測(cè)控技術(shù)第六章課件

第六章信號(hào)的顯示與測(cè)量一、引言1、顯示信號(hào)的必要性

直觀、多用途

2、示波器的分類

按示波器的用途和特點(diǎn)，可將其分為以下幾類：（1）通用示波器：能在屏幕上同時(shí)觀察一個(gè)到多個(gè)信號(hào)波形，可對(duì)信號(hào)進(jìn)行定性觀察和定量測(cè)量。（2）取樣示波器：利用取樣技術(shù)，將被測(cè)信號(hào)化為包絡(luò)與其相似的低頻信號(hào)，再借助于通用示波器的原理進(jìn)行顯示。（3）存儲(chǔ)示波器：可對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行顯示和測(cè)量。（4）特殊示波器是指能滿足某種特殊需要的示波器。3、示波器的現(xiàn)狀及發(fā)展

1948年，美國(guó)Tek公司制造出了511型示波器，其頻寬為10MHz，靈敏度為0.25V／cm，首次采用了觸發(fā)掃描，x軸的精度達(dá)5％，可對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。進(jìn)入七十年代后，通用示波器向著高頻、高靈敏度、多用、小型、集成化、數(shù)字化、自動(dòng)化等方面以更高的速度發(fā)展。目前，出現(xiàn)了靈敏度為1μv的高靈敏度低漂移低噪聲的示波器，取樣示波器的帶寬已達(dá)18GHz。

目前，示波器中應(yīng)用微處理器有兩種類型。一種是微處理器不作用于波形的顯示過(guò)程，引入微處理器來(lái)代替使用者的部分操作和計(jì)算工作，智能化程度不高。另一種是經(jīng)過(guò)微處理器數(shù)字化，這種示波器的智能化程度較高、精確度較高、測(cè)量功能也較多，例如可進(jìn)行微分和積分、求平方根、n點(diǎn)平均值、計(jì)算上升時(shí)間、頻率、有效值和負(fù)峰值等，所有這些功能都是預(yù)先編好程序的，使用時(shí)用戶只需按下鍵盤上有關(guān)的功能鍵，儀器即可按指定程序自動(dòng)地進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，然后用字符把測(cè)試結(jié)果連同波形一起顯示在示波器屏幕上。

示波器將進(jìn)一步向高技術(shù)性能、高可靠性以及多功能、自動(dòng)化等方面發(fā)展。（1）向高頻方向發(fā)展：隨著計(jì)算機(jī)及編碼調(diào)制通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求示波器的頻帶寬度要進(jìn)一步擴(kuò)展。需要研究新型的放大器和新型的示波器，頻寬上限將突破1GHz。（2）向高靈敏度發(fā)展：目前在研制高靈敏度的示波器方面，出現(xiàn)了靈敏度為1μV／div，帶寬為25MHz的高靈敏度示波器。（3）向高可靠性發(fā)展：采用集成電路和微處理器技術(shù)，從而使示波器的可靠性可以大大提高。（4）向低頻方向發(fā)展：要求能夠觀察并準(zhǔn)確地測(cè)量出0.01Hz～20kHz的頻率范圍的信號(hào)。（5）向自動(dòng)化方向發(fā)展：（6）向計(jì)算化方向發(fā)展：將微處理器引入示波器，使示波器能夠自動(dòng)進(jìn)行計(jì)算，并將各種計(jì)算結(jié)果顯示。（7）向綜合測(cè)試系統(tǒng)發(fā)展：要求示波器具有多種測(cè)試功能，成為一種綜合的測(cè)試系統(tǒng)。（8）向小型化、標(biāo)準(zhǔn)化、積木化和系列化方向發(fā)展：（9）向平面顯示發(fā)展LS140特性參數(shù)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)美國(guó)力科WavePro7300AWavePro7300A特性

·帶寬:3GHz

·上升時(shí)間(典型值):150ps

·通道數(shù)量:4

·標(biāo)配內(nèi)存長(zhǎng)度:2M樣點(diǎn)/通道

·最大記錄長(zhǎng)度:48M樣點(diǎn)/2通道-24M樣點(diǎn)/通道

·最大取樣速率(通道數(shù)量):20GS/s(2通道)

·重復(fù)取樣(RIS)速率:200GS/s

·顯示器:彩色10.4英寸平板TFT-LCD，帶有高清觸摸屏

·單次取樣速率:10GS/s

·分析工具:測(cè)量和數(shù)學(xué)運(yùn)算成套工具,小直方圖,參數(shù)數(shù)學(xué)運(yùn)算,用戶定制

安捷倫DSO81304B安捷倫DSO81304B特性采樣率高達(dá)40GSa/s的13GHz帶寬實(shí)時(shí)示波器在40GSa/s采樣率時(shí)高達(dá)2Mpts的MegaZoom深存儲(chǔ)器，在4GSa/s采樣率時(shí)達(dá)到64Mpts的MegaZoom深存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器可以升級(jí)

13GHz系統(tǒng)帶寬（典型值）的InfiniiMaxII1169A探測(cè)系統(tǒng)業(yè)界最低的本底噪聲：5mV/div時(shí)，為419uV觸發(fā)抖動(dòng)低于500fsrms業(yè)界最豐富的應(yīng)用軟件套件XGA觸摸屏，可顯示256個(gè)強(qiáng)度等級(jí)無(wú)與倫比的InfiniiMax探測(cè)附件支持點(diǎn)測(cè)、焊接、插接和SMA使用模式二、信號(hào)顯示的基本原理

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點(diǎn)，并在垂直信號(hào)和水平信號(hào)偏轉(zhuǎn)的作用下，將輸入信號(hào)以圖像形式顯示出來(lái)。示波管一般分為靜電式和電磁式兩大類，在示波器中的示波管大都是靜電偏轉(zhuǎn)式，被稱為靜電式陰極射線示波管(CRT)。

偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對(duì)位置彼此垂直的偏轉(zhuǎn)板構(gòu)成。靠近電子槍的一對(duì)為垂直偏轉(zhuǎn)板；另一對(duì)為水平偏轉(zhuǎn)板。利用靜電場(chǎng)使電子射線產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，屏幕上的光點(diǎn)將隨電場(chǎng)的變化而移動(dòng)。如果僅在Y偏轉(zhuǎn)板間加電壓，則電子束將根據(jù)所形成的電場(chǎng)的強(qiáng)弱與極性在垂直方向上運(yùn)動(dòng)；同理，如果僅在X偏轉(zhuǎn)板間加電壓，則電子束將根據(jù)所形成的電場(chǎng)的強(qiáng)弱與極性在水平方向上運(yùn)動(dòng)，電子束最終的運(yùn)動(dòng)情況取決于水平方向和垂直方向電壓的共同作用。（2）波形顯示原理

當(dāng)fy

=nfx（n是整數(shù)）時(shí)，屏幕上就能顯示n個(gè)周期的清晰波形;如果fy與fx之間不是整數(shù)倍的關(guān)系，波形就不能完全重疊，不易看出完整、清晰的波形。要想使fy與fx保持整數(shù)倍關(guān)系是困難的，解決這個(gè)問(wèn)題的辦法，并不是使fx保持絕對(duì)穩(wěn)定，而是用待測(cè)信號(hào)同時(shí)控制鋸齒波發(fā)生器，使鋸齒波的頻率fx能跟隨fy作些微小的變化，以保持fy與fx成整數(shù)倍的關(guān)系。當(dāng)fy是fx的整數(shù)倍時(shí)，即可謂達(dá)到了同步。同步時(shí)，屏幕上的波形穩(wěn)定不動(dòng)；在沒(méi)有達(dá)到同步時(shí)，波形是不穩(wěn)定的。線性：掃描電壓的正程必須是線性變化的。由于掃描電壓的正程表征被測(cè)信號(hào)的時(shí)間，是測(cè)量時(shí)間的基準(zhǔn)，所以稱通常示波器中的掃描（電壓正程）為時(shí)基，產(chǎn)生掃描電壓的電路稱為時(shí)基電路。同步性：在測(cè)量連續(xù)信號(hào)時(shí)，每次掃描正程的起點(diǎn)必須與被測(cè)信號(hào)同步。同步是通過(guò)用被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖去啟動(dòng)掃描發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的。2、通用示波器的基本原理（1）通用示波器的基本組成

主機(jī)部分：主要包括示波管、z通道、電源和校準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器等。垂直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（垂直通道，Y通道）：主要包括Y通道輸入電路、延時(shí)電路、Y通道放大器、輸出放大器等。為了觀測(cè)多個(gè)波形，多蹤示波器還具有通道轉(zhuǎn)換能力。水平偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（X通道）：由掃描發(fā)生器（時(shí)基電路）、觸發(fā)同步電路、水平放大器及增輝電路（Z通道）等單元組成。電源：對(duì)示波器的各系統(tǒng)、各電路提供高壓、低壓及燈絲等電源。此外，示波器一般都具有時(shí)標(biāo)和校幅兩個(gè)附屬電路，分別用來(lái)測(cè)量信號(hào)的時(shí)間參數(shù)和信號(hào)的幅度，或用來(lái)校準(zhǔn)時(shí)基及垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)。偏轉(zhuǎn)靈敏度和偏轉(zhuǎn)因數(shù)：示波器的偏轉(zhuǎn)靈敏度定義為：在單位輸入信號(hào)電壓的作用下屏幕上光點(diǎn)在垂直方向的偏轉(zhuǎn)距離，其單位為cm/V(或cm/mV)。偏轉(zhuǎn)靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉(zhuǎn)因數(shù)，其單位為V/cm或mV/cm，有的示波器把熒光屏上的刻度格（div）作為長(zhǎng)度單位，通常1div=0.8cm。偏轉(zhuǎn)靈敏度或偏轉(zhuǎn)因數(shù)表征Y通道對(duì)被測(cè)信號(hào)的響應(yīng)能力。示波器的靈敏度要受到帶寬、噪聲、漂移等因素限制，目前最高偏轉(zhuǎn)靈敏度達(dá)10μV/div。輸入方式和輸入阻抗輸入方式是指被測(cè)信號(hào)從示波器的輸入接線端至Y通道輸入電路的連接方式，大體上分為直流（DC）和交流（AC）兩種方式。輸入阻抗是指示波器輸入接線端對(duì)被測(cè)信號(hào)源呈現(xiàn)的阻抗，通常等效為輸入電阻和電容和并聯(lián)，輸入阻抗越大，示波器對(duì)被測(cè)電路的影響就越小。掃描速度、時(shí)基因數(shù)和掃描頻率掃描速度就是光點(diǎn)在水平方向移動(dòng)的速度，其單位是cm/s或div/s。掃描速度的倒數(shù)就是時(shí)基因數(shù)，它表示光點(diǎn)水平移動(dòng)單位長(zhǎng)度（cm或div）所需的時(shí)間，掃描頻率表示水平掃描的鋸齒波的頻率。掃描方式產(chǎn)生時(shí)間基線的各種方式稱為掃描方式，通常有觸發(fā)掃描、連續(xù)掃描或稱自激掃描、單次掃描以及雙時(shí)基掃描。觸發(fā)特性示波器的觸發(fā)特性是指觸發(fā)脈沖的取得方式，通常有如下幾種：由被測(cè)信號(hào)產(chǎn)生的內(nèi)觸發(fā)方式；由與被測(cè)信號(hào)相關(guān)的外信號(hào)產(chǎn)生的外觸發(fā)方式等。示波管性能

環(huán)路中時(shí)基閘門電路是一個(gè)典型的施密特電路，它是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，當(dāng)輸入電平（a點(diǎn)電位）低于下觸發(fā)電平時(shí)，輸出（b點(diǎn)電位）為高；當(dāng)輸入電平高于上觸發(fā)電平時(shí)其輸出為低；若輸入在上、下觸發(fā)電平之間，其輸出狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化。掃描發(fā)生器是一個(gè)鋸齒波發(fā)生器，通常采用密勒積分器或用恒流源對(duì)電容器的充電電路，它在時(shí)基閘門的控制下產(chǎn)生掃描的正程及回程。只有當(dāng)其輸入U(xiǎn)b為高電平時(shí)，才輸出斜升的鋸齒波電壓Uc（即Uo的正程）；當(dāng)輸入為低電平時(shí)，立即停止斜升過(guò)程進(jìn)入掃描的回程，輸出電壓一直下降到原來(lái)的起點(diǎn)電平，而后進(jìn)入等待期（如Uc所示）。

電壓比較器將掃描發(fā)生器的輸出電壓與基準(zhǔn)電壓Ur進(jìn)行比較，當(dāng)超過(guò)Ｕr時(shí)比較器就有變化的輸出，其變化規(guī)律和掃描發(fā)生器輸出的完全相同。釋抑電路的作用是在掃描回程期間，電壓比較器的輸出以較慢的速度放電。由于該電路的RC要比掃描發(fā)生器的放電時(shí)間常數(shù)大得多，因此當(dāng)它下降到起點(diǎn)位置時(shí)，掃描發(fā)生器的輸出電壓早已回到起始電位，以便下次掃描仍從該電位開(kāi)始，這樣可以在屏幕上獲得起點(diǎn)固定的掃描基線。（2）觸發(fā)掃描和自激掃描

觸發(fā)掃描是在外觸發(fā)信號(hào)的作用下產(chǎn)生掃描電壓。自激掃描是指掃描發(fā)生器環(huán)在沒(méi)有觸發(fā)脈沖的情況下也能自行輸出掃描電壓。

（3）單次掃描單次信號(hào)必須采用單次掃描，而且掃描必須由單次信號(hào)本身，或與單次信號(hào)有關(guān)的事件觸發(fā)產(chǎn)生，每次觀測(cè)只進(jìn)行一次掃描過(guò)程。通常的方法是斷開(kāi)圖6.5釋抑電阻R上的開(kāi)關(guān)S，在掃描回程時(shí)釋抑電容C無(wú)放電通路，使整個(gè)掃描電路處于抑制狀態(tài)，不再重復(fù)產(chǎn)生掃描電壓。只有再次接通開(kāi)關(guān)S，使釋抑電路解除抑制狀態(tài)，才可以重新產(chǎn)生掃描輸出。4、觸發(fā)特性

觸發(fā)特性包括觸發(fā)源的選擇、觸發(fā)信號(hào)耦合方式選擇等。（1）觸發(fā)源

觸發(fā)信號(hào)有3種來(lái)源。內(nèi)觸發(fā)：內(nèi)觸發(fā)信號(hào)來(lái)自于示波器內(nèi)的Y通道觸發(fā)放大器，它位于延遲線前，當(dāng)需要利用被測(cè)信號(hào)觸發(fā)掃描發(fā)生器時(shí)，采用這種方式。外觸發(fā)：用外接信號(hào)觸發(fā)掃描，該信號(hào)由觸發(fā)“輸入”端接入。當(dāng)被測(cè)信號(hào)不適合作觸發(fā)信號(hào)或?yàn)榱吮容^兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間關(guān)系時(shí)，可用外觸發(fā)。電源觸發(fā)：來(lái)自50Hz交流電源產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，用于觀察與交流電源頻率有關(guān)時(shí)間關(guān)系的信號(hào)，例如，整流濾波的紋波電壓等波形。

（2）觸發(fā)耦合方式為了適應(yīng)不同的信號(hào)頻率，示波器設(shè)有四種觸發(fā)耦合方式，可用開(kāi)關(guān)進(jìn)行選擇?！癉C”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的信號(hào)，或頻率較低并且有直流成分的信號(hào)，一般用“外”觸發(fā)或連續(xù)掃描方式?！癆C”交流耦合：觸發(fā)信號(hào)經(jīng)電容接入，用于觀察由低頻到較高頻率的信號(hào)，用內(nèi)或外觸發(fā)均可?！癏F”高頻耦合：用于觀察大于5MHz的信號(hào)。（3）觸發(fā)方式示波器的觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動(dòng)和高頻三種方式，這三種方式控制觸發(fā)整形電路，以產(chǎn)生不同形式的掃描觸發(fā)信號(hào)，形成不同形式的掃描電壓。常態(tài)觸發(fā)方式：是將觸發(fā)信號(hào)經(jīng)整形后，產(chǎn)生足以觸發(fā)掃描電壓電路的觸發(fā)脈沖，它的觸發(fā)極性是可調(diào)的，上升沿觸發(fā)即為正極性觸發(fā)，下降沿觸發(fā)即為負(fù)極性觸發(fā)，另外還可調(diào)節(jié)觸發(fā)電平。自動(dòng)觸發(fā)方式：自動(dòng)觸發(fā)方式時(shí)，整形電路為自激多諧振蕩器，振蕩器的固有頻率由電路時(shí)間參數(shù)決定，該自激多諧振蕩器的輸出經(jīng)變換后去驅(qū)動(dòng)掃描電壓發(fā)生器，所以，在無(wú)被測(cè)信號(hào)輸入時(shí)，仍有掃描，一旦有觸發(fā)信號(hào)且其頻率高于自激頻率時(shí)，則自激多諧振蕩器內(nèi)觸發(fā)信號(hào)同步而形成觸發(fā)掃描，一般測(cè)量均使用自動(dòng)觸發(fā)方式。高頻觸發(fā)方式：其觸發(fā)方式原理同自動(dòng)觸發(fā)方式，不同點(diǎn)是自激振蕩頻率較高，當(dāng)用高頻觸發(fā)信號(hào)在與它同步時(shí)，同步較為穩(wěn)定。高頻觸發(fā)方式常用于觀測(cè)高頻信號(hào)。三、示波器中采用的其它顯示技術(shù)

1、光柵顯示原理

波形的形成和顯示例如在光柵增輝式掃頻儀中，鋸齒波發(fā)生器輸出頻率Fy

=18.5kHz的鋸齒波，三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為Fx=0.01～30Hz（可調(diào)）的三角波電流。設(shè)Fx=1Hz，則三角波正程或回程期間形成的光柵條數(shù)為

Fy/2Fx=18500/(2×1)=9250（條）即使Fx=30Hz，光柵條數(shù)也有近308條。由此可見(jiàn)，光柵是非常密的。2、平板顯示

平板顯示器件主要有電致發(fā)光（EL）顯示板、等離子體（PDP）顯示板和液晶（LCD）顯示板，它們都是在正高的條狀電極之間放置某種物質(zhì)，使之生產(chǎn)光效應(yīng)。（1）液晶顯示原理

如圖為扭曲向列型液晶顯示原理圖。在液晶盒兩側(cè)分別放置光的起偏器和檢偏器，并互相垂直放置。當(dāng)自然光通過(guò)時(shí)，由于扭曲向列型液晶分子具有旋光性，進(jìn)入液晶盒的垂直偏振光可以順利地通過(guò)水平檢偏器到達(dá)反射極，再將光按原路線折回至光的輸入端，于是從圖左端看去呈白色。如果在液晶盒的兩個(gè)電極施加方波電壓，由于電場(chǎng)的作用使這些液晶分子失去了旋光性，垂直偏振光不能通過(guò)水平檢偏器，以致沒(méi)有反射光，就不再呈現(xiàn)白色。如果加以適當(dāng)信號(hào)，從左端看去就出現(xiàn)白底黑字，達(dá)到顯示的目的。

（2）液晶顯示器的驅(qū)動(dòng)平板顯示的驅(qū)動(dòng)原理

四、示波器性能的提高1、多波形顯示

常見(jiàn)的方法有多線顯示、多蹤顯示及雙掃描顯示等。在屏幕上同時(shí)顯示多個(gè)波形的方法有兩種，即多線（束）顯示和多蹤顯示。多線示波管有多個(gè)相互獨(dú)立的電子束。雙線（雙束）示波器的示波管的電子束可產(chǎn)生兩個(gè)電子束，并有兩套X、Y偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。其中兩對(duì)X偏轉(zhuǎn)板上往往采用相同的掃描電壓，但兩個(gè)Y通道常接入不同的信號(hào)，并可分別調(diào)節(jié)兩通道的靈敏度、位移、聚焦、輝度等。

多蹤示波器與多線示波器不同，它的組成與普通示波器類似，只不過(guò)在電路中多了一個(gè)電子開(kāi)關(guān)并具有多個(gè)垂直通道。電子開(kāi)關(guān)在不同的時(shí)間里，分別把兩個(gè)垂直通道的信號(hào)輪流接至Y偏轉(zhuǎn)板，使其可在屏幕上顯示多路波形。

雙蹤示波器有兩種不同的時(shí)間分割方式，即交替方式和斷續(xù)方式。交替方式是每一次掃描接通一個(gè)被測(cè)信號(hào)。比如第一次掃描接通信號(hào)Uia，第二次掃描接通Uib，依次輪流；斷續(xù)方式是在一次掃描過(guò)程中輪流接通信號(hào)Uia和Uib，如果多諧振蕩器的周期遠(yuǎn)小于掃描周期，在一次掃描過(guò)程中有多次分別接通兩個(gè)信號(hào)，屏幕上顯示的兩個(gè)波形盡管被分成許多小段，但看起來(lái)仍有一種連貫性。交替方式適于觀測(cè)高頻信號(hào)，斷續(xù)方式適于觀察低速信號(hào)。雙掃描示波顯示

雙掃描示波系統(tǒng)（或稱雙時(shí)基系統(tǒng)）有兩個(gè)獨(dú)立的觸發(fā)和掃描電路，同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)掃描時(shí)基：一個(gè)是慢掃描，稱為A掃描；另一個(gè)是快掃描，稱為B掃描。

雙掃描示波器的波形示意圖

為了同時(shí)能觀測(cè)脈沖串的全貌及其中某一部分的細(xì)節(jié)，在X通道中設(shè)有電開(kāi)關(guān)，把兩套掃描電路的輸出交替地接入X放大器。電子開(kāi)關(guān)還控制光跡分離電路，在兩種掃描時(shí)給Y放大器施加不同的直流電位，使兩種掃描顯示的波形上下分開(kāi)。由于熒光屏的余輝和人眼的殘留效應(yīng)，使人感到“同時(shí)”顯示了兩種波形。電子開(kāi)關(guān)通常用掃描回程來(lái)控制。2、寬帶示波器的實(shí)現(xiàn)

（1）寬帶示波器的實(shí)現(xiàn)要求

現(xiàn)代的寬帶示波器的帶寬范圍大多是從直流開(kāi)始直至其頻率上限，通常認(rèn)為帶寬在60MHz以上的示波器為寬帶示波器。*對(duì)垂直通道的要求示波器垂直通道的帶寬BW取決于各組成級(jí)的帶寬，其關(guān)系為

示波器的帶寬BW小于Y通道中任何一級(jí)放大器的帶寬。所以示波器Y通道放大器必須兼顧帶寬和增益的要求。示波器的帶寬指標(biāo)隨著Y通道放大器級(jí)數(shù)的增多而變窄，相應(yīng)地上升時(shí)間tr要加長(zhǎng)。由于tr的增加，影響示波器對(duì)瞬態(tài)信號(hào)的測(cè)量結(jié)果。*對(duì)掃描速度的要求

在寬帶示波器中，為了能將被測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確地顯示在屏幕上，不僅要求掃描電壓有良好的線性，而且要有很高的掃描速度。例如，帶寬為500MHz的示波器，要求在測(cè)量100MHz信號(hào)時(shí)水平坐標(biāo)每2div顯示一個(gè)信號(hào)周期，如果水平方向有10div，這時(shí)相應(yīng)的掃描速度計(jì)算如下：被測(cè)信號(hào)的周期：T=1/（100×106）=10ns示波器的掃描速度為：2div/T=2div/10ns=0.2div/ns

則掃描的正程時(shí)間為由此可見(jiàn)，在寬帶示波器中，為了滿意地顯示波形，必須有與之相應(yīng)的掃描速度。

3、取樣示波器（1）寬帶示波器中限制帶寬的因素示波管的帶寬限制,Y通道的帶寬受放大器中的限制,高速時(shí)基信號(hào)不易獲得。（2）取樣示波器原理

將高頻（一般為1000MHz以上）的重復(fù)性的周期信號(hào)，經(jīng)過(guò)取樣（取樣速率可調(diào)節(jié)），變換成低頻的重復(fù)性周期信號(hào)，再運(yùn)用通用示波器的原理進(jìn)行顯示和觀測(cè)的示波器稱為取樣示波器。

在取樣示波器中采用的是非實(shí)時(shí)取樣，或稱等效取樣，是把一個(gè)高頻率信號(hào)經(jīng)過(guò)跨周期的取樣，形成一個(gè)波形和相位完全相同、幅度相等或有嚴(yán)格比例關(guān)系的低頻（或中頻）信號(hào)。取樣示波器的組成框圖如下圖所示。

取樣電路的關(guān)鍵是取樣門，通常用二極管取樣門或用由二極管組成的橋式取樣門。

取樣示波器的顯示過(guò)程是，在步進(jìn)脈沖發(fā)生器的作用下產(chǎn)生了取樣脈沖和階梯波掃描電壓，被測(cè)信號(hào)Ui經(jīng)取樣電路后，變成窄脈沖，經(jīng)放大、展寬后形成量化的信號(hào)包絡(luò)，到達(dá)示波管的Y偏轉(zhuǎn)板，為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點(diǎn)構(gòu)成的取樣信號(hào)波形，必須采用與取樣信號(hào)同步的階梯波作掃描電壓。當(dāng)取樣點(diǎn)足夠密時(shí)，就能在屏幕上無(wú)失真地表現(xiàn)被測(cè)信號(hào)的波形。取樣示波器是一種非實(shí)時(shí)取樣過(guò)程，它只能觀測(cè)重復(fù)信號(hào)，對(duì)非重復(fù)的高頻信號(hào)或單次信號(hào)，只能用高速示波器進(jìn)行觀測(cè)。五、現(xiàn)代信號(hào)存儲(chǔ)和顯示技術(shù)

1、信號(hào)的模擬存儲(chǔ)

最常用的信號(hào)模擬存儲(chǔ)手段是示波管。這種示波管稱為記憶示波管，通常將具有這種示波管的示波器稱為記憶示波器。記憶示波器能夠用于觀測(cè)單次信號(hào)及重復(fù)頻率很低的窄脈沖信號(hào)。（1）波形存儲(chǔ)：采用了具有二次電子發(fā)射特性的示波管。（2）可變余輝示波管：2、信號(hào)的數(shù)字存儲(chǔ)（1）數(shù)字存儲(chǔ)顯示的基本原理

數(shù)字存儲(chǔ)示波器在顯示波形的同時(shí)，能用數(shù)字顯示各種給定值和測(cè)量結(jié)果，此外，它還能對(duì)波形進(jìn)行各種運(yùn)算處理；對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行程控或遙控；可通過(guò)通用接口（GPIB）把波形數(shù)據(jù)送至計(jì)算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中波形的存儲(chǔ)和顯示分開(kāi)進(jìn)行，因此與寬帶示波器相比，數(shù)字存儲(chǔ)示波器對(duì)其顯示功能的速度要求不高，只要選擇一個(gè)適合人們觀察的速度即可。對(duì)于變化極慢的信號(hào)，由于采用了合適的顯示速度，也不會(huì)給人以閃爍的感覺(jué)。（2）數(shù)字存儲(chǔ)顯示的特點(diǎn)及發(fā)展前景

由于數(shù)字存儲(chǔ)示波器是以通用示波器為基礎(chǔ)，并采用計(jì)算機(jī)和LSIC等先進(jìn)技術(shù)，因此具有如下特點(diǎn)：*可以永久地存儲(chǔ)信息*測(cè)量精度高*信號(hào)處理和顯示分開(kāi)進(jìn)行*多種觸發(fā)方式*多種顯示方式*便于進(jìn)行多波形的分析比較*便于波形數(shù)據(jù)的分析處理（3）數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要技術(shù)指標(biāo)*最高采樣速率fs

：指單位時(shí)間獲得被測(cè)信號(hào)的樣點(diǎn)數(shù)，也稱數(shù)字化速率。fs與時(shí)基因數(shù)Ft和單位長(zhǎng)度的取樣點(diǎn)數(shù)M之間的關(guān)系為

fs=M/Ft

*

存儲(chǔ)帶寬：用有效存儲(chǔ)帶寬和等效存儲(chǔ)帶寬表示，有效存儲(chǔ)帶寬與采樣速率和顯示方式有關(guān)，定義為

BWa=fsmax/K

顯示方式有光點(diǎn)顯示（K=25）、線性內(nèi)插顯示（K=10）和正弦內(nèi)插顯示（K=2.5）。等效存儲(chǔ)帶寬是采用等效取樣技術(shù)能夠測(cè)量的周期信號(hào)的最高頻率。*存儲(chǔ)長(zhǎng)度（存儲(chǔ)容量）：表示一次采樣、存儲(chǔ)過(guò)程中獲取被測(cè)信號(hào)長(zhǎng)度的能力。*測(cè)量分辨力和測(cè)量精度：包括電壓分辨力和時(shí)間分辨力。電壓分辨力主要取決于ADC的位數(shù)，當(dāng)測(cè)量的滿度值為10V時(shí)，8位ADC的測(cè)量分辨力ΔV為

ΔV=10/28≈40mV

時(shí)間分辨力是指示波器X坐標(biāo)上相鄰兩樣點(diǎn)之間時(shí)間間隔Δt的大小，在X方向的點(diǎn)數(shù)取決于水平通道的DAC的位數(shù)，例如，用10位DAC時(shí)，X方向有210=1024點(diǎn)。通常X總長(zhǎng)度為10div，對(duì)于10位DAC來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于1024/10≈100點(diǎn)/div，其測(cè)量分辨力達(dá)0.01/div。（4）數(shù)字存儲(chǔ)示波器的主要部件及要求*高速ADC和DAC*存儲(chǔ)器——高速大容量

高速數(shù)據(jù)的分路存儲(chǔ)原理框圖如圖所示。*控制系統(tǒng)控制系統(tǒng)不僅要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、人機(jī)控制等功能。因此現(xiàn)代數(shù)字存儲(chǔ)示波器出現(xiàn)多CPU系統(tǒng)，一個(gè)CPU為主CPU，具有相應(yīng)的存儲(chǔ)器（RAM，ROM）、I/O接口和外設(shè)，執(zhí)行管理整個(gè)儀器的軟件；其它為從CPU，在主CPU的管理之下完成某一部分工作。（5）數(shù)字化波形處理系統(tǒng)

——

用低速器件來(lái)采集和存儲(chǔ)高速信號(hào)的問(wèn)題。

*

CCD器件和A/D相結(jié)合

首先對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行重復(fù)非實(shí)時(shí)取樣，實(shí)現(xiàn)從高頻到低頻的頻率搬移，并借助于電荷耦合器件（CCD）進(jìn)行信號(hào)的模擬存儲(chǔ)；然后將CCD中的信號(hào)讀出并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，其數(shù)字化結(jié)果存入RAM。*數(shù)字化攝像系統(tǒng)和ADC相結(jié)合利用掃描轉(zhuǎn)換攝像機(jī)來(lái)捕捉示波器上的波形，然后以圖像信號(hào)輸出的形式取出存儲(chǔ)信號(hào)，并經(jīng)ADC將數(shù)字化結(jié)果存入RAM。*等效取樣和ADC相結(jié)合采用等效取樣的方法將高速信號(hào)變?yōu)榈退傩盘?hào)，在數(shù)字存儲(chǔ)示波器中只須對(duì)此低速信號(hào)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)。*多通道組合被測(cè)信號(hào)同時(shí)作用于兩個(gè)采集通道的輸入端，在顯示時(shí)再將這些樣點(diǎn)依次交替讀出進(jìn)行顯示。（6）波形顯示技術(shù)在一個(gè)信號(hào)波形被采樣、數(shù)字化、存儲(chǔ)和處理后，有多種方法可以將它復(fù)現(xiàn)，所有的方法都需要用DAC將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成模擬電壓。*點(diǎn)顯示技術(shù)在屏幕上以離散點(diǎn)的形成將信號(hào)波形顯示出來(lái)。能夠做到正確顯示的前提是必須有足夠的點(diǎn)來(lái)重新構(gòu)成信號(hào)波形，一般要求每個(gè)信號(hào)周期顯示20~25個(gè)點(diǎn)。*插值顯示技術(shù)插值是在相鄰采樣點(diǎn)之間插入適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)點(diǎn)，使屏幕上的顯示逼近被測(cè)信號(hào)波形。通常有兩類插值方法，即線性插值和正弦插值。線性插值是在兩個(gè)采樣點(diǎn)之間插入一點(diǎn)，用直線將采樣點(diǎn)和插值點(diǎn)連接起來(lái)。正弦插值，又