电磁测量技术第7章时域测量

1、第七章第七章 时域测量时域测量本章要点：本章要点： 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数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、信号采集处理技术、特性与功能特性与功能本章开始将介绍几种本章开始将介绍几种图示式仪器图示式仪器，从三个方面去进行研究，即，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( (如如示波器示波器) )、频

2、域频域(Frequency 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)。下面将分三章介绍。下面将分三章介绍三三种图示式仪器种图示式仪器：时域时域示波器示波器、频域频域频谱仪和数据域频谱仪和数据域逻辑分析仪逻辑分析仪。 T T图图7.1 7.1 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7.1 7.1 时域测量引论时域测量引论7.1.17.1.1 示波器的功用示波器的功用1. 1. 示波器是一

3、种基本的、示波器是一种基本的、应用最广泛应用最广泛的时域测量仪器。的时域测量仪器。2. 2. 是一种是一种全息仪器全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，。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、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子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的。仪器难以胜任的。 3. 3. 示波器从早期的示波器从早期的定性观测定性

4、观测，已发展到可以进行，已发展到可以进行精确测量精确测量。4. 4. 示波器是其它示波器是其它图式仪器的基础图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑。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。7.1.2 7.1.2 示波器的分类示波器的分类从从19471947年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展进步，已出现了多种多样的示波器。大致情况如下：进步，已出现了多种多样的示波器。大致情况如下：技术原理上分为技术原理上分为：模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示：模拟示波器和

5、数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。三、四代了。按显示屏可分为按显示屏可分为：阴极射线示波管（：阴极射线示波管（CRTCRT）、液品屏（）、液品屏（TFTTFT）及荧）及荧光屏（光屏（VFDVFD）。）。按显示原理分为按显示原理分为：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。按带宽分档情况按带宽分档情况：模拟示波器：模拟示波器60MHz60MHz以下为低档，以下为低档，300MHz300MHz以上以上算高档，最高带宽只做到算高档，最高带宽只做到

6、12GHz12GHz水平。水平。 数字示波器数字示波器500MHz500MHz以下为低档，以下为低档，5002GHz5002GHz为中档，为中档，2GHz2GHz以上为高档。以上为高档。 当今数字示波器虽已占主导地位，但模拟示波器是数字示波器的基础，许多基当今数字示波器虽已占主导地位，但模拟示波器是数字示波器的基础，许多基本原理、术语、技术指标和应用方法都是在模拟示波器的基础上发展起来的，有些本原理、术语、技术指标和应用方法都是在模拟示波器的基础上发展起来的，有些领域还在应用模拟示波器及其相关的技术产品，因此开始还得先介绍模拟示波器，领域还在应用模拟示波器及其相关的技术产品，因此开始还得先介绍

7、模拟示波器，然后重点讨论数字示波器。然后重点讨论数字示波器。7.1.37.1.3 示波器的组成示波器的组成 Y Y（垂直）通道（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和：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（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器：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

8、，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏显示屏：主要由阴极射线管组成，：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7.2 7.2 示波器

9、的基本组成示波器的基本组成显示屏显示屏显示屏的种类显示屏的种类 当前用于示波器的主要是：示波管、当前用于示波器的主要是：示波管、TFTTFT液晶屏及荧光屏液晶屏及荧光屏VFDVFD。本节着重介绍当前应用最广的。本节着重介绍当前应用最广的示波管示波管和和TFTTFT液晶屏液晶屏。 示 波 管示 波 管CRT静电偏转静电偏转：光点轨迹显示：光点轨迹显示-用于示波器用于示波器、雷达距离显示器、医疗仪器磁场偏转：光栅增辉显示磁场偏转：光栅增辉显示-用于电视机、医疗仪器、雷达环显等被动发光被动发光： 液晶屏LCD+背光板-数字三用表等小型电子仪器平板显示FPD主 动主 动发光发光液晶屏液晶屏TFT-示波

10、器示波器、计算机显示器、电视机显示器等荧光屏荧光屏VFD-示波器示波器、家电产品的显示屏等离子等离子PDP-电视机显示屏发光二极管发光二极管LED-数字仪表、大型广告显示屏场致发射场致发射FED-成品率低，尚处商品化研发中电致发光电致发光EL板板-仪表数显、广告装饰 显示屏的显示屏的 种类种类7.27.2 示波管及波形显示原理示波管及波形显示原理 示波管属于电真空器件，又称为示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（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A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y

11、1真空玻璃管真空玻璃管图7.3 阴极射线示波管Z Z轴轴兰色：电力线兰色：电力线红色：等位面红色：等位面7.2.1 7.2.1 示波管示波管1.1. 电子枪电子枪电子枪的作用是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

12、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用。面板上供使用。 当控制信号加于当控制信号加于G1G1，其，其亮度亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z Z轴轴电路。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，对电子束起构成一个电子透镜，对电子束起聚焦聚焦作用。作用。 6.6.第二阳极第二阳极A

13、2A2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，故也称具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速后加速阳极阳极。 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-用干示波器用干示波器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 yU Ua a屏幕屏幕电子束电子束A A2

14、22yyyaLsyUh 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/Vcm/V，它的倒，它的倒数数DDy y1 1h hy y称为示波管的偏称为示波管的偏转灵敏度，单位为转灵敏度，单位为V/cmV/cm。偏。偏转灵敏度是示波管的重要参转灵敏度是示波管的重要参数数。3.3. 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。轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上

15、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（通常是为短余辉（通常是蓝色蓝色，便于摄影感光）；，便于摄影感光）；1ms1ms0.1s0.1s为中余辉（通常为为中余辉（通常为绿色绿色，眼睛不易疲劳）；，眼睛不易疲劳）； 0.1s0.1s1s1s为长余辉（通常是为长余辉（通常是黄色黄色）；）；大于大于1s1s为极长余辉（通常是为极

16、长余辉（通常是黄色黄色）。）。7.2.27.2.2示波管波形显示原理示波管波形显示原理1.1.光点扫描显示原理光点扫描显示原理 光点位置控制：光点位置控制：( (示波管荧光屏示波管荧光屏) )u uy yY Y1 1Y Y2 21 12 23 34 40 0t t1 13 30 02 2 4 4(a)(a)(b)(b)t tX X2 2X X1 10 00 0u ux xT Ts sT Tn n+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + +光点在合力作用下移动光点在合力作用下移动. .u uy y1 12 23 34 40 0t tT

17、 Ts su ux xu uy yu ux xX X1 1X X2 2Y Y1 1Y Y2 21 12 23 34 40 0t t0 0T Tn n1 12 23 34 40 0图图7.5 7.5 扫描过程扫描过程u uy yT Ts sT Tn nt t0 01 13 35 57 79 910108 86 64 42 20,80,81,91,95 53 37 7210210 4124126 68 81 1t tu ux x2 25 57 79 91 12 23 33 34 44 45 56 66 67 710108 8图图7.6 7.6 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：

18、T Tn n/T/TS S=n=nN=1N=1，2 2，波形稳定波形稳定2.2.信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步若显示两个正弦波怎么办？若显示两个正弦波怎么办？图图 7.7 7.7 扫描电压与被测信号不同步扫描电压与被测信号不同步54nsTT3.3.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，来信号触发后波形来信号触发后波形才稳定。才稳定。T Ts st tt tt tt tu uy yu ux xu ux xu ux xT Tn nT T

19、n n图图7.8 7.8 连续扫描和触发扫描的比较连续扫描和触发扫描的比较1mS1mS1S1S9999997.3 7.3 平板显示技术平板显示技术（只简介（只简介TFT-LCD TFT-LCD ）最为常见的为最为常见的为TFT-LCDTFT-LCD（Thin Film Transistor LCDThin Film Transistor LCD薄膜晶体管液晶显示器）。薄膜晶体管液晶显示器）。 图图7. 9 液晶显示器的液晶显示器的一个像素一个像素结构原理图结构原理图红红(R)荧光粉荧光粉绿绿(G)荧光粉荧光粉绿绿(G)可见光可见光蓝蓝(B)荧光粉荧光粉玻璃板玻璃板透明电极透明电极(公用公用)透

20、明电极透明电极液晶体液晶体背光灯源背光灯源液晶液晶(Liquid Crystal)(Liquid Crystal)介于液态与固态之间，具有规则性分子介于液态与固态之间，具有规则性分子排列的有机化合物，加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷排列的有机化合物，加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。 图图7.10 液晶平板显示器的结构示意图液晶平板显示器的结构示意图图图7.11 液晶平板显示器的等效电路示意图液晶平板显示器的等效电路示意图LCDLCD平板显示器是矩阵式结构平板显示器是矩阵式结构 ，每一个交叉点就是一个像素，每

21、一个交叉点就是一个像素 行行（X X）驱动信号由扫描电路产生驱动信号由扫描电路产生；列列（Y Y）驱动信号则是将要显示的驱动信号则是将要显示的信号经过数字化以后写入数据存储器，而后再读出用于显示信号经过数字化以后写入数据存储器，而后再读出用于显示。 7.4 7.4 模拟示波器模拟示波器7.4.1 7.4.1 模拟示波器的组成模拟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，它通常泛指采用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、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示单束示波管、除取样示波器及专用或特殊示波器以外的各种示波器。波器。 图图7.12 7.12 通用

22、示波器的主要组成框图通用示波器的主要组成框图7.4.2 7.4.2 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到示通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管波管Y Y偏转板上。偏转板上。 1.1.探头（探极）探头（探极）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有源电流探头有源电流探头注意：注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则。否则300MHz300MHz带带宽的示波器可能不

23、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7.13 7.13 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：50MHz50MHz左右左右 若附加若附加RLCRLC匹配网络能匹配网络能扩展到扩展到300MHz300MHz图中电阻图中电阻9M9M和和1M1M构成分构成分压比：压比：10101 1扩展示波器的量程上限扩展示波器的量程上限2) 2) 有源探头有源探头 图图7.15 7

24、.15 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 现代示波器带宽已达现代示波器带宽已达几十几十GHzGHz，相应要求探，相应要求探头必须也要宽频带，无头必须也要宽频带，无源探头已无法满足。源探头已无法满足。 图图7.157.15是采用源极是采用源极跟随器的有源探头的简跟随器的有源探头的简单示例，实际好的宽带单示例，实际好的宽带探头结构较复杂，售价探头结构较复杂，售价千元以上。千元以上。2.2.耦合耦合与衰减器耦合耦合与衰减器c cACACDCDC50 50 1M1M1M1M地地20p20p730pf730pf. .1001001k1k10k10k100k100k1M1Mf f1KH

25、z1KHz 10K 10K 100K 100K 1M 1M 10M 10M 100M 100M 10M 10M 50 50 ACAC：交流耦合，电容：交流耦合，电容C C隔直隔直流，只能通过交流信号流，只能通过交流信号DCDC：直接耦合，信号中保留：直接耦合，信号中保留直流成分直流成分与信号源不匹配时带宽衰减很快与信号源不匹配时带宽衰减很快当与当与50 50 信号源匹配时可扩展带宽信号源匹配时可扩展带宽衰减器衰减器 图图7.17 7.17 输入衰减器原理示意图输入衰减器原理示意图u ui iu uo oC C1 1C C2 2R R1 1R R2 2对于直流或低频情况：对于直流或低频情况： 2

26、12oiuRuRR对于高频情况对于高频情况 212oiuZuZZ当满足当满足 R R1 1C C1 1= =R R2 2C C2 2 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。 R R1 1C C1 1=R=R2 2C C2 2R R1 1C C1 1RR2 2C C2 2R R1 1C C1 1Rttb b（释抑放电时间大释抑放电时间大于回扫时间于回扫时间）环路触发扫描的原理环路触发扫描的原理5)5)连续扫描状连续扫描状态态予置：予置：E E0 0EE1 1环路自激环路自激C Ch h放电至放电至E E1 1打开闸门，扫描打开闸门，扫描开始，到开

27、始，到U Up p ，C Ch h充充电，到电，到E E2 2扫描结束，扫描结束，C Ch h又放电。又放电。当有信号（当有信号（触发脉触发脉冲冲）则环路被信号）则环路被信号所同步。所同步。环路自激连续扫描的原理环路自激连续扫描的原理6)6)结论：结论： E E0 0调节调节触发扫描：触发扫描：E E1 1E E0 0EE2 2-常态常态连续扫描：连续扫描：E E0 0EE1 1EE2 2-自动、高频自动、高频外触发扫描：外触发扫描： E E0 0EE2 2扫描环的巧妙加入，通过调节扫描环的巧妙加入，通过调节E E0 0（R RWW稳定度）稳定度）可使电路处于：可使电路处于： “常态常态” ”

28、 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；“高频高频” ” 高频连续扫描状态高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。 说明说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际：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（见图放大器（见图7.197.19） 1)1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板2)2)特点：带宽比特点：带宽比Y Y通道窄通道窄5-105-10倍倍 3)3)按钮：水平（按

29、钮：水平（X X）位移）位移- - XYXY工作模式工作模式- - X X扩展扩展-X-X放大器增益：放大器增益：5 5；10 10 图图7.23 X7.23 X扩展示意图扩展示意图7.4.4 7.4.4 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1)1)多线显示多线显示两个电子束，两个两个电子束，两个Y Y通道相互独立，可以实时看到两个瞬变信通道相互独立，可以实时看到两个瞬变信号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。号。这种能产生多个电子束的示波管工艺要求较高、价格较贵。 2)2)多踪显示多踪显示u uA Au uB B图图7.24 7.

30、24 双踪示波器双踪示波器Y Y通道方框图通道方框图工作方式：工作方式：交替交替断续断续注意注意：由谁触发？由谁触发？A A 、 B B各自触发，各自触发，则不便比较时间则不便比较时间关系。关系。A A、B B共一触发，共一触发，便于比较时间关便于比较时间关系。系。(a) “(a) “交替交替”方式方式 适合观测适合观测高高频信号频信号 交替描绘交替描绘A A、B B两路两路 非实时（隔周）比较非实时（隔周）比较 (b) “(b) “断续断续”方式方式 适合观测适合观测低低频信号频信号 多次取样，准实时多次取样，准实时 波形非连续，可能波形非连续，可能uAuAuBuB漏掉信息漏掉信息 2.2.

31、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） 图图7.26 7.26 双扫描示波器的组成双扫描示波器的组成工作方式：工作方式：A A工作模式；工作模式；B B加亮加亮A A；A A延迟延迟B B工作工作 7.4.5 7.4.5 模拟示波器的应用模拟示波器的应用 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)带宽带宽、上升时间、上升时间Y Y通道的频带宽度通道的频带宽度( (B Bw w) )， 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。扫描速度扫描速度反映示波器在水平方向

32、展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是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) )一一般为般为1cm1cm。 3)3)偏转灵敏度偏转灵敏度 偏转灵敏度偏转灵敏度D Dy y反映示波器观察微弱信号的能力。单位为反映示波器观察微弱信号的能力。单位为mV/cmmV/cm或或V/divV/div。4)4)输入阻抗输入阻抗示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。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，随示波器功能的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

33、的 扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合扫 描、交替扫描等，但此时示波器中要有两套扫描系统。描、交替扫描等，但此时示波器中要有两套扫描系统。 6)6)触发特性触发特性 为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。触发脉冲作用下产生。 2.2.通用示波器的选用原则通用示波器的选用原则选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的最主要的是带宽是带宽。 示波器示波器Y Y通道通道B BWW=1

34、00MHz=100MHzt tr r=0.35/=0.35/B BWW =3.5nS=3.5nSt tx x=0=0t tx x=10nS=10nSt trxrx=3.5nS=3.5nSt trxrx= =？t trxrx=10+3.5 =10+3.5 ？因两独立变量因两独立变量应均方相加应均方相加则则 22xrxrttt但这样测读太麻烦，最好但这样测读太麻烦，最好 0rt xrxtt这要满足什么条件呢？经误差分析，这要满足什么条件呢？经误差分析， ttrxrx/t/trxrx%图图7.28 7.28 示波器带宽对读出误差的影响示波器带宽对读出误差的影响%rxrxtt)(hrxfBWtt可得右

35、图关系：可得右图关系：t tx x/ /t tr r=1=1时，屏幕读数相对误差时，屏幕读数相对误差 %40/rxrxtt通常要求选用的示波器上升时间要通常要求选用的示波器上升时间要 t tx x/ /t tr r=3=35 5 对于一般连续信号对于一般连续信号 B BWW/ /f fh h=3=35 5 这里这里f fh h是被测信号中的最高频率是被测信号中的最高频率分量。分量。提问：提问： 1 1 观测一个观测一个10MHz10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？正弦波，为使失真小应选什么示波器？2 2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？测量电视机的视频信号要选什么示波器？ 3 3

36、测量电视机的中频信号要选什么示波器？测量电视机的中频信号要选什么示波器？ 4 4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？测量电视机的高频信号要选什么示波器？5 5倍准则倍准则：示波器所需示波器所需带宽带宽= =被测信号的被测信号的最高频率最高频率成分成分 5 5。” ” 30MHz30MHz120MHz120MHz20MHz 20MHz 3000MHz3000MHz6MHz6MHz38MHz38MHz501000MHz501000MHz500MHz 示波器示波器60MHz示波器示波器100MHz示波器示波器350MHz示波器示波器50MHz的方波实际上看起来是什么样呢的方波实际上看起来是什么样呢

37、?没有足够带宽的影响没有足够带宽的影响:波形上升时间慢波形上升时间慢幅度有衰减幅度有衰减3.3.通用示波器的基本测量方法通用示波器的基本测量方法利用示波器可以进行电压、频率、相位差及其他物理量的测量1 1）电压的测量）电压的测量ppyUD h【例】：已知示波器的Y通道处于“校正”位置，灵敏度开关置于0.2v/cm，由Y输入端直接输入信号，在荧光屏上显示的波形如下图所示，求由4个脉冲组成的脉冲列中，幅度的最大差值。1.6 0.20.32ppyUD hV2 2）时间的测量）时间的测量xstS x3 3）相位的测量）相位的测量 线性扫描法线性扫描法1360 xx 李萨如图形法测相位（椭圆法）李萨如图

38、形法测相位（椭圆法）sin(t)sin(t)xxmyymUUUU010sinsinmmxxxx7.5 7.5 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用 以上介绍的通用示波器是以上介绍的通用示波器是“实时示波器实时示波器”，测量时间，测量时间( (一个扫一个扫描正程描正程)=)=被测信号的实际持续时间，被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的看到的就是正发生的。 但有两点不足但有两点不足:1. :1. B BWW 1500MHz 1500MHz周期重复信号难以实现周期重复信号难以实现取样取样 2. 2. 单次、非周期信号单次、非周期信号难以观测（拍照）难以观测（拍照）存储存储 B BW

39、W再提高受到下列因素的限制：再提高受到下列因素的限制：（1 1）受到示波管的上限工作频率的限制。）受到示波管的上限工作频率的限制。（2 2）受）受Y Y通道放大器带宽的限制；通道放大器带宽的限制；(3) (3) 受时基电路扫描速度的限制。受时基电路扫描速度的限制。 7.5.1 7.5.1 取样示波器的基本原理取样示波器的基本原理 1.1.实时取样和非实时取样实时取样和非实时取样 取样的概念取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。

40、同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示，也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫“实时取样实时取样”。取样信号。取样信号u uo o( (t t) )的的频谱比原信号频谱比原信号u ui i( (t t) )还要宽。还要宽。由此可知，实时由此可知，实时取样并不能解

41、决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。困难。 u ui i( (t t) )t tt tt tU Uo o( (t t) )图图6.34 6.34 取样过程取样过程(a) (a) 输入信号输入信号(b) (b) 取样门与取样脉冲取样门与取样脉冲(c) (c) 取样信号取样信号U Uo o( (t t) )u ui i( (t t) )非实时取样非实时取样-不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图6.3

42、56.35所示。所示。 条件：条件：周期信号周期信号 连绵不断连绵不断取样点间隔：取样点间隔： mt mt + n+ nt t左图左图 m m =1=1（每个（每个周期取一点）周期取一点）若若 mm= =1010, ,10001000则波形展得更宽则波形展得更宽2.2.显示信号的合成过程显示信号的合成过程图图6.36 6.36 在屏幕上由取样点合成信号波形的过程在屏幕上由取样点合成信号波形的过程t tt tt tu ux xu uy yu uy yu u5 5u u1 1u u2 2u u3 3u u4 4两对偏转板上两对偏转板上加什么样的电加什么样的电压呢压呢? ? 因要经过因要经过mtmt

43、+t t的停留时间，的停留时间，然后跳至下一然后跳至下一点。可见点。可见X X、Y Y偏转板上都应偏转板上都应该加阶梯波该加阶梯波6.5.26.5.2 取样示波器的基本组成取样示波器的基本组成Y Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把通道的作用是在取样脉冲的作用下，把高频信号变为低频信高频信号变为低频信号号。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生 t t步进延迟脉冲送步进延迟脉冲送Y Y轴系统。轴系统。 应当指出，取样示波器是荷兰菲利

44、浦（应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦（PhilipsPhilips）公司最先研）公司最先研制成功的，制成功的，19691969年美国年美国HPHP公司也研制生产了取样示波器，公司也研制生产了取样示波器，带宽已达带宽已达18GHz18GHz，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因：，后来进展缓慢，以至停产。其主要原因： 一是一是单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限围受限； 二是二是数字技术的发展，已将数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了取样技术融合到数字示波器中去了，现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可

45、现代数字示波器不仅可以观测超高频重复性的周期信号，还可以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。以观测瞬态的单次脉冲，并且还具有存储功能。 因此，现在市场上已因此，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了很少见单纯的取样示波器了，但取样示波，但取样示波器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。器技术为现代数字示波器奠定了良好的基础。 6.66.6 数字示波器数字示波器数字示波器通常称为数字存储示波器数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage (Digital Storage OscilloscopeOscilloscope，缩写，缩写 DSO)DSO)。 这类这类 4441 4

46、441 型示波器，其实时带宽为型示波器，其实时带宽为2020或或40MHz40MHz，最大采样，最大采样率为率为10MS/s10MS/s或或25MS/s25MS/s。 6.6.1 6.6.1 数字示波器的组成原理数字示波器的组成原理 1.1.模拟模拟+ +数字存储示波器数字存储示波器 输入输入放大器放大器同步同步放大放大逻辑控逻辑控制电路制电路Y Y输出输出放大器放大器X X输出输出放大器放大器扫描扫描发生器发生器模拟模拟滤滤波波D /D /A AA/DA/DRAMRAM数字数字数字数字输入输入Y Y图图6.38 6.38 模拟数字存储示波器框图模拟数字存储示波器框图模拟模拟显示器显示器2.2

47、.单处理器数字示波器单处理器数字示波器 RAMRAMCPUCPUROMROMGPIBGPIBI/OI/OI/OI/OI/OI/OD/AD/AD/AD/AA/DA/DX XY Y放大放大放大放大触发信号触发信号X X通道通道Y Y通道通道CRTCRT取样门取样门取样通道取样通道与保持与保持U Ux xU Uy y图图6.39 6.39 数字储示波器框图数字储示波器框图被测信号被测信号u ui i其他其他命令命令或用软件完成或用软件完成t tU Ui iu us st tU U1 1s st tt tU Ux xt t锁存及锁存及D/AD/A变换变换读出数字量读出数字量A/DA/D变换及存储变换及

48、存储存储数字量存储数字量图图6.41 6.41 数字存储示波器的读出显示过程数字存储示波器的读出显示过程图图6.40 6.40 数字存储示波器的采样存储过程数字存储示波器的采样存储过程RAMRAMA A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6 6A A7 7A A8 8A A9 9A A1010A A1111A A1212地址地址DD0 0DD1 1D D2 2D D3 3DD1212D D4 4D D5 5D D6 6D D7 7D D8 8DD9 9DD1010DD1111数据数据A A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A

49、A6 6A A7 7A A8 8A A9 9A A1010A A1111A A1212地址地址DD0 0DD1 1DD2 2DD3 3DD1212DD4 4DD5 5DD6 6DD7 7DD8 8DD9 9DD1010DD1111数据数据RAMRAM3.3.多处理器数字示波器（用北京普源精电的示波器来说明）多处理器数字示波器（用北京普源精电的示波器来说明）图中包含了图中包含了三个处理器三个处理器（主处理器、采集处理器和显示控制器）（主处理器、采集处理器和显示控制器），现分，现分5 5部分进行介绍。部分进行介绍。 1)1)模拟部分模拟部分由双通道组成，被测信号进入示波器后首先经过前面板由双通道组

50、成，被测信号进入示波器后首先经过前面板V/ V/ cmcm旋钮实现衰减与增益的控制，包括粗调与微调的控制。旋钮实现衰减与增益的控制，包括粗调与微调的控制。然后进入前置放大器，该放大器决定示波器的模拟带宽，然后进入前置放大器，该放大器决定示波器的模拟带宽，之后进入后置放大以进入之后进入后置放大以进入A/DA/D转换。转换。3)3)采集处理器采集处理器采集处理器通过采样系统在触发的控制下实现对采集处理器通过采样系统在触发的控制下实现对A/DA/D量化后的量化后的波形进行采集。采样方式采用实时与等效采样技术，可实现波形进行采集。采样方式采用实时与等效采样技术，可实现2GSa/s2GSa/s的实时采样

51、与的实时采样与50GSa/s50GSa/s的等效采样。的等效采样。A/DA/D的工作原理的工作原理是采用并行是采用并行+ +流水线式的复合结构。流水线式的复合结构。 2)2)触发系统触发系统触发系统通过触发选择器切换触发通道，之后进入触发比较触发系统通过触发选择器切换触发通道，之后进入触发比较器，通过不同的触发电平比较方式实现不同的触发功能。器，通过不同的触发电平比较方式实现不同的触发功能。波形控制器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数波形控制器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数据点相关的据点相关的电压和时间值翻译成电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位显示器上的垂直和

52、水平像素位置，再将这些置，再将这些波形的像素位置波形的像素位置对应地送至像素存储器。对应地送至像素存储器。 5)5)显示控制器显示控制器 主处理器的功能包括对所有电路以及各输入输出接口的控制，主处理器的功能包括对所有电路以及各输入输出接口的控制，同时也对采集处理器采集到的波形进行处理。同时也对采集处理器采集到的波形进行处理。4)4)主微处理器主微处理器北京普源精电（北京普源精电（RIGOLRIGOL）科技有限公司简介）科技有限公司简介RIGOLRIGOL是业界领先从事电子测量和分析仪器研发、生产和销是业界领先从事电子测量和分析仪器研发、生产和销售的多元化高新技术企业，产品已销往全球售的多元化高

53、新技术企业，产品已销往全球6060多个国家和地多个国家和地区。据说是区。据说是3 3个大学生创办的民族企业，是国产数字示波器的个大学生创办的民族企业，是国产数字示波器的领军厂家，带宽可达领军厂家，带宽可达1GHz1GHz以上！以上！显示显示显示处理器显示处理器RAMRAM放大器放大器触发器触发器存储器存储器采集采集A A/ /D D数字处理器数字处理器连接到连接到计算机打印机计算机打印机的数据总线的数据总线协处理器协处理器操作系统操作系统应用软件应用软件可存储到可存储到ICIC存储卡存储卡软盘软盘硬盘硬盘输入信号输入信号4 4 归档归档1 1 采集采集3 3 测量与分析测量与分析2 2 显示显

54、示图图6.43 LeCroy6.43 LeCroy数字示波器工作原理简图数字示波器工作原理简图力科力科（ LeCroy LeCroy ）的产品，更）的产品，更突出突出了了数字处理和软件数字处理和软件的功能。的功能。 现代数字示波器在向功能模块化发展，通常一台数字示波器可现代数字示波器在向功能模块化发展，通常一台数字示波器可由由4 4大功能模块组成，即捕获、观察、测量与分析）和归档。大功能模块组成，即捕获、观察、测量与分析）和归档。 可见，现代数字示波器中软件数据处理已占很大的比重了。可见，现代数字示波器中软件数据处理已占很大的比重了。美国力科公司是世界美国力科公司是世界3 3大示波器厂商之一，

55、主要做高端产品。大示波器厂商之一，主要做高端产品。6.6.2 6.6.2 信号的采集处理技术信号的采集处理技术1.1.早期数字示波器的缺点早期数字示波器的缺点1)1)屏幕更新率低屏幕更新率低 更新率更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率波形捕获率，即即每秒可以捕获的波形数目每秒可以捕获的波形数目。 早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能早期数字示波器不能像模拟示波器那样进行实时测量，即不能及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，及时地反映被测信号的变化。这是由于它只有一个微处理器，无法满足实时处理的要求。无法满

56、足实时处理的要求。 图图6.44 6.44 更新率低造成的信号丢失和改进情况更新率低造成的信号丢失和改进情况（a a）（b b）死 区 时死 区 时间间同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发同时，更新率低造成显示响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。 例：右图调延迟时间例：右图调延迟时间T T，要多次反复调整才行。要多次反复调整才行。 t tU U0 0t t1 1t t2 2t t3 3t t4

57、4T T试验示波器更新率试验示波器更新率是否满足要求，一个简是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如上，快速更换波形（如正弦波正弦波方波方波三三角波角波），看屏幕上是否能快速跟上变化。），看屏幕上是否能快速跟上变化。 为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（克（TektronixTektronix）公司采用）公司采用InstaVuInstaVu技术已达到了技术已达到了400000W/S400000W/S（波形（波形/ / 秒）以上，可以做到秒）以上，可

58、以做到“模拟示波器的感觉，数字示波器模拟示波器的感觉，数字示波器的性能的性能 的效果。的效果。 2)2)有混迭失真有混迭失真 混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。造成混迭失真的造成混迭失真的原因是欠采样原因是欠采样，采样频率太低，违背了奈奎斯，采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少特取样定理（取样频率必须高于信号最高频率分量至少2 2倍以倍以上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。上），即未采到足够多的样点来重构波形，而造成的假象。 避免混迭失真的措施：避免混迭失真的措施

59、： ( (a a) )( (b b) )A) A) 过采祥过采祥，即提高采样速率，即提高采样速率，在各种情况下都满足奈奎斯在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；特定理的要求； B) B) 峰值检测峰值检测（包络检测），（包络检测），以峰值作为基本的采样点，以峰值作为基本的采样点，再补上其它的采样点，则不再补上其它的采样点，则不会混迭失真。会混迭失真。 上述两个缺点是现代上述两个缺点是现代DSODSO设计和使用中要防止的问题。设计和使用中要防止的问题。 2.2.采样方式采样方式数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样数字示波器的采样方式有实时采样和等效采样 ( (非实时采样非实时采样) ) ，等

60、效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图等效采样又可分为随机采样和顺序采样，如图6.586.58所示。所示。 1)1)实时采样实时采样 实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，排列就能表达一个波形， 一个一个周期周期（a a）实时采样）实时采样2)2)随机采样随机采样 由于实时采样由于实时采样DSODSO要求采样速率高，例如带宽为要求采样速率高，例如带宽为100MHz100MHz就就要求要求A/DA/D器件的转换速度不能低于器件的转换速度不能低于400MS/s400MS/s，这样高速的，这样高速的A/DA/D和