响应速率。
　　示波器 FIR DSP滤波器的其它特点(包括减噪和带宽增强滤波)对带宽和本底噪声的影响非常明显。正因如此，这两种滤波器特点都没有作为默认的示波器工作模式，用户必须启动这些功能才能使用。
　　一旦了解了某些滤波类型中固有的问题，那么您就可以放心使用DSP滤波技术，改善实时示波器的精度和分辨率，并清楚何时应避免使用DSP滤波技术。

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由uClinux与MC68VZ328构成数字存储示波器

由uClinux与MC68VZ328构成数字存储示波器

来源：单片机及嵌入式系统应用  作者：范晓（王旬） 高金山

摘要：介绍嵌入式μClinux操作系统；在该操作系统上使用Motorola MC68VZ328 CPU、FIFO存储器，设计实现一种数字存储示波器；在软件实现上，利用μUlinux的多任务特性。系统最大采样频率为40MHz，具有LCD显示和触摸屏界面。

    关键词：嵌入式系统 数字存储示波器 FIFO 多任务

数字存储示波器是一种具有数据存储、预触发、波形存储、便于与PC机通信等特点和优点的便携式智能仪器，广泛应用于机械故障检查、野外作业、工业现场等。本文介绍的便携式数字存储示波器构建于嵌入式μClinux操作系统平台之上，采用Motorola公司的龙珠系列MC68VZ328（以下简称VZ328）芯片作为处理器，采样频率与放大幅度可通过触摸屏调节；系统成本低、操作简单，可实现采集、存储和分析功能，具有实际应用前景。

1 嵌入式系统简介

1.1 嵌入式μClinux系统

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机为基础，软硬件可裁减，适用于系统对功能、可靠性、成本、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式Linux(Embedded Linux)是指对Linux经过小型化裁减后，能够固化在容量只有几百K字节存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合的专用Linux操作系统。嵌入式Linux的开发和研究是目前操作系统领域的一个热点。

本文介绍的系统采用一种优秀的嵌入式操作系统——μClinux。它主要面对non-MMU的处理器，其主要特征为[1]：

①是一个多任务的嵌入式操作系统；

②内核小，只有512K左右；

③同Linux系统的API保持一致；

④继承了Linux系统成熟的网络协议栈；

⑤支持一些主要的文件系统，如：FAT、EXT2、ROMFS、JFFS。

1.2 处理器简介

图2 FIFO工作时序

    VZ328是Motorola公司MC68328 CPU家庭龙珠系列中的第一款。VZ328基于Motorola FLX68K核，内部还集成了控制逻辑和SDRAM、LCD、SPI、UART、定时器/PWM和多达76位的通用I/O（GPIO）。运行在33MHz时，VZ328处理能力为5.4MIPS。该处理器主要针对外部设备较少的手持设备，工作电压为3.3V。

2 系统构成

2.1 系统组成

系统组成框图如图1所示。

图1中，ADC采用的是Philips公司的8位高速并行A/D，最高采样频率为40Msps。采用的是IDT公司1024×9位先进先出FIFO存储器。由于该款FIFO的最高存取速度为35ns，为了保证系统40Msps的采样频率，我们通过使用双FIFO与A/D相连接，A/D输出的数据轮流存入FIFO A和FIFO B中来保证整个系统的性能。采样信号与FIFO存储器读和写的工作时序如图2所示。VZ328与采集卡之间的接口详见2.2节。

2.2 系统接口设计

系统使用了VZ328的I/O端口读取数据并发出控制信号。具体方案如图3所示。

系统利用J口实现数据的输入输出，利用D口和G口来进行控制。J口在输入数据进要求该口的方向寄存器PJDIR置为0，在输出数据时要求PJDIR置为1。采集的信号经过A/D变换后首先进入FIFO存储器，当从FIFO中每读出一个数据后需要再向其发送一个读数脉冲信号，这样才能保证正确读出下一个单元内存储的数据。该读数脉冲由G口的第四位PG4给出。数据从FIFO存储器中被读出后经过锁存器进入端口J的数据寄存器PJDATA中，锁存信号由D口的第四位PD4给出。当CPU读周期到来时，数据由端口被读入内存。采样频率控制信号由J口的J5、J6、J7三位输出，数据采集复位信号RESET由J口的J0位输出，两者的锁存信号均由D口的PD5给出。类似地，幅值控制信号由J口的J0、J1、J2三位输出，锁存信号由D口的PD7给出。此外，每当数据采满1K时，FIFO存储器会产生一个中断信号INT。该信号由D口的PD6输入。

    2.3 系统软件结构

基于嵌入式Linux的数字示波器系统主要分为数据采集和存储模块、波形显示和刷新模块以及触摸屏控制模块三个部分。系统软件由Linux下的C语言编程实现。

（1）数据采集和存储模块

采集存储模块流程如图4所示。

系统首先向采集卡发送所要求的频率和幅值信号，然后发出复位信号RESET，采集卡开始采集数据。采集到的数据经过FIFO存储器，由J口读入内存并存入指定数据缓冲区之中。在存储过程中，采用了双缓冲区机制，数据按1K大小分块，相邻的两块数据交替存放在内存的不同区域中。在每读入1K个数据之后，内存中都存在连续的2K个采样数据，这样有助于以后对数据的处理和显示。

（2）波形显示和刷新模块

本系统中使用一块大小为240×320像素的黑白液晶显示屏。VZ328为LCD的控制提供了良好的支持，其实现主要通过LCD控制器完成。

    存放在内存中的数据经过坐标变换之后就可以在LCD上进行显示了。在显示之前，因为LCD的坐标系与显示波形时所用的坐标系y轴方向相反，且需要将波形显示在屏幕的特定区域内，所以要对数据进行归一化处理。从端口读入数据的范围为0～0XFF，0点对应于LCD上y轴坐标的190，0XFF对应于LCD上y轴坐标的50，则0X7F对应于LCD上坐标为120的点，即屏幕显示的零点。相应的转化公式为

Y=120-(DATA-0X7F)×70/0X7F

其中DATA为从端口读入的数据；

Y是DATA在LCD上显示的y坐标。

LCD一屏可以显示300个数据点，点与点之间用矢量法直线相连。

（3）触摸屏控制模块

触摸屏是附着在LCD表面的一层透明薄膜，它将压力转换成模拟电信号，模拟信号再经过A/D转换被采样。触摸屏的工作流程如图5所示。

触摸屏通过中断方式完成其功能。从执行流程上来说，首先在TouchPanel_init()中完成两件事：注册驱动程序和注册中断。

对于触摸屏设备，主设备号为58，设备名为“ts7843”，驱动程序子函数集为TouchPanel_fops。TouchPanel_fops中指定了read、select、open、release

四个操作子函数的地址依次为

ReadTouchPanel、TouchPanelSelect、OpenTouchPanel和CloseTouchPanel。

当用户进程调用open()打开/dev/ts7843时，内核调用OpenTouchPanel()；用户进程调用read()读该设备时，内核调用ReadTouchPanel()。request_irq()注册中断处理，中断为TOUCHPANEL_IRQ_UNM，中断处理程序为TouchPanelInterrupt（），说明为“TouchPanel”。

当触摸屏有数据来到时，中断被触发，调用中断处理程序，准备处理数据。

在本系统中，触摸屏主要用于改变采样的频率和幅值放大倍数。在LCD的上方有四个长方形区域，分别对应着幅值增加、幅值减小、频率增加和频率减小。幅值和频率的选定值存放在指定内存单元中，在触摸屏检测到触摸点的坐标在相应区域中后，就会根据程序预先设定好的顺序和数值为增加或减少幅值或频率。

2.4 μClinux多任务系统与共享内存管理

在传统的单片机系统中，软件往往是个控制环，让多个功能模块按顺序执行。在一个功能较多的系统中，为了保证系统的各项性能，程序会变得越来越复杂和庞大。由于μClinux是一个多任务的嵌入式操作系统，内核允许将一项工作划分成几个相互独立的任务，应用程序的设计得到了简化；更重要的是缩小了整个系统的响应时间，提高了系统性能。数字存储示波器的设计需要进行数据采集。对于这样的系统来说，应尽可能地少丢失数据采样点。在μClinux中可同时运行多个任务，且前台任务比后台任务具有较高的优先级，因此，合理的方案是将采集部分和显示部分安排在前台，而将触摸屏控制部分放在后台运行。这样可以保证整个系统有效地完成各项功能。

数字示波器在采样和显示过程中，要求可以随时改变采样频率和幅值，所以在前后台任务之间需要进行同步和通信。任务之间的通信是通过共享指定的物理内存单元来实现，不同任务之间对共享内存单元的访问是互斥的。ΜClinux的设计针对没有MMU的处理器，不能使用虚拟内存管理技术。ΜClinux系统对于内存的访问是直接的，它对地址的访问不需要经过MMU，而是直接送到地址线上输出，所有程序中访问的址都是实际的物理地址，操作系统对内存空间没保护。当触摸屏检测到有改变幅值或频率的信号发生时，就去修改指定单元中存储的数据，这样的内存单元对于两个任务来说属于临界资源。在触摸屏修改内存期间，需要禁止其它程序对该内存进行任何操作。同样，采集程序每次在发送幅值和频率信号之前，要对该内存单元进行读操作。若在此时有触摸屏信号对内存提出写操作要求，程序就应该进行等待，直到采集部分的读操作执行完毕，释放内存的访问权。

3 结论及展望

经实践证明，基于嵌入式Linux的40MHz数字存储示波器的设计，是具有一定可用性及可靠性的。在目前已有功能的基础上，我们还将开发频谱分析等更多的功能。整个系统设计体现了嵌入式Linux系统适应性强、体积小、成本低、开放源代码、开发使用容易等特点。由于使用了μClinux，系统的控制逻辑结构清晰，与普通的单片机系统相比，在对功能的进一步扩展、移植及接入网络等方面都有着极大的优势。

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当代数字示波器的发展应用

当代数字示波器的发展应用

来源：21IC中国电子网 作者：佚名

数字示波器自上个世纪七十年代诞生以来，其应用越来越广泛，已成为测试工程师必备的工具之一。随着近几年来电子技术取得突破性的发展，全世界数字示波器市场进一步扩大，而作为在世界经济发展中扮演重要角色的中国，飞速发展的电子产业也催生了更庞大的数字示波器需求市场。

    面对如此庞大的市场，世界以及中国本土示波器制造商一方面增强中国市场的进军力度，另一方面也紧贴市场的需求，最大程度的满足用户的实际使用需求。RIGOL（北京普源精电科技发展有限公司）总经理李维森指出：目前新的技术应用越来越多，测试要求也越来越高，谁能不断满足用户不断变化的测试需求，谁就能赢得市场。

不断满足行业应用新标准
    一些业内主要厂商，例如微软，Intel，三星或者西门子等等，他们在实现各自的远景目标过程中都会借助很多的行业新标准。就拿PC来说，一个PC内所含的新标准不下二十种。作为测试平台的提供者，为PC行业的用户提供测试方案时，就必须考虑这二十多种新的行业标准并根据这些标准为PC行业的用户分别提供测试软件和解决方案。在今后的通信和娱乐消费电子行业，特别是电源设计领域，新的应用和标准不断涌现，电子设计工程师在技术开发的过程中每天都要面临着这些新技术所带来的挑战。示波器制造企业就需要针对这些新的标准推出自己的解决方案和工具，从而帮助用户基于这些新的技术开发出新的产品，而这些产品最终能够促进整个电子行业的发展。

    在与国外测试测量巨头的博弈中，示波器领域，中国企业已取得非常大的突破。RIGOL公司作为中国仪器界崛起的生力军，继DS5000系列数字示波器创下销售佳绩，获得专业人士好评之后，于2006年初又投下一颗重磅炸弹，推出一款性能卓著的紧凑型数字存储示波器――DS1000系列。DS1000系列在性能上不仅全面超过国外同类产品，打破了在这个领域国外产品一统天下的局面，同时又在原DS5000系列产品上大胆创新，使DS1000系列成为为数不多体积小巧、功能强大、性能卓越的低端数字示波器，弥补了国内空白。

    在很多生产领域，数字产品离不开模拟产品的配合，各种新型应用对模拟产品提出了新要求，同时也影响着模拟产品的发展方向。以目前市场热点3G手机为例，其实数字算法问题早已解决，但电源待机时间、声音效果、背光等还不能满足用户的需求，而这些都属于模拟技术的范畴。   

    此外，信号传输在现代工程中是很重要的一个技术环节，通常使用多芯电缆将模拟信号和数字信号独立多线传输。但在信号传输中，数字信号将对模拟信号产生干扰，目前采用的解决方法是可以设计这样一个系统：利用单片机来实现模拟信号和数字信号在单线中的混合传输。而这其中的测试和调试就要求示波器必须能构对数字信号和模拟信号同时进行分析和显示。使用DS1000示波器可以同时采集16路输入DAC（数模转换器）的数字信号和两路输出的模拟信号。这一性能给数字模拟混合信号的开发、测量和调试带来了极大的方便。

    李维森表示，RIGOL近几年中之所以能够快速增长，其中的一个重要原因就是利用强大的本土优势，能很好地应对来自客户和整个行业的一系列新标准，结果就是用户能够更快更好地完成他们的工作。

功能集成趋势明显
    有关专家指出，在今后几年中，高速数据系统的设计和开发还将面临着一个非常重要的发展趋势，这就是不论是开发未来的手机、计算机系统还是高速通信系统，用户会越来倾向于同时使用一台示波器和一台频谱分析仪，来同时从不同的角度全方位地捕获和分析系统中的信号，从而解决来源于不同角度的问题。今后市场的发展让示波器需要面对更多的应用，因此示波器的多功能集成对于测试供应商来说更为重要。所以企业在开发测试平台时不仅要提供多功能硬件平台，同时也通过提供合理的应用软件来丰富测试平台，能够去面对各种复杂的测试任务。

    目前国内外示波器制造商都在向这个方向发展。RIGOL新近推出的DS1000系列数字示波器具有相当卓越的性能指标和众多强大的功能。DS1000系列是目前市场上唯一包含了逻辑分析模块的低端数字示波器，不仅如此它还具备丰富的触发功能和独一无二的可调触发灵敏度，用户可用一台示波器同时观测模拟和数字信号，并可以在各种复杂信号中稳定触发；显示器采用16位彩色TFT液晶显示系统，使波形显示更加清晰；DS1000 存储深度最大可达1M，正常模式也可达到512K。 

    除了以上创新功能外，DS1000还具有诸如模拟显示、数字滤波器、波形录制、波形亮度调节、USB HOST功能，并支持U盘和USB接口打印机，满足客户多方面的操作需求。使用户在测试过程中，真正达到一次多测量的功能需求。

    专家强调，电子新技术的发展，使得工程师的测试工作越来越繁琐，也使得他们的任务越来越重，很明显这些工程师更趋向于能够一次可以实现多测试功能，节省工作时间，提高工作效率的数字示波器。

    在多功能的应用中，触发功能显得非常重要，示波器触发决定了利用示波器能够捕获、观看和测量的信号。触发系统的技术指标体现了一个简单的问题：在频率范围顶部附近捕获信号时，对信号振幅的要求则是触发灵敏度与模拟采样带宽相匹配。   

    在工程师的日常工作中，经常要观察一些特殊信号的变化过程，但是之前所使用的示波器只具有上升或下降沿触发的功能，并且只针对单个信号。DS1000系列示波器的触发方式有一种就是上升&下降沿触发，解决了这个难题。斜率触发是根据信号的上升/下降时间的快慢来判断触发，相比边沿触发更加灵活和准确。而DS1000系列示波器的触发功能中，交替触发功能显示出了明显的优势。交替触发功能是模拟示波器的功能在数字示波器中的重现，这一功能保证了即使是两个非同步信号，也能够同时稳定的触发，大大提高了工作效率。

趋于美观、更具移动性
    当一个行业以及产品发展到极度成熟的时候，实用性与艺术性都会同时体现出来。当代数字示波器除了追求强大的功能以外，外观精美、款式小巧，便于移动也成为发展的一个趋势。

    具有强大功能的DS1000系列最直观的特点就是它的超薄设计和精巧外观。多年来，示波器制造商一直遵循CRT领域的设计规则，示波器在体积方面要能够适应深CRT和相关电子器件。这导致其包装很大、通常也很笨重，很难移动或很难安放在工程师的工作台上。而DS1000系列紧凑的内部结构使得其厚度仅仅只有154mm，体积是同类产品的1/3左右。小巧的体积大大减少了桌面的占用面积，非常适合拥挤的工作台使用，而且便于携带。不仅如此，外观完美的圆弧曲线设计、精致的按钮大大增加了机器的美感和触感。

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