测控技术第六章课件

第六章信号的显示与测量一、引言1、显示信号的必要性

直观、多用途

2、示波器的分类

按示波器的用途和特点，可将其分为以下几类：（1）通用示波器：能在屏幕上同时观察一个到多个信号波形，可对信号进行定性观察和定量测量。（2）取样示波器：利用取样技术，将被测信号化为包络与其相似的低频信号，再借助于通用示波器的原理进行显示。（3）存储示波器：可对信号进行存储，并进行显示和测量。（4）特殊示波器是指能满足某种特殊需要的示波器。3、示波器的现状及发展

1948年，美国Tek公司制造出了511型示波器，其频宽为10MHz，灵敏度为0.25V／cm，首次采用了触发扫描，x轴的精度达5％，可对脉冲信号进行测量。进入七十年代后，通用示波器向着高频、高灵敏度、多用、小型、集成化、数字化、自动化等方面以更高的速度发展。目前，出现了灵敏度为1μv的高灵敏度低漂移低噪声的示波器，取样示波器的带宽已达18GHz。

目前，示波器中应用微处理器有两种类型。一种是微处理器不作用于波形的显示过程，引入微处理器来代替使用者的部分操作和计算工作，智能化程度不高。另一种是经过微处理器数字化，这种示波器的智能化程度较高、精确度较高、测量功能也较多，例如可进行微分和积分、求平方根、n点平均值、计算上升时间、频率、有效值和负峰值等，所有这些功能都是预先编好程序的，使用时用户只需按下键盘上有关的功能键，仪器即可按指定程序自动地进行测量计算，然后用字符把测试结果连同波形一起显示在示波器屏幕上。

示波器将进一步向高技术性能、高可靠性以及多功能、自动化等方面发展。（1）向高频方向发展：随着计算机及编码调制通信系统的发展，要求示波器的频带宽度要进一步扩展。需要研究新型的放大器和新型的示波器，频宽上限将突破1GHz。（2）向高灵敏度发展：目前在研制高灵敏度的示波器方面，出现了灵敏度为1μV／div，带宽为25MHz的高灵敏度示波器。（3）向高可靠性发展：采用集成电路和微处理器技术，从而使示波器的可靠性可以大大提高。（4）向低频方向发展：要求能够观察并准确地测量出0.01Hz～20kHz的频率范围的信号。（5）向自动化方向发展：（6）向计算化方向发展：将微处理器引入示波器，使示波器能够自动进行计算，并将各种计算结果显示。（7）向综合测试系统发展：要求示波器具有多种测试功能，成为一种综合的测试系统。（8）向小型化、标准化、积木化和系列化方向发展：（9）向平面显示发展LS140特性参数PortableDigitalStorage100MHzOscilloscope

4FullChannels(RIS)

SimultaneousChannels:Channels1and2orChannels3and4

ADC:Two8-bitFlash

Bandwidth:100MHz(atprobetip),10mV/div-10V/div

VerticalResolution:8Bits

InputImpedance:1MΩ±1.0%

InputCoupling:AC,DC,orGND

MaximumInput:±400V,DC+peakAC

SamplingRate:200MS/smax

Repetitive(RIS)SamplingRate:8GS/smax

Sensitivity:2mV-10V/divfullyvariable

DCGainAccuracy:±(1.5%+0.5%offullscale)美国力科WavePro7300AWavePro7300A特性

·带宽:3GHz

·上升时间(典型值):150ps

·通道数量:4

·标配内存长度:2M样点/通道

·最大记录长度:48M样点/2通道-24M样点/通道

·最大取样速率(通道数量):20GS/s(2通道)

·重复取样(RIS)速率:200GS/s

·显示器:彩色10.4英寸平板TFT-LCD，带有高清触摸屏

·单次取样速率:10GS/s

·分析工具:测量和数学运算成套工具,小直方图,参数数学运算,用户定制

安捷伦DSO81304B安捷伦DSO81304B特性采样率高达40GSa/s的13GHz带宽实时示波器在40GSa/s采样率时高达2Mpts的MegaZoom深存储器，在4GSa/s采样率时达到64Mpts的MegaZoom深存储器，存储器可以升级

13GHz系统带宽（典型值）的InfiniiMaxII1169A探测系统业界最低的本底噪声：5mV/div时，为419uV触发抖动低于500fsrms业界最丰富的应用软件套件XGA触摸屏，可显示256个强度等级无与伦比的InfiniiMax探测附件支持点测、焊接、插接和SMA使用模式二、信号显示的基本原理

1、示波器基本原理概述

（1）示波管

示波管是示波器的核心，它的主要作用是在屏幕上形成光点，并在垂直信号和水平信号偏转的作用下，将输入信号以图像形式显示出来。示波管一般分为静电式和电磁式两大类，在示波器中的示波管大都是静电偏转式，被称为静电式阴极射线示波管(CRT)。

偏转系统由两对位置彼此垂直的偏转板构成。靠近电子枪的一对为垂直偏转板；另一对为水平偏转板。利用静电场使电子射线产生偏转，屏幕上的光点将随电场的变化而移动。如果仅在Y偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场的强弱与极性在垂直方向上运动；同理，如果仅在X偏转板间加电压，则电子束将根据所形成的电场的强弱与极性在水平方向上运动，电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的共同作用。（2）波形显示原理

当fy

=nfx（n是整数）时，屏幕上就能显示n个周期的清晰波形;如果fy与fx之间不是整数倍的关系，波形就不能完全重叠，不易看出完整、清晰的波形。要想使fy与fx保持整数倍关系是困难的，解决这个问题的办法，并不是使fx保持绝对稳定，而是用待测信号同时控制锯齿波发生器，使锯齿波的频率fx能跟随fy作些微小的变化，以保持fy与fx成整数倍的关系。当fy是fx的整数倍时，即可谓达到了同步。同步时，屏幕上的波形稳定不动；在没有达到同步时，波形是不稳定的。线性：扫描电压的正程必须是线性变化的。由于扫描电压的正程表征被测信号的时间，是测量时间的基准，所以称通常示波器中的扫描（电压正程）为时基，产生扫描电压的电路称为时基电路。同步性：在测量连续信号时，每次扫描正程的起点必须与被测信号同步。同步是通过用被测信号产生触发脉冲去启动扫描发生器实现的。2、通用示波器的基本原理（1）通用示波器的基本组成

主机部分：主要包括示波管、z通道、电源和校准信号发生器等。垂直偏转系统（垂直通道，Y通道）：主要包括Y通道输入电路、延时电路、Y通道放大器、输出放大器等。为了观测多个波形，多踪示波器还具有通道转换能力。水平偏转系统（X通道）：由扫描发生器（时基电路）、触发同步电路、水平放大器及增辉电路（Z通道）等单元组成。电源：对示波器的各系统、各电路提供高压、低压及灯丝等电源。此外，示波器一般都具有时标和校幅两个附属电路，分别用来测量信号的时间参数和信号的幅度，或用来校准时基及垂直偏转因数。偏转灵敏度和偏转因数：示波器的偏转灵敏度定义为：在单位输入信号电压的作用下屏幕上光点在垂直方向的偏转距离，其单位为cm/V(或cm/mV)。偏转灵敏度的倒数称为偏转因数，其单位为V/cm或mV/cm，有的示波器把荧光屏上的刻度格（div）作为长度单位，通常1div=0.8cm。偏转灵敏度或偏转因数表征Y通道对被测信号的响应能力。示波器的灵敏度要受到带宽、噪声、漂移等因素限制，目前最高偏转灵敏度达10μV/div。输入方式和输入阻抗输入方式是指被测信号从示波器的输入接线端至Y通道输入电路的连接方式，大体上分为直流（DC）和交流（AC）两种方式。输入阻抗是指示波器输入接线端对被测信号源呈现的阻抗，通常等效为输入电阻和电容和并联，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小。扫描速度、时基因数和扫描频率扫描速度就是光点在水平方向移动的速度，其单位是cm/s或div/s。扫描速度的倒数就是时基因数，它表示光点水平移动单位长度（cm或div）所需的时间，扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。扫描方式产生时间基线的各种方式称为扫描方式，通常有触发扫描、连续扫描或称自激扫描、单次扫描以及双时基扫描。触发特性示波器的触发特性是指触发脉冲的取得方式，通常有如下几种：由被测信号产生的内触发方式；由与被测信号相关的外信号产生的外触发方式等。示波管性能

环路中时基闸门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路，当输入电平（a点电位）低于下触发电平时，输出（b点电位）为高；当输入电平高于上触发电平时其输出为低；若输入在上、下触发电平之间，其输出状态不会发生变化。扫描发生器是一个锯齿波发生器，通常采用密勒积分器或用恒流源对电容器的充电电路，它在时基闸门的控制下产生扫描的正程及回程。只有当其输入Ub为高电平时，才输出斜升的锯齿波电压Uc（即Uo的正程）；当输入为低电平时，立即停止斜升过程进入扫描的回程，输出电压一直下降到原来的起点电平，而后进入等待期（如Uc所示）。

电压比较器将扫描发生器的输出电压与基准电压Ur进行比较，当超过Ｕr时比较器就有变化的输出，其变化规律和扫描发生器输出的完全相同。释抑电路的作用是在扫描回程期间，电压比较器的输出以较慢的速度放电。由于该电路的RC要比扫描发生器的放电时间常数大得多，因此当它下降到起点位置时，扫描发生器的输出电压早已回到起始电位，以便下次扫描仍从该电位开始，这样可以在屏幕上获得起点固定的扫描基线。（2）触发扫描和自激扫描

触发扫描是在外触发信号的作用下产生扫描电压。自激扫描是指扫描发生器环在没有触发脉冲的情况下也能自行输出扫描电压。

（3）单次扫描单次信号必须采用单次扫描，而且扫描必须由单次信号本身，或与单次信号有关的事件触发产生，每次观测只进行一次扫描过程。通常的方法是断开图6.5释抑电阻R上的开关S，在扫描回程时释抑电容C无放电通路，使整个扫描电路处于抑制状态，不再重复产生扫描电压。只有再次接通开关S，使释抑电路解除抑制状态，才可以重新产生扫描输出。4、触发特性

触发特性包括触发源的选择、触发信号耦合方式选择等。（1）触发源

触发信号有3种来源。内触发：内触发信号来自于示波器内的Y通道触发放大器，它位于延迟线前，当需要利用被测信号触发扫描发生器时，采用这种方式。外触发：用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入”端接入。当被测信号不适合作触发信号或为了比较两个信号的时间关系时，可用外触发。电源触发：来自50Hz交流电源产生的触发脉冲，用于观察与交流电源频率有关时间关系的信号，例如，整流滤波的纹波电压等波形。

（2）触发耦合方式为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式，可用开关进行选择。“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的信号，或频率较低并且有直流成分的信号，一般用“外”触发或连续扫描方式。“AC”交流耦合：触发信号经电容接入，用于观察由低频到较高频率的信号，用内或外触发均可。“HF”高频耦合：用于观察大于5MHz的信号。（3）触发方式示波器的触发方式通常有常态、自动和高频三种方式，这三种方式控制触发整形电路，以产生不同形式的扫描触发信号，形成不同形式的扫描电压。常态触发方式：是将触发信号经整形后，产生足以触发扫描电压电路的触发脉冲，它的触发极性是可调的，上升沿触发即为正极性触发，下降沿触发即为负极性触发，另外还可调节触发电平。自动触发方式：自动触发方式时，整形电路为自激多谐振荡器，振荡器的固有频率由电路时间参数决定，该自激多谐振荡器的输出经变换后去驱动扫描电压发生器，所以，在无被测信号输入时，仍有扫描，一旦有触发信号且其频率高于自激频率时，则自激多谐振荡器内触发信号同步而形成触发扫描，一般测量均使用自动触发方式。高频触发方式：其触发方式原理同自动触发方式，不同点是自激振荡频率较高，当用高频触发信号在与它同步时，同步较为稳定。高频触发方式常用于观测高频信号。三、示波器中采用的其它显示技术

1、光栅显示原理

波形的形成和显示例如在光栅增辉式扫频仪中，锯齿波发生器输出频率Fy

=18.5kHz的锯齿波，三角波发生器产生频率为Fx=0.01～30Hz（可调）的三角波电流。设Fx=1Hz，则三角波正程或回程期间形成的光栅条数为

Fy/2Fx=18500/(2×1)=9250（条）即使Fx=30Hz，光栅条数也有近308条。由此可见，光栅是非常密的。2、平板显示

平板显示器件主要有电致发光（EL）显示板、等离子体（PDP）显示板和液晶（LCD）显示板，它们都是在正高的条状电极之间放置某种物质，使之生产光效应。（1）液晶显示原理

如图为扭曲向列型液晶显示原理图。在液晶盒两侧分别放置光的起偏器和检偏器，并互相垂直放置。当自然光通过时，由于扭曲向列型液晶分子具有旋光性，进入液晶盒的垂直偏振光可以顺利地通过水平检偏器到达反射极，再将光按原路线折回至光的输入端，于是从图左端看去呈白色。如果在液晶盒的两个电极施加方波电压，由于电场的作用使这些液晶分子失去了旋光性，垂直偏振光不能通过水平检偏器，以致没有反射光，就不再呈现白色。如果加以适当信号，从左端看去就出现白底黑字，达到显示的目的。

（2）液晶显示器的驱动平板显示的驱动原理

四、示波器性能的提高1、多波形显示

常见的方法有多线显示、多踪显示及双扫描显示等。在屏幕上同时显示多个波形的方法有两种，即多线（束）显示和多踪显示。多线示波管有多个相互独立的电子束。双线（双束）示波器的示波管的电子束可产生两个电子束，并有两套X、Y偏转系统。其中两对X偏转板上往往采用相同的扫描电压，但两个Y通道常接入不同的信号，并可分别调节两通道的灵敏度、位移、聚焦、辉度等。

多踪示波器与多线示波器不同，它的组成与普通示波器类似，只不过在电路中多了一个电子开关并具有多个垂直通道。电子开关在不同的时间里，分别把两个垂直通道的信号轮流接至Y偏转板，使其可在屏幕上显示多路波形。

双踪示波器有两种不同的时间分割方式，即交替方式和断续方式。交替方式是每一次扫描接通一个被测信号。比如第一次扫描接通信号Uia，第二次扫描接通Uib，依次轮流；断续方式是在一次扫描过程中轮流接通信号Uia和Uib，如果多谐振荡器的周期远小于扫描周期，在一次扫描过程中有多次分别接通两个信号，屏幕上显示的两个波形尽管被分成许多小段，但看起来仍有一种连贯性。交替方式适于观测高频信号，断续方式适于观察低速信号。双扫描示波显示

双扫描示波系统（或称双时基系统）有两个独立的触发和扫描电路，同时产生两个扫描时基：一个是慢扫描，称为A扫描；另一个是快扫描，称为B扫描。

双扫描示波器的波形示意图

为了同时能观测脉冲串的全貌及其中某一部分的细节，在X通道中设有电开关，把两套扫描电路的输出交替地接入X放大器。电子开关还控制光迹分离电路，在两种扫描时给Y放大器施加不同的直流电位，使两种扫描显示的波形上下分开。由于荧光屏的余辉和人眼的残留效应，使人感到“同时”显示了两种波形。电子开关通常用扫描回程来控制。2、宽带示波器的实现

（1）宽带示波器的实现要求

现代的宽带示波器的带宽范围大多是从直流开始直至其频率上限，通常认为带宽在60MHz以上的示波器为宽带示波器。*对垂直通道的要求示波器垂直通道的带宽BW取决于各组成级的带宽，其关系为

示波器的带宽BW小于Y通道中任何一级放大器的带宽。所以示波器Y通道放大器必须兼顾带宽和增益的要求。示波器的带宽指标随着Y通道放大器级数的增多而变窄，相应地上升时间tr要加长。由于tr的增加，影响示波器对瞬态信号的测量结果。*对扫描速度的要求

在宽带示波器中，为了能将被测信号准确地显示在屏幕上，不仅要求扫描电压有良好的线性，而且要有很高的扫描速度。例如，带宽为500MHz的示波器，要求在测量100MHz信号时水平坐标每2div显示一个信号周期，如果水平方向有10div，这时相应的扫描速度计算如下：被测信号的周期：T=1/（100×106）=10ns示波器的扫描速度为：2div/T=2div/10ns=0.2div/ns

则扫描的正程时间为由此可见，在宽带示波器中，为了满意地显示波形，必须有与之相应的扫描速度。

3、取样示波器（1）宽带示波器中限制带宽的因素示波管的带宽限制,Y通道的带宽受放大器中的限制,高速时基信号不易获得。（2）取样示波器原理

将高频（一般为1000MHz以上）的重复性的周期信号，经过取样（取样速率可调节），变换成低频的重复性周期信号，再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示波器。

在取样示波器中采用的是非实时取样，或称等效取样，是把一个高频率信号经过跨周期的取样，形成一个波形和相位完全相同、幅度相等或有严格比例关系的低频（或中频）信号。取样示波器的组成框图如下图所示。

取样电路的关键是取样门，通常用二极管取样门或用由二极管组成的桥式取样门。

取样示波器的显示过程是，在步进脉冲发生器的作用下产生了取样脉冲和阶梯波扫描电压，被测信号Ui经取样电路后，变成窄脉冲，经放大、展宽后形成量化的信号包络，到达示波管的Y偏转板，为了在屏幕上显示出由不连续的亮点构成的取样信号波形，必须采用与取样信号同步的阶梯波作扫描电压。当取样点足够密时，就能在屏幕上无失真地表现被测信号的波形。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。五、现代信号存储和显示技术

1、信号的模拟存储

最常用的信号模拟存储手段是示波管。这种示波管称为记忆示波管，通常将具有这种示波管的示波器称为记忆示波器。记忆示波器能够用于观测单次信号及重复频率很低的窄脉冲信号。（1）波形存储：采用了具有二次电子发射特性的示波管。（2）可变余辉示波管：2、信号的数字存储（1）数字存储显示的基本原理

数字存储示波器在显示波形的同时，能用数字显示各种给定值和测量结果，此外，它还能对波形进行各种运算处理；对测量过程进行程控或遥控；可通过通用接口（GPIB）把波形数据送至计算机，进行数据处理或组成自动测试系统。在数字存储示波器中波形的存储和显示分开进行，因此与宽带示波器相比，数字存储示波器对其显示功能的速度要求不高，只要选择一个适合人们观察的速度即可。对于变化极慢的信号，由于采用了合适的显示速度，也不会给人以闪烁的感觉。（2）数字存储显示的特点及发展前景

由于数字存储示波器是以通用示波器为基础，并采用计算机和LSIC等先进技术，因此具有如下特点：*可以永久地存储信息*测量精度高*信号处理和显示分开进行*多种触发方式*多种显示方式*便于进行多波形的分析比较*便于波形数据的分析处理（3）数字存储示波器的主要技术指标*最高采样速率fs

：指单位时间获得被测信号的样点数，也称数字化速率。fs与时基因数Ft和单位长度的取样点数M之间的关系为

fs=M/Ft

*

存储带宽：用有效存储带宽和等效存储带宽表示，有效存储带宽与采样速率和显示方式有关，定义为

BWa=fsmax/K

显示方式有光点显示（K=25）、线性内插显示（K=10）和正弦内插显示（K=2.5）。等效存储带宽是采用等效取样技术能够测量的周期信号的最高频率。*存储长度（存储容量）：表示一次采样、存储过程中获取被测信号长度的能力。*测量分辨力和测量精度：包括电压分辨力和时间分辨力。电压分辨力主要取决于ADC的位数，当测量的满度值为10V时，8位ADC的测量分辨力ΔV为

ΔV=10/28≈40mV

时间分辨力是指示波器X坐标上相邻两样点之间时间间隔Δt的大小，在X方向的点数取决于水平通道的DAC的位数，例如，用10位DAC时，X方向有210=1024点。通常X总长度为10div，对于10位DAC来说，相当于1024/10≈100点/div，其测量分辨力达0.01/div。（4）数字存储示波器的主要部件及要求*高速ADC和DAC*存储器——高速大容量

高速数据的分路存储原理框图如图所示。*控制系统控制系统不仅要进行数据采集，还要实现数据处理、显示、人机控制等功能。因此现代数字存储示波器出现多CPU系统，一个CPU为主CPU，具有相应的存储器（RAM，ROM）、I/O接口和外设，执行管理整个仪器的软件；其它为从CPU，在主CPU的管理之下完成某一部分工作。（5）数字化波形处理系统

——

用低速器件来采集和存储高速信号的问题。

*

CCD器件和A/D相结合

首先对被测信号进行重复非实时取样，实现从高频到低频的频率搬移，并借助于电荷耦合器件（CCD）进行信号的模拟存储；然后将CCD中的信号读出并进行A/D转换，其数字化结果存入RAM。*数字化摄像系统和ADC相结合利用扫描转换摄像机来捕捉示波器上的波形，然后以图像信号输出的形式取出存储信号，并经ADC将数字化结果存入RAM。*等效取样和ADC相结合采用等效取样的方法将高速信号变为低速信号，在数字存储示波器中只须对此低速信号进行采集、存储。*多通道组合被测信号同时作用于两个采集通道的输入端，在显示时再将这些样点依次交替读出进行显示。（6）波形显示技术在一个信号波形被采样、数字化、存储和处理后，有多种方法可以将它复现，所有的方法都需要用DAC将数字信息转换成模拟电压。*点显示技术在屏幕上以离散点的形成将信号波形显示出来。能够做到正确显示的前提是必须有足够的点来重新构成信号波形，一般要求每个信号周期显示20~25个点。*插值显示技术插值是在相邻采样点之间插入适当的数据点，使屏幕上的显示逼近被测信号波形。通常有两类插值方法，即线性插值和正弦插值。线性插值是在两个采样点之间插入一点，用直线将采样点和插值点连接起来。正弦插值，又