第七章信號(hào)波形測(cè)量(一)

第7章信號(hào)波形測(cè)量

7.1波形的模擬測(cè)量7.2波形的數(shù)字測(cè)量7.3示波器的原理與設(shè)計(jì)7.4示波器的應(yīng)用7.5示波器專題講座什么是波形？幾種典型的波：正弦波方波和矩形波三角波和鋸齒波階躍波和脈沖波調(diào)幅波和調(diào)頻波什么是波形？正弦波是波形的基本組成，任何非正弦波都可視成是基波和無數(shù)不同頻率的諧波分量組成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9……次諧波分量遞加而成。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)+……)對(duì)于非正弦波由最小值過渡到最大值的時(shí)間越短，所含的諧波分量也就越多，波形所含諧波的頻率也越高。對(duì)于脈沖波占空比越小，波形所含諧波就越多，諧波頻率分量也越高。7.1波形的模擬測(cè)量

7.1.1CRT

由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成。

后加速極A3FKG1G2A1A2Y偏轉(zhuǎn)板X偏轉(zhuǎn)板輝度聚焦輔助聚焦+E-E熒光屏電子槍偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏1電子槍

作用：發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束。由燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽極A1、A2組成。通過調(diào)節(jié)G1對(duì)K的負(fù)電位可控制電子束的強(qiáng)弱，從而調(diào)節(jié)光點(diǎn)的亮度，即進(jìn)行“輝度”控制。調(diào)節(jié)A1的電位器稱為“聚焦”旋鈕，通過對(duì)它進(jìn)行調(diào)節(jié)可調(diào)節(jié)G2與A1和A1與A2之間的電位；調(diào)節(jié)A2電位的旋鈕稱為“輔助聚焦”。電子束聚焦的原理是，電子從陰極K發(fā)射，經(jīng)G1、G2、A1、A2聚焦和加速后進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

兩對(duì)相互垂直的平行金屬板，垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板。電壓偏轉(zhuǎn)偏轉(zhuǎn)距離。偏轉(zhuǎn)距離與偏轉(zhuǎn)電壓成正比。

偏轉(zhuǎn)靈敏度（cm/V）：為提高偏轉(zhuǎn)靈敏度，Y偏轉(zhuǎn)板靠近電子槍，而X偏轉(zhuǎn)板在Y的右邊。偏轉(zhuǎn)板至熒光屏之間加一個(gè)后加速陽極A3。3熒光屏

將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)輝度調(diào)節(jié)、余輝效應(yīng)L：偏轉(zhuǎn)板長(zhǎng)度；S：偏轉(zhuǎn)板中心到屏幕中心距離；b：偏轉(zhuǎn)板間距；Va：陽極A2上的電壓。偏轉(zhuǎn)靈敏度越大，示波管越靈敏。其倒數(shù)為偏轉(zhuǎn)因數(shù)。7.1.2波形顯示的基本原理

1．顯示隨時(shí)間變化的圖形（1）Ux、Uy為固定電壓

(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量xy（2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓Uy0123401324Uy-UytUx0123401324Ux-Uxt（2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓（續(xù)）Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波，熒光屏上將顯示出被測(cè)信號(hào)隨時(shí)間變化的一個(gè)周期的波形曲線。tUy0123401324Uy-Uyt0UxUx-Ux（2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓（續(xù)）李沙育（Lissajous）圖形顯示，常用在相位和頻率測(cè)量中兩信號(hào)的初相相同，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出一條與水平軸呈45度角的直線。

t0123401234uytux01234ut0123401234yux01234024兩信號(hào)的初相相差90度，且在X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓。7.1.2波形顯示的基本原理（續(xù)）3．掃描的概念

在X偏轉(zhuǎn)板上加一個(gè)隨時(shí)間線形變化的電壓，光點(diǎn)在水平方向的偏移距離為：光點(diǎn)在鋸齒波作用下掃動(dòng)的過程稱“掃描”，實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱“掃描電壓”，光點(diǎn)自左向右的掃動(dòng)稱為“掃描正程”，自右迅速返回左端起掃點(diǎn)的過程稱為“掃描逆程”。掃描過程的增輝（逆程消隱）：為使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示，可以設(shè)法在掃描正程期間，給示波器增輝。t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty不增輝產(chǎn)生回掃線4．同步的概念

n=2Tx=nTy，掃描電壓與被測(cè)電壓“同步”。熒光屏上將穩(wěn)定顯示n個(gè)周期的被測(cè)信號(hào)波形。

7.1.2波形顯示的基本原理（續(xù)）ut015(6)234789012345678uytxTy54Tx=101110911TyTx≠nTy，不滿足同步關(guān)系時(shí)，顯示的波形不穩(wěn)定。5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描

TsT=Tstt被測(cè)脈沖連續(xù)掃描t不能觀測(cè)到脈沖細(xì)節(jié)7.1.2波形顯示的基本原理（續(xù)）T=t波形顯示暗，不容易同步Tstt被測(cè)脈沖連續(xù)掃描，T=tt占空比很小的脈沖觸發(fā)掃描使掃描脈沖只在被測(cè)脈沖到來時(shí)才掃描一次；沒有被測(cè)脈沖時(shí)，掃描發(fā)生器處于等待工作狀態(tài)。第7章信號(hào)波形測(cè)量

7.1波形的模擬測(cè)量

7.2波形的數(shù)字測(cè)量7.3示波器的原理與設(shè)計(jì)7.4示波器的應(yīng)用7.5示波器專題講座7.2波形的數(shù)字測(cè)量

波形數(shù)字測(cè)量的基本流程①等間隔進(jìn)行采樣及A/D轉(zhuǎn)換②順序存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)③讀取采樣數(shù)據(jù)處理并構(gòu)建波形1．采樣定理

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集

采樣定理，又稱香農(nóng)采樣定理，奈奎斯特采樣定理：如果信號(hào)是帶限的（0~fmax），并且采樣頻率高于信號(hào)帶寬的兩倍，那么原來的連續(xù)信號(hào)可以從采樣樣本中完全重建出來。7.2.1信號(hào)采集1．采樣定理

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

混疊是指當(dāng)采樣率低于實(shí)際信號(hào)最高頻率2倍（奈奎斯特頻率）時(shí)所出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。如下圖所示：

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集2．模數(shù)轉(zhuǎn)換器（1）并行比較式ADC（flashADC）個(gè)比較器7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集2．模數(shù)轉(zhuǎn)換器（2）并串式ADC

3．采樣方式

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))實(shí)時(shí)采樣real-timesampling一次采集信號(hào)上的若干采樣點(diǎn)，并基于采樣點(diǎn)的時(shí)間順序顯示被測(cè)波形的方法。等效采樣repetitivesampling

對(duì)于周期（重復(fù)）信號(hào)，每次在一個(gè)信號(hào)周期采集一定數(shù)量的采樣點(diǎn)，經(jīng)過對(duì)多個(gè)信號(hào)周期進(jìn)行多次采集，積累足夠的采樣點(diǎn)數(shù)量，并基于多次采集之間的時(shí)間關(guān)系，對(duì)采樣點(diǎn)重新排列，進(jìn)而顯示出被測(cè)波形。采樣率單位時(shí)間內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣的次數(shù)（Sa/s或SPS）。為區(qū)分實(shí)時(shí)采樣和等效采樣，通常將基于實(shí)時(shí)采樣的采樣率稱為實(shí)時(shí)采樣率，基于等效采樣的采樣率稱為等效采樣率。（1）實(shí)時(shí)采樣

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))只需一次觸發(fā)就采集到信號(hào)的所有資料不僅適用捕獲重復(fù)信號(hào)，而且是捕捉單次信號(hào)以及隱藏在重復(fù)信號(hào)中的毛刺和異常信號(hào)的有效方法。（1）實(shí)時(shí)采樣

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))多ADC并行采樣/時(shí)間交替采樣

（1）實(shí)時(shí)采樣

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))多ADC并行交替采樣與校正技術(shù)專題討論

并行采樣的優(yōu)缺點(diǎn)？并行采樣的誤差來源有哪些？這些誤差分別影響采集的哪些性能？誤差校正的方法有哪些？目前該技術(shù)的發(fā)展情況怎樣？還存在什么樣的問題？

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))（2）等效采樣順序采樣:

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.1信號(hào)采集(續(xù))（2）等效采樣隨機(jī)采樣

存儲(chǔ)的目的

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.2采樣點(diǎn)的存儲(chǔ)？

（1）存儲(chǔ)深度的概念存儲(chǔ)深度＝采樣率×采樣時(shí)間在最高實(shí)時(shí)采樣率下連續(xù)采集并存儲(chǔ)采樣點(diǎn)的能力。為什么存？

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.2采樣點(diǎn)的存儲(chǔ)（續(xù)）

（2）通過觸發(fā)控制來實(shí)現(xiàn)波形的存儲(chǔ)怎么存？

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.2采樣點(diǎn)的存儲(chǔ)（續(xù)）（3）觸發(fā)與觸發(fā)釋抑7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.2采樣點(diǎn)的存儲(chǔ)（續(xù)）（3）觸發(fā)與觸發(fā)釋抑觸發(fā)釋抑，波形穩(wěn)定顯示①,②分別表示不同的觸發(fā)點(diǎn)。

⑴,⑵分別對(duì)應(yīng)①,②不同觸發(fā)點(diǎn)所采集的波形。釋抑時(shí)間被測(cè)波形被轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字序列并被捕捉、存儲(chǔ)下來后，其最大好處便是可以利用處理器強(qiáng)大的功能進(jìn)行波形的各種處理和運(yùn)算。在這一環(huán)節(jié)主要包含兩方面的工作，即波形重構(gòu)和波形參數(shù)的測(cè)量。

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理1.波形的重構(gòu):

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）抽樣

1.波形的重構(gòu):

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）插值/內(nèi)插波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）波形內(nèi)插的方法主要是指波形再現(xiàn)的插值算法。線性內(nèi)插：在相鄰采樣點(diǎn)直接連接上直線，局限于直邊緣信號(hào)。正弦內(nèi)插：（Sinx/x）利用曲線來連接樣點(diǎn)，通用性更強(qiáng)。它利用數(shù)學(xué)處理，在實(shí)際樣點(diǎn)間隔中運(yùn)算出結(jié)果。這種方法彎曲信號(hào)波形，使之產(chǎn)生比純方波和脈沖更為現(xiàn)實(shí)的普通波形。sinx/x正弦內(nèi)插發(fā)復(fù)現(xiàn)信號(hào)。結(jié)合上述特點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際信號(hào)選擇合適的采樣方式以更完美的觀測(cè)信號(hào)。7.2.3波形的處理（續(xù)）1、波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

線性插值數(shù)學(xué)模型7.2.3波形的處理（續(xù)）1、波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

正弦插值數(shù)學(xué)模型7.2.3波形的處理（續(xù)）1、波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

線性插值是重構(gòu)原理比較簡(jiǎn)單的一種插值方法，局限于重構(gòu)直邊緣的信號(hào)，比如方波。正弦插值利用數(shù)學(xué)處理，在實(shí)際樣點(diǎn)間隔中運(yùn)算出結(jié)果，利用曲線連接樣點(diǎn)，通用性更強(qiáng)。1波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）線性插值正弦插值2.波形參數(shù)計(jì)算7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）波形參數(shù)都有哪些？各有什么含義？如何計(jì)算？？

2.波形參數(shù)計(jì)算7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）電壓類參數(shù)2.波形參數(shù)計(jì)算7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.3波形的處理（續(xù)）時(shí)間類參數(shù)波形的數(shù)字測(cè)量中，對(duì)波形的顯示通常有模擬和數(shù)字兩種處理手段：

7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.4波形顯示顯示怎么又分為模擬和數(shù)字？如何實(shí)現(xiàn)？

？

1．液晶顯示原理7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.4波形顯示（續(xù)）（a）未加電場(chǎng)（b）加上電場(chǎng)7.2.4波形顯示（續(xù)）1．液晶顯示原理7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.4波形顯示（續(xù)）2．TFT液晶器的驅(qū)動(dòng)時(shí)序7.2波形的數(shù)字測(cè)量

3．波形的顯示7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.4波形顯示（續(xù)）3．波形的顯示7.2波形的數(shù)字測(cè)量

7.2.4波形顯示（續(xù)）如何顯示模擬余輝的效果？7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.1示波器的發(fā)展與分類（續(xù)）

7.3示波器原理與設(shè)計(jì)

7.3.2模擬示波器原理

Y輸入電路Y前置放大器觸發(fā)電路延遲線Y后置放大器水平放大器掃描發(fā)生器Y輸入外觸發(fā)內(nèi)外至X偏轉(zhuǎn)板至Y偏轉(zhuǎn)板校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器低壓電源高壓電源電源至各電路正高壓負(fù)高壓X輸入校準(zhǔn)信號(hào)輸出1．輸入電路：衰減器和輸入耦合選擇開關(guān)（1）衰減器

最佳補(bǔ)償條件：過補(bǔ)償：欠補(bǔ)償：改變分壓比的開關(guān)為示波器的垂直靈敏度粗調(diào)開關(guān)，在面板上用“V/cm”標(biāo)記。

7.3.2.1垂直通道（2）輸入耦合方式

觀察交流信號(hào)時(shí)，置“AC”檔。確定零電壓時(shí)，置“GND”檔。觀測(cè)頻率很低或帶有直流分量的交流信號(hào)時(shí)，置“DC”檔。2．Y前置放大器、Y輸出放大器前置放大器將信號(hào)適當(dāng)放大，取出內(nèi)觸發(fā)信號(hào)，并具有靈敏度微調(diào)、校正、Y軸移位、極性反轉(zhuǎn)等控制作用。前置放大器采用差分放大電路，輸出一對(duì)平衡交流電壓。若在差分電路的輸入端輸入不同的直流電位，相應(yīng)的Y偏轉(zhuǎn)板上的直流電位和波形在Y方向的位置也會(huì)改變。通過調(diào)節(jié)“Y軸位移”旋鈕，調(diào)節(jié)直流偏置。Y輸出放大器將被測(cè)信號(hào)放大到足夠的幅度，用以驅(qū)動(dòng)示波管的垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，使電子束獲得Y方向的滿偏轉(zhuǎn)。Y輸出放大器應(yīng)具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入阻抗、足夠?qū)挼念l帶、較小的諧波失真。Y輸出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比?？刹捎酶淖冐?fù)反饋的方法改變放大器的增益。

3．延遲線

觸發(fā)掃描時(shí)，掃描的開始時(shí)間總是滯后于被觀測(cè)脈沖一段時(shí)間，這樣，脈沖的上升過程就無法被完整地顯示出來。延遲線的作用：把加到垂直偏轉(zhuǎn)板上的脈沖信號(hào)延遲一段時(shí)間，以保證在屏幕上掃描出包括上升時(shí)間在內(nèi)的脈沖全過程。延遲線的輸入級(jí)需采用低輸出阻抗電路驅(qū)動(dòng)，而輸出級(jí)則采用低輸入阻抗的緩沖器。觸發(fā)點(diǎn)輸入信號(hào)掃描電壓顯示波形輸入信號(hào)延遲后td掃描起點(diǎn)tT7.3.2.2水平通道水平通道包括觸發(fā)電路、掃描電路和水平放大器等部分，其主要任務(wù)是產(chǎn)生隨時(shí)間線性變化的掃描電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉(zhuǎn)板，使光點(diǎn)在熒光屏的水平方向達(dá)到滿偏轉(zhuǎn)。

輸入端置于“內(nèi)”時(shí)，放大掃描信號(hào)；輸入端置于“外”時(shí)，輸入外接信號(hào)。1．觸發(fā)電路為掃描信號(hào)發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。放大、整形電路內(nèi)外電源C1C2C3ACLFREJHFREJDC常態(tài)自動(dòng)TV觸發(fā)電平調(diào)節(jié)至掃描發(fā)生器環(huán)觸發(fā)脈沖輸出S1S2S4+-S3極性反轉(zhuǎn)電路觸發(fā)源選擇觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)極性選擇觸發(fā)方式選擇“DC”/“AC”：直流或緩變信號(hào)?！癓FREJ”：觀察低頻成分的信號(hào)?！癏FREJ”：觀察高頻成分的信號(hào)。NORM：有觸發(fā)脈沖時(shí)才有掃描線。AUTO：連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出。TV：電視行、場(chǎng)同步分離，觀測(cè)電視信號(hào)。2．掃描發(fā)生器環(huán)(時(shí)基電路)掃描閘門掃描鋸齒波發(fā)生器比較和釋抑電路+E至X放大器+E“穩(wěn)定度”調(diào)節(jié)比較電平觸發(fā)脈沖輸入“增輝”脈沖閘門電路：產(chǎn)生快速上升或下降的閘門信號(hào)啟動(dòng)掃描發(fā)生器工作產(chǎn)生鋸齒波電壓?？刂茠呙琛⒃鲚x。釋抑電路：在掃描逆程關(guān)閉或抑制掃描閘門。穩(wěn)定掃描鋸齒波的形成、防止干擾和誤觸發(fā)，確保每次掃描都在同樣的起始電平上開始以獲得穩(wěn)定的圖象。工作方式掃描門的輸入信號(hào)：“穩(wěn)定度”電位器提供的直流電位；釋抑電路的釋抑信號(hào)；觸發(fā)電路的觸發(fā)脈沖。連續(xù)、觸發(fā)掃描方式。E1E0E2Er來自比較電路的參考電平（比較電平）掃描發(fā)生器輸出Vo上觸發(fā)電平下觸發(fā)電平