第七章信号波形测量(一)

第7章信号波形测量

7.1波形的模拟测量7.2波形的数字测量7.3示波器的原理与设计7.4示波器的应用7.5示波器专题讲座什么是波形？几种典型的波：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波调幅波和调频波什么是波形？正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次谐波分量递加而成。1次（基波） 3次 5次 7次 方波(2500次)F(x)=2E/Π(sin(ωt)+1/3sin(3ωt)+1/5sin(5ωt)+1/7sin(7ωt)+……)对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越多，波形所含谐波的频率也越高。对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。7.1波形的模拟测量

7.1.1CRT

由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。

后加速极A3FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏1电子枪

作用：发射电子并形成很细的高速电子束。由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。

2偏转系统

两对相互垂直的平行金属板，垂直偏转板和水平偏转板。电压偏转偏转距离。偏转距离与偏转电压成正比。

偏转灵敏度（cm/V）：为提高偏转灵敏度，Y偏转板靠近电子枪，而X偏转板在Y的右边。偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。3荧光屏

将电信号变为光信号辉度调节、余辉效应L：偏转板长度；S：偏转板中心到屏幕中心距离；b：偏转板间距；Va：阳极A2上的电压。偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。其倒数为偏转因数。7.1.2波形显示的基本原理

1．显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压

(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量xy（2）X、Y偏转板上分别加变化电压Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-Uxt（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（续）Y偏转板加正弦波，X偏转板加锯齿波，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。tUy0123401324Uy-Uyt0UxUx-Ux（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（续）李沙育（Lissajous）图形显示，常用在相位和频率测量中两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。

t0123401234uytux01234ut0123401234yux01234024两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。7.1.2波形显示的基本原理（续）3．扫描的概念

在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，光点在水平方向的偏移距离为：光点在锯齿波作用下扫动的过程称“扫描”，实现扫描的锯齿波电压称“扫描电压”，光点自左向右的扫动称为“扫描正程”，自右迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。扫描过程的增辉（逆程消隐）：为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，给示波器增辉。t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty不增辉产生回扫线4．同步的概念

n=2Tx=nTy，扫描电压与被测电压“同步”。荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。

7.1.2波形显示的基本原理（续）ut015(6)234789012345678uytxTy54Tx=101110911TyTx≠nTy，不满足同步关系时，显示的波形不稳定。5．连续扫描和触发扫描

TsT=Tstt被测脉冲连续扫描t不能观测到脉冲细节7.1.2波形显示的基本原理（续）T=t波形显示暗，不容易同步Tstt被测脉冲连续扫描，T=tt占空比很小的脉冲触发扫描使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。第7章信号波形测量

7.1波形的模拟测量

7.2波形的数字测量7.3示波器的原理与设计7.4示波器的应用7.5示波器专题讲座7.2波形的数字测量

波形数字测量的基本流程①等间隔进行采样及A/D转换②顺序存储采样数据③读取采样数据处理并构建波形1．采样定理

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集

采样定理，又称香农采样定理，奈奎斯特采样定理：如果信号是带限的（0~fmax），并且采样频率高于信号带宽的两倍，那么原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。7.2.1信号采集1．采样定理

7.2波形的数字测量

混叠是指当采样率低于实际信号最高频率2倍（奈奎斯特频率）时所出现的一种现象。如下图所示：

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集2．模数转换器（1）并行比较式ADC（flashADC）个比较器7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集2．模数转换器（2）并串式ADC

3．采样方式

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)实时采样real-timesampling一次采集信号上的若干采样点，并基于采样点的时间顺序显示被测波形的方法。等效采样repetitivesampling

对于周期（重复）信号，每次在一个信号周期采集一定数量的采样点，经过对多个信号周期进行多次采集，积累足够的采样点数量，并基于多次采集之间的时间关系，对采样点重新排列，进而显示出被测波形。采样率单位时间内对信号进行采样的次数（Sa/s或SPS）。为区分实时采样和等效采样，通常将基于实时采样的采样率称为实时采样率，基于等效采样的采样率称为等效采样率。（1）实时采样

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)只需一次触发就采集到信号的所有资料不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的有效方法。（1）实时采样

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)多ADC并行采样/时间交替采样

（1）实时采样

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)多ADC并行交替采样与校正技术专题讨论

并行采样的优缺点？并行采样的误差来源有哪些？这些误差分别影响采集的哪些性能？误差校正的方法有哪些？目前该技术的发展情况怎样？还存在什么样的问题？

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)（2）等效采样顺序采样:

7.2波形的数字测量

7.2.1信号采集(续)（2）等效采样随机采样

存储的目的

7.2波形的数字测量

7.2.2采样点的存储？

（1）存储深度的概念存储深度＝采样率×采样时间在最高实时采样率下连续采集并存储采样点的能力。为什么存？

7.2波形的数字测量

7.2.2采样点的存储（续）

（2）通过触发控制来实现波形的存储怎么存？

7.2波形的数字测量

7.2.2采样点的存储（续）（3）触发与触发释抑7.2波形的数字测量

7.2.2采样点的存储（续）（3）触发与触发释抑触发释抑，波形稳定显示①,②分别表示不同的触发点。

⑴,⑵分别对应①,②不同触发点所采集的波形。释抑时间被测波形被转化为离散的数字序列并被捕捉、存储下来后，其最大好处便是可以利用处理器强大的功能进行波形的各种处理和运算。在这一环节主要包含两方面的工作，即波形重构和波形参数的测量。

7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理1.波形的重构:

7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）抽样

1.波形的重构:

7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）插值/内插波形的内插

7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）波形内插的方法主要是指波形再现的插值算法。线性内插：在相邻采样点直接连接上直线，局限于直边缘信号。正弦内插：（Sinx/x）利用曲线来连接样点，通用性更强。它利用数学处理，在实际样点间隔中运算出结果。这种方法弯曲信号波形，使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。sinx/x正弦内插发复现信号。结合上述特点，可根据实际信号选择合适的采样方式以更完美的观测信号。7.2.3波形的处理（续）1、波形的内插

7.2波形的数字测量

线性插值数学模型7.2.3波形的处理（续）1、波形的内插

7.2波形的数字测量

正弦插值数学模型7.2.3波形的处理（续）1、波形的内插

7.2波形的数字测量

线性插值是重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。1波形的内插

7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）线性插值正弦插值2.波形参数计算7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）波形参数都有哪些？各有什么含义？如何计算？？

2.波形参数计算7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）电压类参数2.波形参数计算7.2波形的数字测量

7.2.3波形的处理（续）时间类参数波形的数字测量中，对波形的显示通常有模拟和数字两种处理手段：

7.2波形的数字测量

7.2.4波形显示显示怎么又分为模拟和数字？如何实现？

？

1．液晶显示原理7.2波形的数字测量

7.2.4波形显示（续）（a）未加电场（b）加上电场7.2.4波形显示（续）1．液晶显示原理7.2波形的数字测量

7.2.4波形显示（续）2．TFT液晶器的驱动时序7.2波形的数字测量

3．波形的显示7.2波形的数字测量

7.2.4波形显示（续）3．波形的显示7.2波形的数字测量

7.2.4波形显示（续）如何显示模拟余辉的效果？7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.1示波器的发展与分类（续）

7.3示波器原理与设计

7.3.2模拟示波器原理

Y输入电路Y前置放大器触发电路延迟线Y后置放大器水平放大器扫描发生器Y输入外触发内外至X偏转板至Y偏转板校准信号发生器低压电源高压电源电源至各电路正高压负高压X输入校准信号输出1．输入电路：衰减器和输入耦合选择开关（1）衰减器

最佳补偿条件：过补偿：欠补偿：改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。

7.3.2.1垂直通道（2）输入耦合方式

观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。2．Y前置放大器、Y输出放大器前置放大器将信号适当放大，取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。前置放大器采用差分放大电路，输出一对平衡交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流偏置。Y输出放大器将被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益。

3．延迟线

触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。延迟线的作用：把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后td扫描起点tT7.3.2.2水平通道水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。

输入端置于“内”时，放大扫描信号；输入端置于“外”时，输入外接信号。1．触发电路为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。放大、整形电路内外电源C1C2C3ACLFREJHFREJDC常态自动TV触发电平调节至扫描发生器环触发脉冲输出S1S2S4+-S3极性反转电路触发源选择触发耦合方式选择触发极性选择触发方式选择“DC”/“AC”：直流或缓变信号。“LFREJ”：观察低频成分的信号。“HFREJ”：观察高频成分的信号。NORM：有触发脉冲时才有扫描线。AUTO：连续扫描锯齿波电压输出。TV：电视行、场同步分离，观测电视信号。2．扫描发生器环(时基电路)扫描闸门扫描锯齿波发生器比较和释抑电路+E至X放大器+E“稳定度”调节比较电平触发脉冲输入“增辉”脉冲闸门电路：产生快速上升或下降的闸门信号启动扫描发生器工作产生锯齿波电压。控制扫描、增辉。释抑电路：在扫描逆程关闭或抑制扫描闸门。稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发，确保每次扫描都在同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。工作方式扫描门的输入信号：“稳定度”电位器提供的直流电位；释抑电路的释抑信号；触发电路的触发脉冲。连续、触发扫描方式。E1E0E2Er来自比较电路的参考电平（比较电平）扫描发生器输出Vo上触发电平下触发电平