第六章时域量1ppt课件

1、第六章 时域测量本本 章章 要要 点点 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域时域(Time Domain)(Time Domain)反映的幅度反映的幅度U U与时间与时间T T的关系的关系( (如示波器如示波器) )、频域频域(F

2、requency Domain)(Frequency Domain)反映的幅度反映的幅度U U与频率与频率F F的关系的关系( (如频如频谱仪谱仪) )及调制域及调制域(Modulation Domain)(Modulation Domain)。下面两章介绍两。下面两章介绍两种图示式仪器：时域种图示式仪器：时域示波器、频域示波器、频域频谱仪。频谱仪。 T T图图6.1 6.1 调频波频谱图调频波频谱图F FU U调制域调制域频域频域时域时域6.1.1 6.1.1 示波器的功用示波器的功用1. 1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。2.

3、 2. 示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升下降时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个比、上升下降时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。的。 3. 3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。4. 4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑示波

4、器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用分析仪以及医用B B超等各种图示仪器就容易理解了。超等各种图示仪器就容易理解了。6.1.2 6.1.2 示波器的分类示波器的分类当前常用的示波器从技术原理上可分为：当前常用的示波器从技术原理上可分为： （1 1模拟式模拟式通用示波器采用单束示波管实现显示，当前通用示波器采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。最通用的示波器）。 （2 2数字式数字式数字存储示波器采用数字存储示波器采用A/DA/D、DSPDSP等技术实现等技术实现的数字化示波器）。的数字化示波器）。（1 1中、低档示波器，带宽在中、低档示波器，带宽在60MHz6

5、0MHz以下。以下。 （2 2高档示波器，带宽在高档示波器，带宽在60MHz60MHz以上，大多在以上，大多在300MHz300MHz以下。以下。 更高档的有更高档的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。 从性能上，按示波器的带宽可分为：从性能上，按示波器的带宽可分为： 6.1.3 6.1.3 示波器的组成示波器的组成 Y Y垂直通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和垂直通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测主要对被测信号进

6、行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。量灵敏度。X X水平通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器水平通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏：主要由阴极射线管组成，显示屏：主要由阴极射线管组成，常以常以CRT (Cathode Ray Tube)CRT (Cathode Ray Tube)表示，通常称为示波管。当前以表示，通常称为示波管。当前以光点和光栅方式作显示屏的主要光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是是

7、后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏液晶显示屏LCDLCD已经应用于已经应用于示波器了。示波器了。 Y (Y (垂直垂直) )通通 道道X (X (水平水平) )通通 道道电源电源图图6.2 6.2 示波器的基本组成示波器的基本组成显示屏显示屏6.2 6.2 示波管示波管CRTCRT） 示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管CRTCRT）。）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A A3 315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管结构Z

8、Z轴轴6.2.1 6.2.1 电子枪电子枪电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：它由以下几部分组成： 1.1.灯丝灯丝FF在交流低压在交流低压( (如如6.3V)6.3V)下使钨丝烧热下使钨丝烧热, ,用于加热阴极。用于加热阴极。2.2.阴极阴极KK是一个表面涂有氧化钡其逸出功小，内部自由电子容易逸出）是一个表面涂有氧化钡其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属的金属 3.3.第一栅极第一栅极G1G1调节调节G1G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使

9、用。面板上供使用。 当控制信号加于当控制信号加于G1G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z Z轴电路。轴电路。4.4.第二栅极第二栅极G2G2隔离开隔离开G1G1和和A1A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.5.第一阳极第一阳极A1A1与第二阳极与第二阳极A2A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 6.6.第二阳极第二阳极A2A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1A1构成构成电子透镜。电子透

10、镜。 7.7.第三阳极第三阳极A3A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。阳极。 6.2.2 6.2.2 偏转系统偏转系统1.1.静电偏转静电偏转-光点法光点法-用于示波器用于示波器2.2.磁偏转磁偏转-光栅法光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。用于电视机、计算机显示器及示波器。2yyyaLsyUh UbU图图6.4 6.4 电子束的偏转电子束的偏转L LS SY YU Uy yUaUa屏幕屏幕电子束电子束A2A22yyyaLsyUh UbU比例系数称为示波管的偏转比例系数称为示波管的偏转因数，单位为因数，单位为cm/Vc

11、m/V，它的倒，它的倒数数DyDy1 1hyhy称为示波管的称为示波管的偏转灵敏度，单位为偏转灵敏度，单位为V/cmV/cm。偏转灵敏度是示波管的重要偏转灵敏度是示波管的重要参数。参数。6.2.3 6.2.3 荧光屏荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。光点的亮度取决于轰击电子轰击动能转变为光能，产生亮点。光点的亮度取决于轰击电子束中电子的数目、密度和速度。束中电子的数目、密度和速度。 余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上

12、保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的的1010，所延续的时间称为余辉时间，所延续的时间称为余辉时间 小于小于10s10s的为极短余辉；的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：不同荧光材料余辉时间不一样：10s10s1ms1ms为短余辉通常是蓝色，便于摄影感光）；为短余辉通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms1ms0.1s0.1s为中余辉通常为绿色，眼睛不易疲劳）；为中余辉通常为绿色，眼睛不易疲劳）； 0.1s0.1s1s1s为长余辉通常是黄色）；为长余辉通常是黄色）；大于大于1s1s为极长余辉通常是黄色）。为极长余辉

13、通常是黄色）。(b) Ux=0、Uy=常量6.36.3波形显示原理波形显示原理（1Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况： (a) Ux=0、Uy=06.3.1 6.3.1 显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形 (c) Ux=常量、Uy=0(d) Ux=常量、Uy=常量6.36.3波形显示原理波形显示原理（2 2Y Y偏转板上加变化电压偏转板上加变化电压Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-UxtX X偏转板上加变化电压偏转板上加变化电压（3 3Y Y偏转板加偏转板加正弦波信号电压，正弦波信号电压，X X偏转板加锯齿波偏转板加锯齿波电压，荧光屏上电压，荧光屏上将

14、显示出被测信将显示出被测信号随时间变化的号随时间变化的一个周期的波一个周期的波形曲线。形曲线。 Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描扫描”，能实现，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为称为“扫描正程扫描正程”，自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的，自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为过程称为“扫描逆程扫描逆程”。2.2.信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步2.2.信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步uyuy1 12

15、23 34 40 0t tTsTsuxuxuyuyuxuxX1X1X2X2Y1Y1Y2Y21 12 23 34 40 0t t0 0TnTn1 12 23 34 40 0图图6.6 6.6 扫描过程扫描过程uyuyT Ts sTnTnt t0 01 13 35 57 79 910108 86 64 42 20,80,81,91,95 53 37 7210210 4124126 68 81 1t tuxux2 25 57 79 91 12 23 33 34 44 45 56 66 67 710108 8图图6.7 6.7 扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测信号同步同步：同步：Tn/TS=nTn

16、/TS=nN=1N=1，2 2，波形稳定波形稳定若显示两个正弦波怎么办？若显示两个正弦波怎么办？（1 1Tn=nTs(nTn=nTs(n为正整数为正整数) )：荧光屏上将稳定显示：荧光屏上将稳定显示n n个个周期的被测信号波形。周期的被测信号波形。 uyTyTxuxtt（2 2TnnTs(nTnnTs(n为正整数为正整数) )，即不满足同步关系时，显，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。示的波形不稳定。 0123456，78910Tstuy012345Tx =5/4Tsuxt3.3.连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描：连续扫描：一开机就有扫描线，一开机就有扫描线，来信号同步后波形来

17、信号同步后波形才稳定。才稳定。触发扫描：触发扫描：一开机没有扫描线，一开机没有扫描线，只有在被测脉冲到只有在被测脉冲到来时才扫描一次。来时才扫描一次。TsTst tt tt tt tuyuyuxuxuxuxuxuxTnTnTnTn图图6.9 6.9 连续扫描和触发扫描的比较连续扫描和触发扫描的比较1mS1mS1S1S6.3.2 6.3.2 显示两个变量之间的关系显示两个变量之间的关系 Ux Ux和和UyUy配合起来，即能够画出任意的波形。利用这种配合起来，即能够画出任意的波形。利用这种特点就可以把示波器变为一个特点就可以把示波器变为一个XYXY图示仪。李萨如图形图示仪。李萨如图形6.4 6.4

18、 通用示波器通用示波器6.4.1 6.4.1 通用示波器的组成通用示波器的组成 通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指通用示波器是指示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管的各种示波器。采用单束示波管的各种示波器。 图图6.19 6.19 通用示波器的主要组成框图通用示波器的主要组成框图返回6.4.2 6.4.2 示波器的示波器的Y(Y(垂直垂直) )通道通道 示波器的示波器的Y Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管到示波管Y Y偏转板上。偏转板上。 1.1.探头探头作用作用提高输入阻抗作用提高输入阻抗作用减小外界干扰

19、减小外界干扰提高可测测电压幅度提高可测测电压幅度分类分类无源电压探头无源电压探头有源电压探头有源电压探头电流探头电流探头注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz300MHz带带宽的示波器可能不到宽的示波器可能不到50MHz50MHz的效果。的效果。 1)1)无源电压探头无源电压探头20pF20pF示波器示波器180pF180pF探头探头图图6.20 6.20 通用示波器探极原理图通用示波器探极原理图输入电阻：输入电阻：1M10M1M10M输入电容：输入电容：180pF18pF180pF18pF展宽了频带展宽了频带分压比：分压比：10101

20、 1扩展示波器的量程上限扩展示波器的量程上限附加一个附加一个RLCRLC阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了阻抗匹配网络，把工作频率上限提高到了300300MHzMHz以上。以上。 图图6.22 6.22 带有阻抗匹配时的无源探头带有阻抗匹配时的无源探头图图6.23 6.23 源极跟随器式探头的基本电路源极跟随器式探头的基本电路测量小信号测量小信号探头是怎样工作的补充）探头是怎样工作的补充） 示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，示波器探头不仅仅是把测试信号判定以示波器输入端的一段导线，而且是测量系统的重要组成部分。探头有很多种类型号各有其特性，以而且是测量系统的重要组成部

21、分。探头有很多种类型号各有其特性，以适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含适应各种不同的专门工作的需要，其中一类称为有源探头，探头内包含有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，有源电子元件可以提供放大能力，不含有源元件的探头称为无源探头，其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。其中只包含无源元件如电阻和电容。这种探头通常对输入信号进行衰减。屏蔽屏蔽 探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，探头的一个重要任务是确保只有希望观测的信号才在示波器上出现，如果我们仅仅使用一面导线来代替探头，那到它的作用就好象是一

22、根天如果我们仅仅使用一面导线来代替探头，那到它的作用就好象是一根天线，可以从无线电台、荧光灯，电机、线，可以从无线电台、荧光灯，电机、50或或60Hz的电源的交流声甚至的电源的交流声甚至当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，其些这类噪当地业余无线电爱好者那里接收到很多不希望的干扰信号，其些这类噪声甚至还能注入到被测电路中去。所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，声甚至还能注入到被测电路中去。所以我们首先需要的是屏蔽的电缆，示波器探头的屏蔽电缆通过们于探头尖端的接地线和被测电路连接，从示波器探头的屏蔽电缆通过们于探头尖端的接地线和被测电路连接，从而保证了很好的屏蔽。而保证了很好的屏蔽。

23、探头带宽探头带宽 和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。和示波器一们，探头也具有其允许的有限带宽。负载效应负载效应 当我们进行测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全当我们进行测量时，我们常常以为测得的电压和电路中未连入示波器时是完全一样的。一样的。 实际上，每个探头都有其输入阻抗，输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。实际上，每个探头都有其输入阻抗，输入阻抗包含了电阻、电容和电感分量。由于探头引入了额外负载，所以连入探头后就会影响被测电路。当我们分析测量结果由于探头引入了额外负载，所以连入探头后就会影响被测电路。当我们分析测量结果时必须考虑探头的特性以及测试电路的阻抗。时

24、必须考虑探头的特性以及测试电路的阻抗。 有些探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，有些探头里没有串联的电阻，这类探头主要就由一段电缆和一个测试头构成，因而，在其工作频率范围或有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为因而，在其工作频率范围或有用带宽之内，探头对信号没有衰减作用。这类探头称为1：1或或X1探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容包括电缆的电容与示探头。由于这类探头在测试点处将其自身的电容包括电缆的电容与示波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。波器的输入阻抗连在了一起，所以这种探头具有负载效应。 衰减式探头减小了负载效应衰减式探头减

25、小了负载效应 我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可我们可以在探头中增加一个和示波器输入阻抗相串联的阻抗，用这种办法就可以减小探头的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，以减小探头的负载效应。然而，这就意味着输入电压不能完全加到示波器的输入端，因为我们现在已经引入了一个分压器。因为我们现在已经引入了一个分压器。 2.2.输入衰减器输入衰减器 图图6.24 6.24 输入衰减器原理示意图输入衰减器原理示意图uiuiuouoC1C1C2C2R1R1R2R2对于直流或低频情况：对于直流或低频情况： 212oiuRuRR对于高频情况对于高频情况 2

26、12oiuZuZZ当满足当满足 R1C1=R2C2 R1C1=R2C2 能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。 R1C1=R2CR1C1=R2C2 2R1C1R2CR1C1R2C2 2R1C1R2CR1C1tbthtb释抑放电时释抑放电时间大于回扫时间）间大于回扫时间）图图6.32 6.32 比较和释抑电路的工作比较和释抑电路的工作UPUPuououiuitptptwtw图图6.33 6.33 在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作t1t1 t2t2t4t4t5t5t1t1t3t3C Ch h充充U Ur

27、r5)5)连续扫描状连续扫描状态态予置：予置：E0E1E0E1环路自激环路自激ChCh放电至放电至E1E1打开闸门，扫描开始，打开闸门，扫描开始，到到Up Up ，ChCh充电，到充电，到E2E2扫描结束，扫描结束，ChCh又放又放电。电。当有信号当有信号2 2号触发脉号触发脉冲则环路被信号所冲则环路被信号所同步。同步。6)6)结论：结论： E0E0调调节节触发扫描：触发扫描：E1E0E2-E1E0E2-常态常态连续扫描：连续扫描：E0E1E2-E0E1E2-自动、高频自动、高频扫描环的巧妙加入，通过调节扫描环的巧妙加入，通过调节E0E0RWRW稳定度可使电路处于：稳定度可使电路处于： “常态

28、常态” ” 触发扫描状态；触发扫描状态；“自动自动” ” 低频连续扫描状态；低频连续扫描状态；且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。 说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际 电路更完善更先进。电路更完善更先进。3.X3.X放大器见前放大器见前p17p17框图）框图） 1)1)其基本作用将扫描锯齿电压对称地加至水平偏转板，并其基本作用将扫描锯齿电压对称地加至水平偏转板，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。 2)2)选择选择X X轴信号。

29、轴信号。X X放大器的输入端置于放大器的输入端置于“内时，内时，X X放大放大器放大扫描信号；置于器放大扫描信号；置于“外时，水平放大器放大由面板外时，水平放大器放大由面板上上X X输入端直接输入的信号。输入端直接输入的信号。6.4.4 6.4.4 示波器的多波形显示示波器的多波形显示1.1.多线显示和多踪显示多线显示和多踪显示Y1输入电路Y1前置放大器Y1门电路电子开关延迟线Y后置放大器Y2输入电路Y2前置放大器Y2门电路至Y偏转板Y1输入Y2输入控制信号uy1uy2uxuy1uy2ux2.2.双时基扫描双时基扫描 既可看全景，又可看局部雷达、特写镜头）既可看全景，又可看局部雷达、特写镜头）

30、 图图6.36 6.36 双扫描示波器的组成双扫描示波器的组成6.4.5 6.4.5 通用示波器的应用通用示波器的应用 1.1.通用示波器的主要技术指标通用示波器的主要技术指标 1)1)带宽、上升时间带宽、上升时间Y Y通道的频带宽度通道的频带宽度(Bw)(Bw)， WrBt35. 02)2)扫描速度扫描速度 扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是速度是光点的水平移动速度，单位是s/cms/cm，或，或s/divs/div。div(div(格格) )一般为一般为1cm1cm。 3)3)偏转灵敏度偏转灵敏度 偏转灵敏度偏转灵敏度DyDy反映示波器观察微弱信号的能力。单位反映示波器观察微弱信号的能力。单位为为mV/cmmV/cm或或V/divV/div。5)5)扫描方式扫描方式 示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的功能的 扩展，还出现了多种的双时