第六章时域测量ppt课件

1、第六章第六章 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、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) )、

2、频域频域(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)。下面将分三章介绍三。下面将分三章介绍三种图示式仪器：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

3、仪器。示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。2. 2. 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，是一种全息仪器。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

4、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

5、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60MHz60MHz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

6、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：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

7、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

8、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Z 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

9、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

10、，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 yUaUa屏幕屏幕电子束电子束A2A22yyyaLsyUh UbU

11、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。轰击动能转变为光能，产生亮点。 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，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。

12、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）。为极长余辉通常是黄色）。6.36

13、.3波形显示原理波形显示原理6.3.1 6.3.1 显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形 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： uyuyY1Y1Y2Y21 12 23 34 40 0t t1 13 30 02 2 4 4(a)(a)(b)(b)t tX2X2X1X10 00 0uxuxTsTsTnTn+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + +光点在合力作用下移动光点在合力作用下移动. .2.2.信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步uyuy1 12 23 34 40 0t tTsTsuxux

14、uyuyuxuxX1X1X2X2Y1Y1Y2Y21 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/TS=nN=1N=1，2 2，波形稳定波

15、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？3.3.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。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1mS1mS1S1S9999996.3.2 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EUEUEVEV长度：饱和度长度：饱和度角度：

16、色彩角度：色彩UxUx和和UyUy配合起来，即能够画出任意的波形。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利用这种特点就可以把示波器变为一个XYXY图示仪。图示仪。1.1.李萨如图形：校准频率指示李萨如图形：校准频率指示2.2.逻辑分析仪：逻辑分析仪：0 0、1 1显示显示3.3.矢量示波器：色坐标矢量示波器：色坐标6.3.3 6.3.3 光栅显示原理光栅显示原理光栅显示主要用于电视机和计算机的显示器，通常都是采用光栅显示主要用于电视机和计算机的显示器，通常都是采用磁偏转方式的显像管。磁偏转方式的显像管。 1.1.光栅显示的原理与实现光栅显示的原理与实现 电子束先要在

17、行、场即电子束先要在行、场即X X、Y Y扫描的配合下，从左到右、扫描的配合下，从左到右、从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，从上到下扫出略有倾斜的水平亮线，这些亮线合成为光栅，如图如图6.126.12所示示意图）。所示示意图）。图图6.12 6.12 光栅显示的扫描过程光栅显示的扫描过程光栅显示是三维光栅显示是三维X X、Y Y、Z Z坐标显示。坐标显示。X X、Y Y偏转只用于决偏转只用于决定光点在屏幕上的位置，而定光点在屏幕上的位置，而Z Z轴电路见示波管第一栅极那么轴电路见示波管第一栅极那么用于控制光点显示的强弱亮暗，这是由被测信号控制的。用于控制光点显示的强弱亮暗，这

18、是由被测信号控制的。 6.3.4 6.3.4 平板显示原理平板显示原理 上述显示是基于电真空器件上述显示是基于电真空器件CRTCRT内进行的，这种方式优点多多内进行的，这种方式优点多多缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。 显示器总汇与发展历程简介：显示器总汇与发展历程简介：被动发光被动发光平板显示器平板显示器 （FPDFPD）等离子等离子PDPPDP紫外线紫外线+ +荧光粉）荧光粉）背光源背光源+ +液晶板液晶板阴极射线管阴极射线管 （CRTCRT）主动发光主动发光电致发光电致发光ELEL板板荧光荧光VFDVFD显示屏显示屏发光二极管发光二极管L

19、EDLED显示屏显示屏场致发射场致发射FEDFED表面传导电子表面传导电子（像素点电子源（像素点电子源+ +荧光粉）荧光粉）显显 示示 器器作业：作业：6.56.56.4 6.4 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6.4.2 6.4.2 示波器的示波器的Y

20、(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.探头探极与耦合探头探极与耦合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：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

21、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 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

22、2)2)耦合耦合c cACACDCDC50 50 1M1M1M1M地地20p20p730pf730pf. .1001001k1k10k10k100k100k1M1Mf f1KHz1KHz 10K 10K 100K 100K 1M 1M 10M 10M 100M 100M 10M 10M 50 50 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 212oiuZuZZ当满足当满足 R1C1=R2C2 R1C1=R2C

23、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。 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U UP Puououiuitptptwtw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 r5)5)连续扫描状连续扫描状态态予置：予置：E0E1E0E1环

24、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、高频外触发扫描：外触发扫描： E0E2E0E2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： “常态常态” ” 触发扫描状

25、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：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)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：水平按钮：水平X

26、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 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6.34 6.34 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

27、方式：A AB BA+BA+BA-BA-B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) “交替方式交替方式 适合观测高频信号适合观测高频信号 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) “断续方式断续方式 适合观测低频信号适合观测低频信号 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.双时基扫描双时基扫描 既可看全景，又可看

28、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6.36 6.36 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 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。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是

29、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DyDy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，随示波器功能的 扩展，还出现了多种的双时基扫描。主要有延迟扫描、组合

30、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，但最主要的选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的是带宽。是带宽。 示波器示波器Y Y通道通道BW=100MHzBW=100MHztr=0.35/BWtr=0.3

31、5/BW =3.5nS =3.5nStx=0tx=0tx=10nStx=10nStrx=3.5nStrx=3.5nStrx=trx=？trx=10+3.5 trx=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那么那么 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， trx/ttrx/trx%rx%图图6.38 6.38 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可得右图关系：可得右图关系：tx/tr=1tx/tr=1时，屏幕读数相对误差

32、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 tx/tr=3tx/tr=35 5 对于一般连续信号对于一般连续信号 BW/fh=3 BW/fh=35 5 这里这里fhfh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。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、相位差以及其它物理量的测利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。在实验中进行。量。在实验中进行。 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

33、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 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？习题：习题：6.10 6.10 30MHz30MHz120MHz120MHz20MHz 20MHz 3000MHz3000MHz6.5 6.5 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，

34、看到的就是正发生的。被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的。 但有两点不足但有两点不足:1. BW 1500MHz:1. BW 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、非周期信号难以观测拍照）单次、非周期信号难以观测拍照）存储存储 BWBW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。 6.5.1 6.5.1 取样示波器的基本原理取样示波器的基

35、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 取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。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。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。 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

36、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uo(t)uo(t)的频谱比原信号的频谱比原信号ui(t)ui(t)还要宽。由此可知，实时还要宽。由此可知，实时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。 ui(t)ui(t)t tt tt tUo(t)Uo(t)图图6.46 6.46 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Uo(t)Uo(t)ui

37、(t)ui(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6.476.47所示。所示。 条件：周期信号条件：周期信号 连绵不断连绵不断取样点间隔：取样点间隔： mt+ntmt+nt左图左图 m=1m=1每个每个周期取一点）周期取一点）假设假设 m=10,1000m=10,1000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6.48 6.48 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

38、tt tt tuxuxuyuyuyuyu5u5u1u1u2u2u3u3u4u4两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mt+tmt+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6.5.2 6.5.2 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，把高频信号变为低频信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号。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并号。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

39、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tt步进延迟脉冲送步进延迟脉冲送Y Y轴系统。轴系统。 6.5.3 6.5.3 取样示波器的参数取样示波器的参数 取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身取样示波器除具有通用示波器的性能指标外，还具有其本身的技术参数。的技术参数。 1.1.取样示波器的带宽取样示波器的带宽 取样示波器的带宽主要决定于取样门技术关键），因为被测频取样示波器的带宽主要决定于取样门技术关键），因为被测频率越高，要求取样脉冲越窄。当取样门所用元件工作频率足够高率越高，要求取样脉冲越窄。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的最高工作

40、频率与取样脉冲底边宽度时，取样门的最高工作频率与取样脉冲底边宽度 成反比。通常，成反比。通常，样门最高工作频率可表示为样门最高工作频率可表示为 64. 044. 0BW（6.176.17） 2.2.取样密度取样密度 取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取取样密度是指屏幕在水平方向上显示的被测信号每格对应的取样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波样点数，常用每厘米的亮点数表示。若取样密度太低，显示波形会有闪烁现象。形会有闪烁现象。 3.3.等效扫描速度等效扫描速度 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。等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的

41、距离比。 应当指出，取样示波器是荷兰菲利浦应当指出，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： 一是单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范一是单纯的取样示波器只能观测重复性的周期信号，应用范围受限；围受限； 二是数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了，二是数字技术的发展，已将取样技术融合到数字示波器中去了，现代数字示波器不仅

42、可以观测超高频重复性的周期信号，还可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。 因而，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了，但取样示波因而，现在市场上已很少见单纯的取样示波器了，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。 6.6 6.6 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 DS

43、O)DSO)。 这类这类 4441 4441 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.模仿模仿+ +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仿模仿滤滤波波D /D /A AA/DA/DRAMRAM数字数字数字数字输入输入Y Y图图6.50 6.50 模仿数字存储示波器框图模仿数字存

44、储示波器框图模仿模仿显示器显示器2.2.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UxUxUyUy图图6.51 6.51 数字储示波器框图数字储示波器框图被测信号被测信号uiui其他其他命令命令或用软件完成或用软件完成t tUiUiusust tU1sU1st 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

45、及存储变换及存储存储数字量存储数字量图图6.53 6.53 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6.52 6.52 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 9A10A10 A11A11A12A12地址地址D0D0 D1D1 D2D2 D3D3D12D12D4D4 D5D5 D6D6 D7D7 D8D8 D9D9 D10D10 D11D11数据数据A A0 0A A1 1A A2 2A A3 3A A4 4A A5 5A A6

46、6A A7 7A A8 8A A9 9A10A10 A11A11A12A12地址地址D0D0 D1D1 D2D2 D3D3D12D12D4D4 D5D5 D6D6 D7D7 D8D8 D9D9 D10D10 D11D11数据数据RAMRAM3.3.多处理器数字示波器用多处理器数字示波器用HP54600HP54600系列示波器来说明）系列示波器来说明）通道通道通道通道衰减器衰减器衰减器衰减器前置放大前置放大前置放大前置放大跟踪保持跟踪保持跟踪保持跟踪保持处理器处理器后置放大后置放大后置放大后置放大波波形形总总线线A/DA/DA/DA/D采集采集触发比较器触发比较器信号调整信号调整触触发发选选择择

47、电源信号电源信号触发电平触发电平外触发外触发按键按键接口接口接口接口选择选择模仿模仿控制控制CPUCPUROMROMRAMRAMRAMRAM视频视频光栅扫描光栅扫描显示器显示器前置放大前置放大波形波形翻译器翻译器存储器存储器波形波形收发器收发器微处理器总线微处理器总线1 12 2图图6.54 HP546006.54 HP54600数字示波器简化框图数字示波器简化框图图中包含了三个处理器主处理器、采集处理器和波形翻译器）图中包含了三个处理器主处理器、采集处理器和波形翻译器），现分四部分进行介绍。，现分四部分进行介绍。 1)1)模拟部分模拟部分这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电

48、这里的跟踪保持电路的功能是在获取采样时冻结此刻的瞬息电压，并保持足够长的时间，以便使压，并保持足够长的时间，以便使A/DA/D能完成模数转换。能完成模数转换。 2)2)采集处理器采集处理器使用随机使用随机- -重复采样，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂重复采样，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放置位置，以便重构波形。该采集处理器使用了定它们的正确放置位置，以便重构波形。该采集处理器使用了HPCMOSHPCMOS技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。技术实现了

49、以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。 3)3)波形翻译器波形翻译器 波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，将波形对应的数波形翻译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电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些波形的像素位置对应地送至像素存储器。置，再将这些波形的像素位置对应地送至像素存储器。 4)4)主微处理器主微处理器使用使用68000CPU68000CPU、ROMROM、RAMRAM的常规微处理器系统作为控制的常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。示波器的硬件。由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示

50、波器性能大为改由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到善，其采样率大大提高，尤其是显示更新率可做到1500000 1500000 点点/ /秒以上。秒以上。 力科（力科（ LeCroy LeCroy ）的产品，更突出了数字处理和软件的功能。）的产品，更突出了数字处理和软件的功能。 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 AB BC C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

51、卡软盘软盘硬盘硬盘以及以及输入信号输入信号4 4 存档存档1 1 采集采集3 3 测量与分析测量与分析2 2 显示显示图图6.55 LeCroy6.55 LeCroy数字示波器工作原理简图数字示波器工作原理简图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 更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率，更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率，即每秒可以捕获的波形数目。即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

52、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。无法满足实时处理的要求。 图图6.56 6.56 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

53、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 4T T试验示波器更新率是否满足要求，一个简试验示波器更新率是否满足要求，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，快速更换波形如正弦波上，快速更换波形如正弦波方波方波三三角波），看屏幕上是否能快速跟上变化。角波），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

54、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。造成混迭失真的原因是欠采样，采样频率太低，违背了奈奎斯造成混迭失真的原因是欠采样，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

55、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： (a)(a)(b)(b)A) A) 过采祥，即提高采样速率，过采祥，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) 峰值检测包络检测），峰值检测包络检测），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

56、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

57、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和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且记录长度长的实时采样记录长度长的实时采样DSODSO价格相当昂贵。而实际上大多数价格相当昂贵。而实际上大多数测量的都是重复信号，测量的都是重复信号， 1 11 12 23 33 34 44 4（b b随机采样随机采样采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期采样周期第一第一第二第二第三第三第四第四1 11 12 22 23 33 34 44 43)3)顺序采样顺

58、序采样 顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率速率100 kHz100 kHz200kHz200kHz获得极高的带宽高达获得极高的带宽高达50GHz50GHz），并且垂直分辨率一般在，并且垂直分辨率一般在10bit10bit以上。由于这种示波器每个采以上。由于这种示波器每个采样周期在波形上只取一个样点，如下图，每次延迟样周期在波形上只取一个样点，如下图，每次延迟一个已知的一个已知的t t 时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间，要想采集足够多的样点，则需要更长的时间才行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。时间才

59、行。不能进行单次捕捉和预触发观察也是它的缺点。 第一周期第一周期第二周期第二周期第三周期第三周期第第n周期周期 顺序采样顺序采样123n.3.3.采样速率采样速率采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有：采样速率又称作数字化速率，描述方式通常有： 用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数。如用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数。如20MS/s20MS/s2020106106次次/ /秒）。秒）。 用采样频率来描述，如用采样频率来描述，如20MHz20MHz。 用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位bitbit的数据。的数据。如每秒钟储存如每秒钟储存16

60、0160兆位兆位160Mb/s160Mb/s的数据，对于一个的数据，对于一个8 8位位（8bit8bit的的A/DA/D转换器来说，就相当于转换器来说，就相当于20MS/s20MS/s的采样率。的采样率。 采样速率高可以增大采样速率高可以增大DSODSO的带宽，但事实上，的带宽，但事实上，DSODSO的采样速的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器，其具样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器，其具体定量关系见下述。体定量关系见下述。4.4.采集器件采集器件世界各