第3章时域测量3.5-3.7

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1、3.1 时域测量引论 3.2 示波管 3.3 波形显示原理 3.4 通用示波器 3.5 取样技术在示波器中的应用 3.6 数字示波器 3.7 数字示波器的应用,第3章 时域测量,3.5.1 取样示波器的基本原理,1取样的基本概念 取样就是利用采样门把连续时间信号变成离散时间信号。 取样分为实时取样和非实时取样两种。 从一个信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法称为实时取样。 从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样，或称为等效取样。,3.5 取样技术在示波器中的应用,3.5.1 取样示波器的基本原理,2.实时取样示意图,3.5.1 取样示波器的基本原理,3.非实时取样

2、示意图,3.5.1 取样示波器的基本原理,3.5 取样技术在示波器中的应用,4.取样门及取样脉冲,核心电路取样保持器示意图 两个取样脉冲的时间间隔为 ，由于波形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示较高频率的信号。,3.5.1 取样示波器的基本原理,3.5 取样技术在示波器中的应用,3.5.2 取样示波器的基本组成,显示过程,在量化信号(a)与阶梯扫描信号(b)共同作用下，就可在荧光屏上显示出被测高频信号的波形如图(c)，当取样点足够密时， 即图(c)中亮点足够密时，该波形便能无失真地表现被测高频波形。 (两个通道加的都是阶梯波，Y阶梯电压值对应取样值，X阶梯电压值与时间成正比。),取样

3、示波器的X通道中的时基单元，除了产生阶梯波电压外，还产生与扫描电压同步的t延迟脉冲，用以同步取样门及延长门脉冲发生器，使整个系统协调地工作。 取样示波器是一种非实时取样过程，它只能观测重复信号，对非重复的高频信号或单次信号，只能用高速示波器进行观测。,3.5.2 取样示波器的基本组成,3.5 取样技术在示波器中的应用,3.5.3 取样示波器的参数,1.带宽 要提高取样示波器的带宽，取样门用元件的高频特性要足够好；其次取样脉冲本身要足够窄。 取样脉冲通常有两种形式：规则脉冲和尖三角脉冲。 取样门的最高工作频率为 （为取样脉冲底宽），即与取样脉冲底边的宽度成反比。,3.5 取样技术在示波器中的应用

4、,3.5.3 取样示波器的参数,2.取样密度 指电路扫描时，在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数，常用每厘米的光点数来表示。 屏幕上的光点总数为 （Us为X方向最大偏转电压；us为阶梯波每级上升的电压）。 使Us变小，可使总点数增加，即取样密度变大；但取样点过多可能导致波形闪烁。,3.5 取样技术在示波器中的应用,3.5.3 取样示波器的参数,3.等效扫速 等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。 在取样示波器中，虽然在屏幕上显示n个亮点需要n（mT+t）的时间，但它等效于被测信号经过了nt的时间。,Us为X方向最大偏转电压；L为X轴展宽距离； 为快斜波的斜率。,

5、3.6 数字示波器,3.6.1 数字示波器的组成原理,3.6 数字示波器,3.6.1 数字示波器的组成原理,当处于存储工作模式时，其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。 在存储工作阶段，将模拟信号转换成数字化信号，在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。 在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出转换成模拟信号，经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，驱动CRT的X偏转板。,工作过程,3.6.2 信号的采集处理技术,数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，简称为DSO）,数字三维示波器（Dig

6、ital Three-dimensional Oscilloscope，简称为DTO） 数字荧光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope，简称为DPO）,3.6.2 信号的采集处理技术,（1）CCD器件和A/D相结合 对被测信号进行非实时取样后借助CCD进行信号的模拟存储。然后将CCD中存储的信号读出并进行A/D转换，其结果存入RAM。,CCD,3.6.2 信号的采集处理技术,（2）扫描交换管和A/D相结合 将高速信号存储在扫描变换管的靶面上，然后通过电子扫描靶面以图像信号输出的形式取出存储信号，并经A/D转换将数字化结果存入存储器。 （3）等效取样和A/D相结合 采

7、用等效取样的方法将高速信号变为低速信号，对此低速信号进行采集、存储就可能完成测量任务。,3.6.2 信号的采集处理技术,（4）多通道组合 将多个通道的采集能力均用于一个通道对被测信号进行采集。,3.6.3 波形显示方式,（1）存储显示 适于一般信号的观测。 （2）抹迹显示 适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。 （3）卷动显示 适于观测缓变信号中随机出现的突发信号。,3.6.3 波形显示方式,（4）放大显示 适于观测信号波形细节。 （5）XY显示,3.6.3 波形显示方式,（6）显示的内插 插入技术可以解决点显示中视觉错误的问题。 主要有线性插入和曲线插入两种方式。,线性插值是重

8、构原理比较简单的一种插值方法，局限于重构直边缘的信号，比如方波。 正弦插值利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果，利用曲线连接样点，通用性更强。,3.6.3 波形显示方式,线性插值,正弦插值,（6）显示的内插,3.6.4 技术性能指标,1带宽,定义：示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，显示屏上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下降3dB时，其下限到上限频率的范围。,3.6.4 技术性能指标,2.最高采样速率 指单位时间内取样的次数，用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量。 实时取样速率： N为每格的取样数； t/div为扫描一格所用的时间即扫描时间因数）。,3.6.4 技术性能指标,3存储

9、深度 表示示波器在最高实时采样率下连续采集并存储采样点的能力，通常用采样点数（pts）表示，表示DSO能够连续存入采样点的最大字节数。 最大存储深度由示波器的存储器容量决定，增加存储深度可通过外部存储器实现。 存储深度越深越利于观察波形细节,普通存储与深存储比对,普通存储,深存储,10MHz正弦波,展宽后无法观测到正常波形,展宽后可以观测到正常波形,3.6.4 技术性能指标,4.分辨力 包括垂直分辨力（电压分辨力）和水平分辨力（时间分辨力）。 垂直分辨力取决于A/D转换器对量化值进行编码的位数，常以屏幕每度的分级数(级div) 来表示。 水平分辨力又称时间间隔分辨力 以DSO进行t测量时最小时

10、间间隔表示。,3.6.5 基本功能特点,1.波形显示不受波形的采样和存储方式的限制 波形的采样/存储与波形的显示是独立的 采样速率、存储深度、读出速度 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用(时间)/div来表示。 2.多种信号采集方式 取样 可能漏掉采样间隔中的窄脉冲 峰值检测 平均 可以减少随机噪声的影响,以某一时间间隔对信号进行采样,用采样间隔中的最大值和最小值来显示波形,采集多个波形，最后显示平均处理后的波形,3.6.5 基本功能特点,3.具有预触发功能 不仅能显示触发后的信号，还能显示触发前的信号 4.多种测量方式 刻度测量 光标测量 自动测量,3.6.5 基本功能特点,5.便

11、于对储存的数据进行处理 如：信号比较、信号滤波、FFT（Fast Fourier Transformation）分析信号的频谱、失真度、调制特性等。 6.多种信号显示方式 存储显示 抹迹显示 卷动显示 放大显示 XY显示 显示的内插,3.7 示波器的应用,1.根据示波器的性能指标选用,上限频率应大于测量信号的3倍以上,观测微弱信号,水平方向上展开信号的能力,例：观测50MHz正弦波,示波器的通频带上限150MHz,例：速度快展开高频或窄脉冲波形； 速度慢低频、缓慢变化的信号,垂直灵敏度,扫描速度,带宽,3.7 数字示波器的应用,2.示波器的选择原则,比较2个被测信号 低频缓慢变化的信号 观测信

12、号的局部波形 瞬间变化的信号 窄脉冲信号 快速变化的非周期性信号,慢扫描长余辉示波器 存储示波器 触发扫描示波器 高速示波器 多踪示波器 双时基示波器,练习题,示波管由 、 和 三部分组成。 取样示波器采用_取样技术扩展带宽，但它只能观测_信号。 在没有信号输入时，仍有水平扫描线，这时示波器工作在_状态，若工作在_状态，则无信号输入时就没有扫描线。 当示波器的时基因数为20m s/cm时，荧光屏上正好完整显示一个的正弦信号，如果显示信号的4个完整周期，扫描速度应为（ ）。 A:80 ms/cm ； B:5 ms/cm ； C:40 ms/cm ； D:小于10 ms/cm,电子枪,偏转系统,荧光屏,非实时,周期,连续扫描,触发扫描,A,练习题,用示波器观测正弦波时，荧光屏上得到如图所示波形，试分析示波器哪个部分工作不正常?,(1)为扫描锯齿波线性度不好；,(2)Y放大器引入失真，出现削顶，产生截止失真,(3)有扫描回线，增辉电路工作不正常,练习题,用双踪示波器观测两个同频率正弦波a，b，若时基因数为20us/cm，而荧光屏显示两个周期的水平距离是8cm，问： （1）两个正弦波的频率是多少？ （2）若正弦波a比b相位超前1.5cm，那么两个正弦波相差为多少？用弧度表示。,相差,