第3章時(shí)域測量3.5-3.7

1、3.1 時(shí)域測量時(shí)域測量引論引論3.2 示波管示波管3.3 波形顯示原理波形顯示原理3.4 通用示波器通用示波器3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.6 數(shù)字示波器數(shù)字示波器3.7 數(shù)字示波器的應(yīng)用數(shù)字示波器的應(yīng)用第第3章章 時(shí)域時(shí)域測量測量3.5.1 取樣示波器取樣示波器的基本原理的基本原理 1 1取樣的基本概念取樣的基本概念取樣取樣就是利用采樣門把連續(xù)時(shí)間信號變成離散時(shí)就是利用采樣門把連續(xù)時(shí)間信號變成離散時(shí)間信號。間信號。取樣分為取樣分為實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)取樣和和非實(shí)時(shí)取樣非實(shí)時(shí)取樣兩種。兩種。 從一個(gè)信號波形中取得所有取樣點(diǎn)，來表示一個(gè)從一個(gè)信號波形中取得所有取樣點(diǎn)，來表

2、示一個(gè)信號波形的方法稱為信號波形的方法稱為實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)取樣。 從被測信號的許多相鄰波形上取得樣點(diǎn)的方法稱從被測信號的許多相鄰波形上取得樣點(diǎn)的方法稱為為非實(shí)時(shí)取樣非實(shí)時(shí)取樣，或稱為，或稱為等效取樣等效取樣。 3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.5.1 取樣示波器取樣示波器的基本原理的基本原理2.2.實(shí)時(shí)取樣示意圖實(shí)時(shí)取樣示意圖3.5.1 取樣示波器取樣示波器的基本原理的基本原理3.3.非實(shí)時(shí)取樣示意圖非實(shí)時(shí)取樣示意圖3.5.1 取樣示波器取樣示波器的基本原理的基本原理0( )( ) ( )1 ( )0 sinnwnwnu tu t p tttttp tttttT 3.5

3、取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用4.4.取樣門及取樣脈沖取樣門及取樣脈沖 核心電路取樣保持器示意圖核心電路取樣保持器示意圖 兩個(gè)取樣脈沖的時(shí)間間隔為兩個(gè)取樣脈沖的時(shí)間間隔為 ，由于波形，由于波形包絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間變長了，故可用包絡(luò)所經(jīng)歷的時(shí)間變長了，故可用低頻示波器顯示低頻示波器顯示較高頻率的信號較高頻率的信號。 sTmTt3.5.1 取樣示波器取樣示波器的基本原理的基本原理3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.5.2 取樣示波器取樣示波器的基本組成的基本組成顯示過程顯示過程在量化信號在量化信號(a)(a)與階梯掃描信號與階梯掃描信號(b)(b)共同作用下，

4、就可在熒光屏上顯示共同作用下，就可在熒光屏上顯示出被測高頻信號的波形如圖出被測高頻信號的波形如圖(c)(c)，當(dāng)，當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時(shí)，取樣點(diǎn)足夠密時(shí)， 即圖即圖(c)(c)中亮點(diǎn)中亮點(diǎn)足夠密時(shí)，該波形便能無失真地表足夠密時(shí)，該波形便能無失真地表現(xiàn)被測高頻波形。現(xiàn)被測高頻波形。( (兩個(gè)通道加的都是階梯波，兩個(gè)通道加的都是階梯波，Y Y階梯階梯電壓值對應(yīng)取樣值，電壓值對應(yīng)取樣值，X X階梯電壓值與階梯電壓值與時(shí)間成正比。時(shí)間成正比。) ) 取樣示波器的取樣示波器的X通道中的時(shí)基單元，除了產(chǎn)生階梯波通道中的時(shí)基單元，除了產(chǎn)生階梯波電壓外，還產(chǎn)生與掃描電壓同步的電壓外，還產(chǎn)生與掃描電壓同步的t延遲脈沖

5、，用以同步延遲脈沖，用以同步取樣門及延長門脈沖發(fā)生器，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作。取樣門及延長門脈沖發(fā)生器，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)地工作。 取樣示波器是一種非實(shí)時(shí)取樣過程，它只能取樣示波器是一種非實(shí)時(shí)取樣過程，它只能觀測重復(fù)觀測重復(fù)信號信號，對非重復(fù)的高頻信號或單次信號，只能用高速示波，對非重復(fù)的高頻信號或單次信號，只能用高速示波器進(jìn)行觀測。器進(jìn)行觀測。3.5.2 取樣示波器取樣示波器的基本組成的基本組成3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.5.3 取樣示波器取樣示波器的參數(shù)的參數(shù)1.1.帶寬帶寬要提高要提高取樣示波器的帶寬，取樣示波器的帶寬，取樣門用元件的高頻取樣門用元件的高頻特性要

6、足夠好；其次取樣脈沖本身要足夠窄。特性要足夠好；其次取樣脈沖本身要足夠窄。取樣脈沖通常有兩種形式：規(guī)則脈沖和尖三角脈取樣脈沖通常有兩種形式：規(guī)則脈沖和尖三角脈沖。沖。 取樣門的最高工作頻率為取樣門的最高工作頻率為（為取為取樣脈沖底寬），即與取樣脈沖底邊的寬度成樣脈沖底寬），即與取樣脈沖底邊的寬度成反比反比。 30.44 0.64dBf3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.5.3 取樣示波器取樣示波器的參數(shù)的參數(shù)2.2.取樣密度取樣密度 指電路掃描時(shí)，在示波器屏幕指電路掃描時(shí)，在示波器屏幕X X軸上顯示的被測信軸上顯示的被測信號每格所對應(yīng)的號每格所對應(yīng)的取樣點(diǎn)數(shù)取樣點(diǎn)數(shù)，常

7、用每厘米的光點(diǎn)數(shù)，常用每厘米的光點(diǎn)數(shù)來表示。來表示。屏幕上的光點(diǎn)總數(shù)為屏幕上的光點(diǎn)總數(shù)為 （U Us s為為X X方向最大偏轉(zhuǎn)方向最大偏轉(zhuǎn)電壓；電壓；uus s為階梯波每級上升的電壓）。為階梯波每級上升的電壓）。使使UUs s變小，可使總點(diǎn)數(shù)增加，即取樣密度變大；變小，可使總點(diǎn)數(shù)增加，即取樣密度變大；但取樣點(diǎn)過多可能導(dǎo)致波形閃爍。但取樣點(diǎn)過多可能導(dǎo)致波形閃爍。 ssUnU3.5 取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用取樣技術(shù)在示波器中的應(yīng)用3.5.3 取樣示波器取樣示波器的參數(shù)的參數(shù)3.3.等效掃速等效掃速 等效掃速定義為等效掃速定義為被測信號經(jīng)歷時(shí)間被測信號經(jīng)歷時(shí)間與與水平方向展水平方向展寬寬的距離比。的

8、距離比。 在取樣示波器中，雖然在屏幕上顯示在取樣示波器中，雖然在屏幕上顯示n n個(gè)亮點(diǎn)需個(gè)亮點(diǎn)需要要n n（mT+tmT+t）的時(shí)間，但它等效于被測信號經(jīng)的時(shí)間，但它等效于被測信號經(jīng)過了過了ntnt的時(shí)間。的時(shí)間。 U Us s為為X X方向最大偏轉(zhuǎn)電壓方向最大偏轉(zhuǎn)電壓；L L為為X X軸軸展寬距離；展寬距離； 為為快斜波的斜率?？煨辈ǖ男甭省?ffSSSesTULULtUULtnS/1/ ffTU3.6 數(shù)字示波器數(shù)字示波器3.6.1 數(shù)字示波器數(shù)字示波器的組成原理的組成原理3.6 數(shù)字示波器數(shù)字示波器3.6.1 數(shù)字示波器數(shù)字示波器的組成原理的組成原理 當(dāng)處于存儲(chǔ)工作模式時(shí)，其工作過程一般

9、分為當(dāng)處于存儲(chǔ)工作模式時(shí)，其工作過程一般分為存存儲(chǔ)儲(chǔ)和和顯示顯示兩個(gè)階段。兩個(gè)階段。在存儲(chǔ)工作階段，在存儲(chǔ)工作階段，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號，將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號，在邏輯控制電路的控制下依次寫入到在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAMRAM中。中。在顯示工作階段，在顯示工作階段，將數(shù)字信號從存儲(chǔ)器中讀出轉(zhuǎn)將數(shù)字信號從存儲(chǔ)器中讀出轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)垂直放大器放大加到換成模擬信號，經(jīng)垂直放大器放大加到CRTCRT的的Y Y偏偏轉(zhuǎn)板。同時(shí)，轉(zhuǎn)板。同時(shí)，CPUCPU的讀地址計(jì)數(shù)脈沖加至的讀地址計(jì)數(shù)脈沖加至D/AD/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器，器，得到一個(gè)階梯波掃描電壓得到一個(gè)階梯波掃描電壓，驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)CRT

10、CRT的的X X偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)板板。 工作過程工作過程3.6.2 信號的采集處理技術(shù)信號的采集處理技術(shù) 數(shù)字存儲(chǔ)示波器（數(shù)字存儲(chǔ)示波器（Digital Storage Oscilloscope，簡稱為簡稱為DSO） 數(shù)字三維示波器（數(shù)字三維示波器（Digital Three-dimensional Oscilloscope，簡稱為，簡稱為DTO） 數(shù)字熒光示波器（數(shù)字熒光示波器（Digital Phosphor Oscilloscope，簡稱為簡稱為DPO）3.6.2 信號的采集處理技術(shù)信號的采集處理技術(shù)（1 1）CCDCCD器件和器件和A/DA/D相結(jié)合相結(jié)合對被測信號進(jìn)行非實(shí)時(shí)取樣后借助對被測信

11、號進(jìn)行非實(shí)時(shí)取樣后借助CCDCCD進(jìn)進(jìn)行信號的模擬存儲(chǔ)。然后將行信號的模擬存儲(chǔ)。然后將CCDCCD中存儲(chǔ)的信號中存儲(chǔ)的信號讀出并進(jìn)行讀出并進(jìn)行A/DA/D轉(zhuǎn)換，其結(jié)果存入轉(zhuǎn)換，其結(jié)果存入RAMRAM。 CCD3.6.2 信號的采集處理技術(shù)信號的采集處理技術(shù)（2 2）掃描交換管和）掃描交換管和A/DA/D相結(jié)合相結(jié)合 將高速信號存儲(chǔ)在掃描變換管的靶面上，將高速信號存儲(chǔ)在掃描變換管的靶面上，然后通過電子掃描靶面以圖像信號輸出的形式然后通過電子掃描靶面以圖像信號輸出的形式取出存儲(chǔ)信號，并經(jīng)取出存儲(chǔ)信號，并經(jīng)A/DA/D轉(zhuǎn)換將數(shù)字化結(jié)果存轉(zhuǎn)換將數(shù)字化結(jié)果存入存儲(chǔ)器。入存儲(chǔ)器。 （3 3）等效取樣和）等

12、效取樣和A/DA/D相結(jié)合相結(jié)合 采用等效取樣的方法將高速信號變?yōu)榈筒捎玫刃拥姆椒▽⒏咚傩盘栕優(yōu)榈退傩盘枺瑢Υ说退傩盘栠M(jìn)行采集、存儲(chǔ)就可能速信號，對此低速信號進(jìn)行采集、存儲(chǔ)就可能完成測量任務(wù)。完成測量任務(wù)。 3.6.2 信號的采集處理技術(shù)信號的采集處理技術(shù)（4 4）多通道組合）多通道組合 將多個(gè)通道的采集能力均用于一個(gè)通道將多個(gè)通道的采集能力均用于一個(gè)通道對被測信號進(jìn)行采集。對被測信號進(jìn)行采集。3.6.3 波形顯示方式波形顯示方式（1 1）存儲(chǔ)顯示）存儲(chǔ)顯示 適于一般信號的觀測。適于一般信號的觀測。 （2 2）抹跡顯示）抹跡顯示 適于觀測一長串波形中在一定條件下才會(huì)適于觀測一長串波形中在一

13、定條件下才會(huì)發(fā)生的瞬態(tài)信號。發(fā)生的瞬態(tài)信號。（3 3）卷動(dòng)顯示）卷動(dòng)顯示 適于觀測緩變信號中隨機(jī)出現(xiàn)的突發(fā)信號。適于觀測緩變信號中隨機(jī)出現(xiàn)的突發(fā)信號。 3.6.3 波形顯示方式波形顯示方式（4 4）放大顯示）放大顯示 適于觀測信號波形細(xì)節(jié)。適于觀測信號波形細(xì)節(jié)。 （5 5）X XY Y顯示顯示 3.6.3 波形顯示方式波形顯示方式（6 6）顯示的內(nèi)插）顯示的內(nèi)插 插入技術(shù)可以解決點(diǎn)顯示中視覺錯(cuò)誤的問題。插入技術(shù)可以解決點(diǎn)顯示中視覺錯(cuò)誤的問題。 主要有主要有線性插入線性插入和和曲線插入曲線插入兩種方式。兩種方式。 線性插值是重構(gòu)原理比較簡單的一種插值方線性插值是重構(gòu)原理比較簡單的一種插值方法，局

14、限于重構(gòu)直邊緣的信號，比如方波。法，局限于重構(gòu)直邊緣的信號，比如方波。正弦插值利用數(shù)學(xué)處理，在實(shí)際樣點(diǎn)間隔中正弦插值利用數(shù)學(xué)處理，在實(shí)際樣點(diǎn)間隔中運(yùn)算出結(jié)果，利用曲線連接樣點(diǎn)，通用性更強(qiáng)。運(yùn)算出結(jié)果，利用曲線連接樣點(diǎn)，通用性更強(qiáng)。3.6.3 波形顯示方式波形顯示方式線性插值線性插值正弦插值正弦插值（6）顯示的內(nèi)插）顯示的內(nèi)插3.6.4 技術(shù)性能指標(biāo)技術(shù)性能指標(biāo)1 1帶寬帶寬 定義：示波器輸入不同頻率的定義：示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號等幅正弦信號時(shí)，顯示時(shí)，顯示屏上對應(yīng)基準(zhǔn)頻率的顯示幅度隨頻率變化而下降屏上對應(yīng)基準(zhǔn)頻率的顯示幅度隨頻率變化而下降3dB3dB時(shí)，時(shí)，其下限到上限頻率的范圍。其

15、下限到上限頻率的范圍。100%（0dB）71%（-3dB）示波器的帶寬（示波器的帶寬（BW）只能測量低頻交流的儀表在只能測量低頻交流的儀表在處也下滑。處也下滑。幅頻特性曲線幅頻特性曲線3.6.4 技術(shù)性能指標(biāo)技術(shù)性能指標(biāo)2.2.最高最高采采樣速率樣速率 指單位時(shí)間內(nèi)取樣的次數(shù)，用每秒鐘完成的指單位時(shí)間內(nèi)取樣的次數(shù)，用每秒鐘完成的A/DA/D轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換的最高次數(shù)來衡量。換的最高次數(shù)來衡量。 實(shí)時(shí)取樣速率實(shí)時(shí)取樣速率： N N為每格的取樣數(shù)；為每格的取樣數(shù)； t t/div/div為掃描一格所用的時(shí)間即掃描時(shí)間因數(shù)）。為掃描一格所用的時(shí)間即掃描時(shí)間因數(shù)）。/divNft3.6.4 技術(shù)性能指標(biāo)技術(shù)性能

16、指標(biāo)3 3存儲(chǔ)深度存儲(chǔ)深度 表示示波器在最高實(shí)時(shí)采樣率下連續(xù)采集并存表示示波器在最高實(shí)時(shí)采樣率下連續(xù)采集并存儲(chǔ)采樣點(diǎn)的能力，通常用采樣點(diǎn)數(shù)（儲(chǔ)采樣點(diǎn)的能力，通常用采樣點(diǎn)數(shù)（pts）表示）表示，表示表示DSO能夠連續(xù)存入采樣點(diǎn)的最大字節(jié)數(shù)。能夠連續(xù)存入采樣點(diǎn)的最大字節(jié)數(shù)。 最大存儲(chǔ)深度由最大存儲(chǔ)深度由示波器的存儲(chǔ)器容量示波器的存儲(chǔ)器容量決定，決定，增加存儲(chǔ)深度可通過外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。增加存儲(chǔ)深度可通過外部存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)。 存儲(chǔ)深度越存儲(chǔ)深度越深深越利于觀察越利于觀察波形細(xì)節(jié)波形細(xì)節(jié)普通存儲(chǔ)與深存儲(chǔ)比對普通存儲(chǔ)與深存儲(chǔ)比對普通存儲(chǔ)深存儲(chǔ)10MHz正弦波展寬后無法觀測到正常波形展寬后可以觀測到正常波形3.

17、6.4 技術(shù)性能指標(biāo)技術(shù)性能指標(biāo)4.4.分辨力分辨力 包括包括垂直分辨力垂直分辨力（電壓分辨力）和（電壓分辨力）和水平分辨力水平分辨力（時(shí)間分辨力）。（時(shí)間分辨力）。 垂直分辨力垂直分辨力取決于取決于A/DA/D轉(zhuǎn)換器對量化值進(jìn)行編碼的轉(zhuǎn)換器對量化值進(jìn)行編碼的位數(shù)，常以屏幕每度的分級數(shù)位數(shù)，常以屏幕每度的分級數(shù)( (級級div) div) 來表示。來表示。 水平分辨力水平分辨力又稱又稱時(shí)間間隔分辨力時(shí)間間隔分辨力 以以DSODSO進(jìn)行進(jìn)行tt測測量時(shí)最小時(shí)間間隔表示。量時(shí)最小時(shí)間間隔表示。3.6.5 基本功能特點(diǎn)基本功能特點(diǎn)1.1.波形顯示不受波形的采樣和存儲(chǔ)方式的限制波形顯示不受波形的采樣和

18、存儲(chǔ)方式的限制 波形的采樣波形的采樣/ /存儲(chǔ)與波形的顯示是獨(dú)立的存儲(chǔ)與波形的顯示是獨(dú)立的 采樣速率、存儲(chǔ)深度、讀出速度采樣速率、存儲(chǔ)深度、讀出速度 讀出速度讀出速度是指是指將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器中讀出的速度，常用( (時(shí)間時(shí)間)/div)/div來表示。來表示。 2.2.多種信號采集方式多種信號采集方式 取樣取樣 可能可能漏掉漏掉采樣間隔中的采樣間隔中的窄窄脈沖脈沖 峰值檢測峰值檢測 平均平均 可以減少可以減少隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲的影響的影響以以某一時(shí)間間隔某一時(shí)間間隔對信對信號進(jìn)行采樣號進(jìn)行采樣用采樣間隔中的用采樣間隔中的最大值最大值和和最小值最小值來顯示波形來顯示波形

19、采集多個(gè)波形，最后顯示采集多個(gè)波形，最后顯示平均處理后平均處理后的波的波形形3.6.5 基本功能特點(diǎn)基本功能特點(diǎn)3.3.具有預(yù)觸發(fā)功能具有預(yù)觸發(fā)功能 不僅能顯示觸發(fā)后的信號，不僅能顯示觸發(fā)后的信號，還還能顯示觸發(fā)前的信號能顯示觸發(fā)前的信號4.4.多種測量方式多種測量方式 刻度測量刻度測量 光標(biāo)測量光標(biāo)測量 自動(dòng)測量自動(dòng)測量3.6.5 基本功能特點(diǎn)基本功能特點(diǎn)5.5.便于對儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理便于對儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 如：信號如：信號比較比較、信號、信號濾波濾波、FFTFFT（Fast Fourier Fast Fourier TransformationTransformation）分析信號的）

20、分析信號的頻譜、失真度、調(diào)制頻譜、失真度、調(diào)制特性特性等。等。6.6.多種信號顯示方式多種信號顯示方式 存儲(chǔ)顯示存儲(chǔ)顯示 抹跡顯示抹跡顯示 卷動(dòng)顯示卷動(dòng)顯示 放大顯示放大顯示 XYXY顯示顯示 顯示的內(nèi)插顯示的內(nèi)插 3.7 示波器的應(yīng)用示波器的應(yīng)用1.根據(jù)示波器的性能指標(biāo)選用根據(jù)示波器的性能指標(biāo)選用上限頻率應(yīng)大于測量信號的上限頻率應(yīng)大于測量信號的3 3倍以上倍以上觀測觀測微弱微弱信號信號水平方向上水平方向上展開展開信號的能力信號的能力例：例：觀測觀測50MHz50MHz正弦波正弦波, ,示波器的通頻帶上限示波器的通頻帶上限 150MHz150MHz例：例：速度快速度快展開高頻或窄脈沖波形；展開高頻或窄脈沖波形； 速度慢速度慢低頻、緩慢變化的信號低頻、緩慢變化的信號垂直靈敏度垂直靈敏度掃描速度掃描速度帶寬帶寬3.7 數(shù)字示波器的應(yīng)用數(shù)字示波器的應(yīng)用2.示波器的選擇原則示波器的選擇原則比較比較2 2個(gè)被測信號個(gè)被測信號低頻緩慢變化的信號低頻緩慢變化的信號觀測信號的局部波形觀測