現代時域測量第五章

1、第五章第五章 時域測量的基本儀器與設備時域測量的基本儀器與設備 l引言 l脈沖信號發(fā)生器 l時域接收設備與取樣技術 l參考脈沖發(fā)生器與校準儀 l傳輸線與接頭 引言引言 脈沖信號脈沖信號 發(fā)生器發(fā)生器 被測被測 系統(tǒng)系統(tǒng) 示波示波 器器 計算機計算機 時域自動測試系統(tǒng)時域自動測試系統(tǒng) 引言引言 l時域測量儀器與設備包括：時域測量儀器與設備包括： l作為激勵源的脈沖信號源作為激勵源的脈沖信號源 l用于對信號波形進行采集的示波器、用于對信號波形進行采集的示波器、XYXY記記 錄儀、時域反射計等錄儀、時域反射計等 l提供參考脈沖的參考波形發(fā)生器提供參考脈沖的參考波形發(fā)生器 l提供時間與幅度校準的校準器

2、提供時間與幅度校準的校準器 l傳輸線與接頭傳輸線與接頭 l用于控制及數據處理的計算機用于控制及數據處理的計算機 l時域自動測試系統(tǒng)三要素：脈沖信號源、取時域自動測試系統(tǒng)三要素：脈沖信號源、取 樣示波器、計算機樣示波器、計算機 u t o （a a）矩形波）矩形波 u t o （b b）鋸齒波）鋸齒波 u t o （c c）階梯波）階梯波 u t o （d d）鐘形脈沖）鐘形脈沖 u t o （e e）數字編碼序列）數字編碼序列 l常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯常見的脈沖信號有矩形、鋸齒形、階梯 形、鐘形和數字編碼序列等。形、鐘形和數字編碼序列等。 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l根據脈沖發(fā)

3、生器的用途和產生脈沖的方法，根據脈沖發(fā)生器的用途和產生脈沖的方法， 可以分為可以分為 l通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器 l快速（廣譜）脈沖發(fā)生器快速（廣譜）脈沖發(fā)生器 l函數發(fā)生器函數發(fā)生器 l數字可編程脈沖發(fā)生器數字可編程脈沖發(fā)生器 l特種脈沖發(fā)生器特種脈沖發(fā)生器 l 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l理論上，理想的脈沖信號具有無限頻譜理論上，理想的脈沖信號具有無限頻譜 l實際上，由于存在噪聲，當脈沖頻譜衰實際上，由于存在噪聲，當脈沖頻譜衰 減到噪聲電平以下時，即達到實際的頻減到噪聲電平以下時，即達到實際的頻 率上限率上限 l目標：制造快前沿、大幅度脈沖信號源目標：

4、制造快前沿、大幅度脈沖信號源 主振主振 級級 同步同步 放大放大 延時延時 級級 脈沖脈沖 形成形成 輸出輸出 級級 同步脈沖同步脈沖 輸出輸出 外同步外同步 觸發(fā)觸發(fā) 輸入輸入 外觸發(fā)外觸發(fā) 脈寬，上升脈寬，上升/ /下降沿控制下降沿控制 輸出輸出 同步脈沖輸出同步脈沖輸出 脈沖信號發(fā)生器組成原理脈沖信號發(fā)生器組成原理 通用脈沖發(fā)生器通用脈沖發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l通用脈沖發(fā)生器產生的脈沖持續(xù)時間和過渡通用脈沖發(fā)生器產生的脈沖持續(xù)時間和過渡 時間一般在時間一般在1ns1ns以上，有的過渡時間雖然可以上，有的過渡時間雖然可 到到300ps300ps， 但參數固定不能調節(jié)。但參數

5、固定不能調節(jié)。 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 快速（廣譜）脈沖發(fā)生器快速（廣譜）脈沖發(fā)生器 l快速脈沖發(fā)生器可用于數字通信、雷達、時快速脈沖發(fā)生器可用于數字通信、雷達、時 域特征測試等場合。在時域測試中，快速脈域特征測試等場合。在時域測試中，快速脈 沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤沖信號發(fā)生器用來提供廣譜的激勵信號，尤 其在微波網絡、寬帶元器件的時域測試中，其在微波網絡、寬帶元器件的時域測試中， 脈沖信號發(fā)生器相當于頻域測試中的掃頻信脈沖信號發(fā)生器相當于頻域測試中的掃頻信 號源。號源。 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l幾種速度快的脈沖發(fā)生器：幾種速度快的脈沖

6、發(fā)生器： l諧振隧道二極管（諧振隧道二極管（RTD）脈沖發(fā)生器）脈沖發(fā)生器 l性能決定于幾個原子層性能決定于幾個原子層 l階躍響應過渡時間由階躍響應過渡時間由35 ps減少為減少為 10 ps l幅度較小幅度較小250mV l 50內阻內阻 l江琦玲於奈江琦玲於奈1957年在日本年在日本 SONY公司工作期間，發(fā)明公司工作期間，發(fā)明 隧道二極管，隧道二極管，1973年因發(fā)明年因發(fā)明 隧道二極管獲得諾貝爾物理隧道二極管獲得諾貝爾物理 學獎。學獎。 17 17 GaAs GaAs GaAs 45 AIAs Barriers 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l階躍恢復二極管（階躍恢復二極管（SRD）脈

7、沖發(fā)生器）脈沖發(fā)生器 l依靠原子級晶體生長的精確控制依靠原子級晶體生長的精確控制 l帶寬由帶寬由18 GHz增加到增加到50 GHz l幅度較大，幾伏幅度較大，幾伏 l雪崩三極管脈沖發(fā)生器雪崩三極管脈沖發(fā)生器 l可產生可產生500ps，50V的脈沖的脈沖 l射頻脈沖發(fā)生器射頻脈沖發(fā)生器 l對基帶信號進行調制，將其頻譜搬移到對基帶信號進行調制，將其頻譜搬移到 需要的頻段上去需要的頻段上去 雪崩三極管 1ns階躍脈沖 階躍二極管 階躍脈沖 隧道二極管階躍脈沖 階躍二極管 沖激脈沖 100MHz1GHz10GHz100GHz S（j） dB V-PS 20 0 40 60 80 100 120 脈沖

8、信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l常見脈沖波形的幅度譜常見脈沖波形的幅度譜 l階躍波：階躍波：V0U(t) l非絕對可積，非絕對可積，FU(t)=1/j+() l幅度譜：幅度譜：S(f)=|FU(t)|=1/ 0 l頻譜與頻率成反比，頻譜與頻率成反比，-20dB/10倍頻程倍頻程 V0 V(t) t f/f0 S(f)/S(f0) 0dB -20 -40 0.1110100 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l截尾斜波：截尾斜波： V0/t0tU(t)-(t-t0)U(t-t0) l低頻與階躍波頻譜相似低頻與階躍波頻譜相似 lf1/t0時，更接近于三角波頻譜時，更接近于三角波頻譜 V0 V(t) t t

9、0 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l矩形脈沖：矩形脈沖：V0U(t)-U(t-t0) l頻譜為頻譜為sinx/x l低頻時，頻譜幅度接近于恒定值低頻時，頻譜幅度接近于恒定值2V0t0 lV0t0稱為稱為“脈沖強度脈沖強度” l幅度幅度1/a，寬為，寬為a0 ( )() ( )lim,( )1 a U tU ta tt a V0 V(t) t t0 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l三角波：三角波： l與矩形脈沖頻譜類似，但頻譜隨頻率衰減較快與矩形脈沖頻譜類似，但頻譜隨頻率衰減較快 V0 V(t) t t02t0 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l平方正弦波：平方正弦波： l第一個零點在第一個零點在

10、1/t0處，但高階零點多一倍處，但高階零點多一倍 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l射頻脈沖：射頻脈沖： l頻譜平移，將矩形脈沖頻譜搬移到載頻頻譜平移，將矩形脈沖頻譜搬移到載頻fc l由于包括由于包括(2fc+f)的二次項，邊帶不對稱，說明的二次項，邊帶不對稱，說明 有混疊現象有混疊現象 lt0=N/fc時，頻譜幅度時，頻譜幅度S(f)在在0fc之間零點數為之間零點數為N l在在fc附近附近S(f)基本為常數基本為常數V0t0 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l水銀開關脈沖發(fā)生器水銀開關脈沖發(fā)生器 V0 Vb RL=R0 L、R0RcR0 產生幅度產生幅度V0=Vb/2，持續(xù)時間持續(xù)時間t0=2l

11、/vp，脈沖脈沖 強度強度V0t0 矩形脈沖，低頻時：矩形脈沖，低頻時：S(f)=2V0t0 30cm2ns 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l水銀開關脈沖發(fā)生器水銀開關脈沖發(fā)生器 l價格低，易調整，電壓高（價格低，易調整，電壓高（50100V） l一般過渡持續(xù)時間為一般過渡持續(xù)時間為0.5ns級，可達到級，可達到40ps l10ns以上十分精確，以上十分精確，1ns以下精度降低以下精度降低 l機械特性限制開關速率，最多幾百機械特性限制開關速率，最多幾百Hz l觸發(fā)不確定性導致較大的相位抖動觸發(fā)不確定性導致較大的相位抖動 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l雪崩晶體管脈沖發(fā)生器雪崩晶體管脈沖發(fā)生器

12、l用雪崩三極管代替水銀開關用雪崩三極管代替水銀開關 l可消除觸發(fā)不確定性和重復頻率低的缺點可消除觸發(fā)不確定性和重復頻率低的缺點 l觸發(fā)抖動小于觸發(fā)抖動小于10ps， l重復頻率可達幾重復頻率可達幾MHz l可獲得可獲得500ps過渡持續(xù)時間過渡持續(xù)時間 l輸出電壓：幾伏輸出電壓：幾伏幾十伏幾十伏 l缺點：電源電壓較高缺點：電源電壓較高 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 NPN管特性曲線管特性曲線 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 利用微波雙極性晶體管雪崩特性，采用多個晶體管串利用微波雙極性晶體管雪崩特性，采用多個晶體管串 行級聯，使用并行同步

13、觸發(fā)的方式，加快了雪崩過程，行級聯，使用并行同步觸發(fā)的方式，加快了雪崩過程， 獲得了脈寬為獲得了脈寬為910ps910ps，幅度為，幅度為8V8V的窄脈沖。的窄脈沖。 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器 l利用利用SRD對雪崩管輸出脈沖整形能獲得對雪崩管輸出脈沖整形能獲得 100ps量級甚至更高的過渡持續(xù)時間量級甚至更高的過渡持續(xù)時間 l電壓幅度可達電壓幅度可達1030V 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器階躍恢復二極管脈沖發(fā)生器 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l射頻脈沖發(fā)生器射頻脈沖發(fā)生器 l用基帶脈沖發(fā)生器驅動射頻開關，選

14、通正弦波用基帶脈沖發(fā)生器驅動射頻開關，選通正弦波 l頻譜幅度：頻譜幅度： 00 0 0 00 sin()sin (2) ( ) () (2) c c ftff t S fV t ftff t 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l射頻開關射頻開關 l通斷隔離度：通斷隔離度：-20log(t0f0)+20dB 對對100ns，100Hz，需，需120dB l開關速度：開關速度：PIN二極管較好，隔離度二極管較好，隔離度90dB，速，速 度度550ns l肖特基二極管平衡混頻器：肖特基二極管平衡混頻器：1ns，小于，小于1GHz時，時， 60dB 脈沖信號發(fā)生器脈沖信號發(fā)生器 l微波脈沖發(fā)生器微波脈沖發(fā)

15、生器 l需寬帶、高功率需寬帶、高功率 l沖擊激勵行波管放大器沖擊激勵行波管放大器 l由極窄（由極窄（100ps）基帶脈沖驅動）基帶脈沖驅動(SRD) l持續(xù)時間很短時，不可能利用校準技術持續(xù)時間很短時，不可能利用校準技術 確定頻譜幅度確定頻譜幅度 時域接收設備與取樣技術時域接收設備與取樣技術 l能夠對時間信號進行捕捉、記錄、顯示和測量的儀能夠對時間信號進行捕捉、記錄、顯示和測量的儀 器，器， l最常用：示波器最常用：示波器 l最關注：帶寬最關注：帶寬 l模擬示波器：模擬示波器： l帶寬十幾帶寬十幾GHz幾十幾十GHz l數字示波器：主流數字示波器：主流 l LeCroy WaveMaster8

16、600A:20/200GS/s,48M,模擬帶寬模擬帶寬6GHz lLeCroy SDA 11000 :40GS/s,100M,模擬帶寬模擬帶寬11GHz lAgilent Infiniium DSO 81304A :40GS/s,2M/32M,模擬帶寬模擬帶寬 13GHz l泰克泰克TDS6154C: 40GS/s,64M,模擬帶寬模擬帶寬15GHz 時域接收設備與取樣技術時域接收設備與取樣技術 l2010.4.27，Agilent Infiniium 90000X: 80GS/s,2G, 32GHz, 30 GHz 探頭探頭 , 本底抖動本底抖動150fs , 4通道（通道（40GS/s，

17、16GHz ，2Gpts/Ch ），）， l沒有使用沒有使用DSP和和DBI(帶寬數值內插帶寬數值內插)技術，采用氮化鋁封裝技術將技術，采用氮化鋁封裝技術將 5 個個 磷化銦（磷化銦（InP）芯片集成到前端多芯片模塊中，采用了獨特的噪聲屏蔽）芯片集成到前端多芯片模塊中，采用了獨特的噪聲屏蔽 和散熱技術。和散熱技術。 l2010.10, LeCroy WaveMaster 8Zi-A :120GS/s,768M,45GHz, 25GHz高帶高帶 寬探頭和差分放大器，抖動底噪寬探頭和差分放大器，抖動底噪125fs rms ,總抖動底噪小于總抖動底噪小于190 fs rms, 2通道（通道（30GH

18、z ，80GS/s，512 Mpts/Ch ）和）和4通道（通道（20GHz，40GS/s ， 256Mpts/Ch ）。）。 l用第二代鍺化硅元件確保高性能用第二代鍺化硅元件確保高性能 ,用第六代用第六代DBI技術擴展帶寬，無技術擴展帶寬，無DSP l2011.7.1，LeCroy LabMaster 9Zi-A : 5通道（通道（120GS/s ，45GHz， 768Mpts/ch ），）， 10通道通道36GHz ，20通道通道20GHz，通道間抖動，通道間抖動275fsrms l2011.9，泰克，泰克DPO/DSA70000D : 100GS/s，33GHz，4個通道個通道 （33G

19、Hz），），2通道（通道（100GS/s），）， 10TS/s等效采樣可檢定等效采樣可檢定20ps上升沿上升沿 l采用采用IBM8HP鍺化硅（鍺化硅（SiGe）芯片組技術，在一塊芯片上同時制備高速）芯片組技術，在一塊芯片上同時制備高速 雙極性晶體管和標準雙極性晶體管和標準CMOS 示波器的發(fā)展示波器的發(fā)展 l示波器的發(fā)展過程大致可分為三個階段：示波器的發(fā)展過程大致可分為三個階段： l20世紀世紀3050年代：模擬示波器的誕生和實用化年代：模擬示波器的誕生和實用化 l20世紀世紀60年代：示波器技術水平不斷提高年代：示波器技術水平不斷提高 l20世紀世紀70年代以后：模擬示波器指標進一步提高、年

20、代以后：模擬示波器指標進一步提高、 數字示波器誕生和發(fā)展數字示波器誕生和發(fā)展 l數字技術的發(fā)展和微處理器的問世，對示波器的數字技術的發(fā)展和微處理器的問世，對示波器的 發(fā)展產生了重大的影響?，F在，數字存儲示波器發(fā)展產生了重大的影響?，F在，數字存儲示波器 無論在產品的技術水平還是在其性能指標上都優(yōu)無論在產品的技術水平還是在其性能指標上都優(yōu) 于模擬示波器，特別是寬帶示波器，大有取代模于模擬示波器，特別是寬帶示波器，大有取代模 擬示波器之勢。數字存儲示波器是示波器發(fā)展的擬示波器之勢。數字存儲示波器是示波器發(fā)展的 一個主要方向。一個主要方向。 模擬示波器模擬示波器 l通用示波器通用示波器采用單束示波管，

21、它又可分為單蹤、雙蹤、多采用單束示波管，它又可分為單蹤、雙蹤、多 蹤示波器。將要觀測的信號經衰減、放大后送入示波器的蹤示波器。將要觀測的信號經衰減、放大后送入示波器的 垂直通道，同時用該信號驅動觸發(fā)電路，產生觸發(fā)信號送垂直通道，同時用該信號驅動觸發(fā)電路，產生觸發(fā)信號送 入水平通道，最后在示波管上顯示出信號波形。是最為經入水平通道，最后在示波管上顯示出信號波形。是最為經 典而傳統(tǒng)的一類示波器典而傳統(tǒng)的一類示波器 l多束示波器多束示波器采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個波形都采用多束示波管，熒光屏上顯示的每個波形都 由單獨的電子束掃描產生由單獨的電子束掃描產生 l取樣示波器取樣示波器采用時域采樣技

22、術將高頻周期信號轉換為低頻采用時域采樣技術將高頻周期信號轉換為低頻 離散時間信號顯示，可用較低頻率的示波器測量高頻信號離散時間信號顯示，可用較低頻率的示波器測量高頻信號 l記憶示波器記憶示波器采用有記憶功能的示波管，實現模擬信號的存采用有記憶功能的示波管，實現模擬信號的存 儲、記憶和反復顯示儲、記憶和反復顯示 l專用示波器專用示波器（特種示波器）是能夠滿足特殊用途的示波器（特種示波器）是能夠滿足特殊用途的示波器 數字示波器數字示波器 l數字示波器將輸入信號數字化（時域取樣和幅數字示波器將輸入信號數字化（時域取樣和幅 度量化）后，經由度量化）后，經由D/A轉換器再重建波形。它轉換器再重建波形。它

23、 具有記憶、存貯被觀察信號功能，可以用來觀具有記憶、存貯被觀察信號功能，可以用來觀 測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速 信號。又稱為數字存貯示波器（信號。又稱為數字存貯示波器（DSO）。）。 l根據取樣方式不同，又可分為實時取樣、隨機根據取樣方式不同，又可分為實時取樣、隨機 取樣和順序取樣三大類。取樣和順序取樣三大類。 l取樣示波器、光取樣示波器（取樣示波器、光取樣示波器（ps級）、高速攝級）、高速攝 影（影（0.1ps級）級） 主要技術指標主要技術指標 l頻帶寬度頻帶寬度BW和上升時間和上升時間tr lBW：指指Y通道通道輸入信號上、下限頻率之差

24、：輸入信號上、下限頻率之差： BW=fH-fL。一般。一般下限頻率下限頻率fL可達直流可達直流( (0Hz)，因，因 此，此，頻帶寬度也可用上限頻率頻帶寬度也可用上限頻率fH來表示。來表示。 ltr ：與頻帶寬度與頻帶寬度BW有關，它表示由于示波器有關，它表示由于示波器Y Y 通道的頻帶寬度的限制，當輸入一個理想階躍通道的頻帶寬度的限制，當輸入一個理想階躍 信號（上升時間為零）時，信號（上升時間為零）時，顯示波形上升沿幅顯示波形上升沿幅 度從度從10%上升到上升到90%所需的時間。它反映了示所需的時間。它反映了示 波器波器Y通道跟隨輸入信號快速變化的能力。通道跟隨輸入信號快速變化的能力。 lB

25、W與與tr的關系：的關系： 0.350.35 , rr tst ns BW MHzBW GHz 或 主要技術指標主要技術指標 l掃描速度掃描速度 l掃描速度指熒光屏上單位時間光點水平移動的掃描速度指熒光屏上單位時間光點水平移動的 距離，單位為距離，單位為“cm/s”。通常用。通常用1cm的坐標線作的坐標線作 刻度線，每刻度線，每1cm也稱為也稱為“1格格”（用（用div表示），表示）， 掃描速度的單位就可表示為掃描速度的單位就可表示為“div/s”。 l掃描速度的倒數稱為掃描速度的倒數稱為“時基因素時基因素”，它表示單，它表示單 位距離代表的時間，單位為位距離代表的時間，單位為“t/cm”或或

26、“t/div”， 時間時間t可為可為ns、s、ms或或s。示波器面板上，通。示波器面板上，通 常按常按“1、2、5”的順序分檔，還有時基因素的的順序分檔，還有時基因素的 “微調微調”和和“擴展擴展”（1或或5倍）旋鈕，當倍）旋鈕，當 需要進行定量測量時，應置于需要進行定量測量時，應置于“校準校準”、“1” 的位置。的位置。 主要技術指標主要技術指標 l偏轉因素偏轉因素 l偏轉因素指在輸入信號作用下，光點在熒光屏偏轉因素指在輸入信號作用下，光點在熒光屏 上垂直（上垂直（Y）方向移動）方向移動1cm（即（即1格）所需的電格）所需的電 壓值，單位為壓值，單位為“V/cm”、“mV/cm”（或（或 “

27、V/div”、“mV/div”）。示波器面板上，通）。示波器面板上，通 常也按常也按“1、2、5”的順序分檔，此外，還有的順序分檔，此外，還有 “微調微調”（調到頭時，為（調到頭時，為“校準校準”位置）旋鈕。位置）旋鈕。 偏轉因素表示了示波器偏轉因素表示了示波器Y通道的放大通道的放大/衰減能力。衰減能力。 l偏轉因素的倒數稱為偏轉因素的倒數稱為“（偏轉）靈敏度（偏轉）靈敏度”，單，單 位為位為“cm/V”、“cm/mV”（或（或“div/V”、 “div/mV”）。）。 主要技術指標主要技術指標 l輸入阻抗輸入阻抗 l當被測信號接入示波器時，輸入阻抗當被測信號接入示波器時，輸入阻抗Zi 形成被

28、測信號的等效負載。當輸入直流形成被測信號的等效負載。當輸入直流 信號時，輸入阻抗用輸入電阻信號時，輸入阻抗用輸入電阻Ri表示；表示； 當輸入交流信號時，輸入阻抗用輸入電當輸入交流信號時，輸入阻抗用輸入電 阻阻Ri和輸入電容和輸入電容Ci的并聯表示。的并聯表示。 主要技術指標主要技術指標 l輸入方式輸入方式 l即輸入耦合方式，一般有直流（即輸入耦合方式，一般有直流（DC）、）、 交流（交流（AC）和接地（）和接地（GND）三種，可）三種，可 通過示波器面板選擇。直流耦合時，輸通過示波器面板選擇。直流耦合時，輸 入信號的所有成分都加到示波器上；交入信號的所有成分都加到示波器上；交 流耦合時，通過隔

29、直電容去掉信號中的流耦合時，通過隔直電容去掉信號中的 直流和低頻分量；接地方式則斷開輸入直流和低頻分量；接地方式則斷開輸入 信號，將信號，將Y通道輸入直接接地，用于信通道輸入直接接地，用于信 號幅度測量時確定零電平位置。號幅度測量時確定零電平位置。 主要技術指標主要技術指標 l觸發(fā)源選擇方式觸發(fā)源選擇方式 l觸發(fā)源是指用于提供產生掃描電壓的同觸發(fā)源是指用于提供產生掃描電壓的同 步信號來源，一般有內觸發(fā)（步信號來源，一般有內觸發(fā)（INT）、）、 外觸發(fā)（外觸發(fā)（EXT）、電源觸發(fā)（）、電源觸發(fā)（LINE） 三種。內觸發(fā)即由被測信號產生同步觸三種。內觸發(fā)即由被測信號產生同步觸 發(fā)信號；外觸發(fā)由外部

30、輸入信號產生同發(fā)信號；外觸發(fā)由外部輸入信號產生同 步觸發(fā)信號；電源觸發(fā)即利用步觸發(fā)信號；電源觸發(fā)即利用50Hz工工 頻電源產生同步觸發(fā)信號。頻電源產生同步觸發(fā)信號。 通用模擬示波器通用模擬示波器 l垂直信道垂直信道( (Y信道信道) )：將輸入的被測信號進行衰減或：將輸入的被測信號進行衰減或 線性放大后，輸出符合示波器偏轉要求的信號，以線性放大后，輸出符合示波器偏轉要求的信號，以 推動垂直偏轉板，使被測信號在屏幕上顯示出來。推動垂直偏轉板，使被測信號在屏幕上顯示出來。 包括包括輸入電路、前置放大器、延遲線、輸出放大器輸入電路、前置放大器、延遲線、輸出放大器 等部分等部分 l水平信道水平信道（X

31、信道）：產生隨時間線形變化的掃描信道）：產生隨時間線形變化的掃描 電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉電壓，再放大到足夠的幅度，然后輸出到水平偏轉 板，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏轉。包括板，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏轉。包括 掃描發(fā)生器、同步觸發(fā)電路、掃描發(fā)生器、同步觸發(fā)電路、X放大器放大器等部分等部分 l主機主機：示波管、電源、示波管、電源、Z Z信道信道( (增輝與調輝，增輝是將增輝與調輝，增輝是將 閘門信號放大，加到示波管上，使顯示的波形正程加亮。調閘門信號放大，加到示波管上，使顯示的波形正程加亮。調 輝是將外調制信號或時標信號加到示波管上，使屏幕顯示的輝是將外調制信

32、號或時標信號加到示波管上，使屏幕顯示的 波形發(fā)生相應變化波形發(fā)生相應變化) ) 、校準信號發(fā)生器校準信號發(fā)生器( (產生幅度和頻率產生幅度和頻率 準確的基準方波信號，以便隨時校準垂直靈敏度和掃描時間準確的基準方波信號，以便隨時校準垂直靈敏度和掃描時間 因數因數) )。 通用模擬示波器通用模擬示波器 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 外 至X 偏轉板 至Y 偏轉板 校準信號 發(fā)生器 低壓電源高壓電源 電源 至各電路 正高壓 負高壓 X輸入 校準信號 輸出 l輸入電路：輸入電路： l衰減器：衰減輸入信號，進行頻率補償衰減

33、器：衰減輸入信號，進行頻率補償( (最佳補最佳補 償、過補償、欠補償償、過補償、欠補償) ) l輸入選擇開關：選擇耦合方式：輸入選擇開關：選擇耦合方式：AC、GND、DC l前置放大器：采用差分放大，將信號適當放大，取前置放大器：采用差分放大，將信號適當放大，取 出內觸發(fā)信號，具有靈敏度微調、校正、出內觸發(fā)信號，具有靈敏度微調、校正、Y Y軸移位、軸移位、 極性反轉等作用極性反轉等作用 l延遲線：起時間延遲的作用，使信號出現的時間滯延遲線：起時間延遲的作用，使信號出現的時間滯 后于掃描開始時間，保證在屏幕上掃描出包括上升后于掃描開始時間，保證在屏幕上掃描出包括上升 時間在內的脈沖全過程時間在內

34、的脈沖全過程 l輸出放大器：采用推挽式放大器，用以驅動示波管輸出放大器：采用推挽式放大器，用以驅動示波管 的垂直偏轉系統(tǒng)。應具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入的垂直偏轉系統(tǒng)。應具有穩(wěn)定的增益、較高的輸入 阻抗、足夠寬的頻帶、較小的諧波失真阻抗、足夠寬的頻帶、較小的諧波失真 vi vo R1 R2 C1 C2 最佳補償 過補償 欠補償 Z1 Z2 2211 CRCR 0221 121212i vZRC vZZRRCC 1122 RCR C 1122 RCR C 最佳補償最佳補償 過補償過補償 欠補償：欠補償： 通用模擬示波器通用模擬示波器垂直信道垂直信道 通用模擬示波器通用模擬示波器水平水平信道信道 觸

35、發(fā)源 選擇 觸發(fā)耦合 方式選擇 放大整形 電路 掃描閘門 掃描電壓 發(fā)生器 水平 放大器 比較和 釋抑電路 觸發(fā) 信號 觸發(fā)電路 掃描 發(fā)生器環(huán) 至X 偏轉板 l觸發(fā)電路：為掃描信號發(fā)生器提供觸發(fā)脈沖。觸發(fā)電路：為掃描信號發(fā)生器提供觸發(fā)脈沖。 l觸發(fā)源選擇：內出發(fā)觸發(fā)源選擇：內出發(fā)(INT)(INT)、外觸發(fā)、外觸發(fā)(EXT)(EXT)、電源、電源 觸發(fā)觸發(fā)(LINE) (LINE) l觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)耦合方式選擇: :“DCDC”直流耦合、直流耦合、“ACAC”交流耦交流耦 合、合、“ACAC低頻抑制低頻抑制”（“LF REJLF REJ”）耦合、）耦合、“ACAC 高頻抑制耦合高頻抑制

36、耦合”（“HF REJHF REJ”） l觸發(fā)方式選擇：常態(tài)（觸發(fā)方式選擇：常態(tài)（NORMNORM）觸發(fā)、自動（）觸發(fā)、自動（AUTOAUTO） 觸發(fā)、電視（觸發(fā)、電視（TVTV）觸發(fā)）觸發(fā) l觸發(fā)極性選擇：上升沿、下降沿觸發(fā)極性選擇：上升沿、下降沿 l觸發(fā)電平選擇觸發(fā)電平選擇 l觸發(fā)放大整形：電壓比較器，輸出矩形波，然后觸發(fā)放大整形：電壓比較器，輸出矩形波，然后 經過微分整形，變成觸發(fā)脈沖。經過微分整形，變成觸發(fā)脈沖。 通用模擬示波器通用模擬示波器水平水平信道信道 放大、整形 電路 內 外 電源 C 1 C2 C3 AC AC低頻 抑制 HF REJ DC 常態(tài)自動 TV 觸發(fā)電平 調節(jié) 至

37、掃描 發(fā)生器環(huán)觸發(fā)脈沖 輸出 S 1 S2 S 4 + - S 3 極性反 轉電路 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 l掃描發(fā)生器：又叫時基電路，產生線性良好的鋸齒掃描發(fā)生器：又叫時基電路，產生線性良好的鋸齒 波，通常用掃描發(fā)生器環(huán)來產生掃描信號。波，通常用掃描發(fā)生器環(huán)來產生掃描信號。 l積分器：產生線形良好的鋸齒波積分器：產生線形良好的鋸齒波 l掃描閘門：產生閘門信號，作用：掃描閘門：產生閘門信號，作用：輸出閘門信輸出閘門信 號，控制積分器掃描；用閘門信號作增輝脈沖，號，控制積分器掃描；用閘門信號作增輝脈沖， 正程加亮；在雙蹤示波器中，利用閘門信號觸正程加亮；在雙蹤示

38、波器中，利用閘門信號觸 發(fā)電子開關，使之工作于交替狀態(tài)。發(fā)電子開關，使之工作于交替狀態(tài)。 l比較釋抑電路：比較釋抑電路： l利用比較電路控制鋸齒波的幅度，使電路產生利用比較電路控制鋸齒波的幅度，使電路產生 等幅掃描，比較電路也稱為掃描長度電路。等幅掃描，比較電路也稱為掃描長度電路。 l釋抑電路在掃描逆程開始后，關閉或抑制掃描釋抑電路在掃描逆程開始后，關閉或抑制掃描 閘門，以使掃描電路恢復到掃描的起始電平閘門，以使掃描電路恢復到掃描的起始電平 通用模擬示波器通用模擬示波器水平水平信道信道 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” 調節(jié) 比較電平 觸發(fā)脈沖

39、 輸入 “增輝” 脈沖 l水平水平放大器：基本作用是選擇放大器：基本作用是選擇X X軸信號，軸信號， 并將其放大到足以使光點在水平方向達到并將其放大到足以使光點在水平方向達到 滿偏的程度。滿偏的程度。X X放大器的輸入端有放大器的輸入端有“內內”、 “外外”信號的選擇。改變信號的選擇。改變X X放大器的增益放大器的增益 可以使光跡在水平方向得到擴展，或對掃可以使光跡在水平方向得到擴展，或對掃 描速度進行微調，以校準掃描速度。改變描速度進行微調，以校準掃描速度。改變 X X放大器有關的直流電位可以使光跡產生放大器有關的直流電位可以使光跡產生 水平位移。水平位移。 通用模擬示波器通用模擬示波器水平

40、水平信道信道 l取樣的基本概念取樣的基本概念 l取樣就是從被測波形上取得樣點的過程。取樣就是從被測波形上取得樣點的過程。 l實時取樣實時取樣：從一個信號波形中取得所有取樣點，從一個信號波形中取得所有取樣點， 來表示一個信號波形的方法稱為實時取樣來表示一個信號波形的方法稱為實時取樣 l非實時取樣非實時取樣：從被測信號的許多相鄰波形上取從被測信號的許多相鄰波形上取 得樣點的方法稱為非實時取樣，或稱為等效取得樣點的方法稱為非實時取樣，或稱為等效取 樣樣, ,非實時采樣只適用于周期性信號。非實時采樣只適用于周期性信號。 l順序采樣：順序采樣：取樣是順序進行取樣是順序進行 l隨機采樣隨機采樣：也是經過若

41、干個信號周期取得一組取樣值也是經過若干個信號周期取得一組取樣值, , 但取樣是隨機出現的，取樣時同時記錄取樣點出現的但取樣是隨機出現的，取樣時同時記錄取樣點出現的 相對位置相對位置 t t 輸入信號 取樣脈沖 取樣信號 經放大和延長 電路后的信號 （顯示波形） mT t 2 t3 t4 t s TmTt 1 2 3 4 5 取樣脈沖 p(t) 輸入信號 Vi(t) 取樣信號 Vo(t) t t 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 l取樣原理：取樣原理： l在取樣技術中，取樣保持器是核心，可等效為在取樣技術中，取樣保持器是核心，可等效為 一個取樣開關（取樣門）和保持電容的串聯。一個取樣開關（取樣門）和

42、保持電容的串聯。 l兩個取樣脈沖間隔為：兩個取樣脈沖間隔為：Ts=mT+t， lt與與fh應滿足取樣定理：應滿足取樣定理：t1/2 fh l實時取樣時，以實時取樣時，以t為取樣間隔，完成一個信號為取樣間隔，完成一個信號 周期（周期（T）的采樣需）的采樣需n次，即：次，即： T=nt l非實時取樣時，非實時取樣時，n次取樣之后：次取樣之后： t=n(mT+t)=(mn+1)T，因而，取樣后比原信號，因而，取樣后比原信號 頻率降低了頻率降低了(mn+1)倍倍 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 輸入信號輸出信號 ui(t)uo(t) 取樣脈沖 p(t) 取樣門 R C S l顯示原理：顯示原理： l連續(xù)

43、周期信號經（非實時）取樣后，得到一系連續(xù)周期信號經（非實時）取樣后，得到一系 列時間上離散的采樣點（窄脈沖串），并經放列時間上離散的采樣點（窄脈沖串），并經放 大和延長電路后保持，再通過大和延長電路后保持，再通過Y Y放大器施加到放大器施加到Y Y 偏轉板，熒光屏上將顯示出一系列不連續(xù)的光偏轉板，熒光屏上將顯示出一系列不連續(xù)的光 點，當這些光點足夠密集時，則可觀測到近似點，當這些光點足夠密集時，則可觀測到近似 連續(xù)的波形。連續(xù)的波形。 l取樣示波器中的水平掃描信號為階梯波電壓，取樣示波器中的水平掃描信號為階梯波電壓， 階梯持續(xù)時間為階梯持續(xù)時間為mT+t ，階梯數對應屏幕上，階梯數對應屏幕上

44、顯示的不連續(xù)的光點數。顯示的不連續(xù)的光點數。 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 輸入信號 Y放大器輸出 t mT t 2 t 3 t4 t s TmTt 1 2 3 4 5 t X放大器輸出 （掃描階梯波電壓） 取樣門取樣門放大器放大器展寬門展寬門展寬電路展寬電路垂直放垂直放 大器大器 取樣脈沖取樣脈沖 發(fā)生器發(fā)生器 展寬脈沖展寬脈沖 發(fā)生器發(fā)生器 觸發(fā)電路觸發(fā)電路 快斜波快斜波 發(fā)生器發(fā)生器 比較器比較器 步進脈沖步進脈沖 發(fā)生器發(fā)生器 階梯波階梯波 發(fā)生器發(fā)生器 水平放水平放 大器大器 垂直信垂直信 號輸入號輸入 觸發(fā)輸入觸發(fā)輸入 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 觸

45、發(fā)脈沖 t2 t3 t s TmTt 步進延遲 脈沖 快斜波、 階梯波 mT 12 34 步進延遲脈沖產生的波形圖步進延遲脈沖產生的波形圖 l主要參數主要參數 l帶寬帶寬 對取樣門的要求是元件的高頻特性要足夠好；取對取樣門的要求是元件的高頻特性要足夠好；取 樣脈沖本身要足夠窄。當取樣門所用元件工作頻率足夠樣脈沖本身要足夠窄。當取樣門所用元件工作頻率足夠 高時，取樣門的最高工作頻率高時，取樣門的最高工作頻率(用用f3dB表示表示)與取樣脈沖底與取樣脈沖底 邊的寬度邊的寬度成反比：成反比：f3dB=0.440.64/ （規(guī)則脈沖：（規(guī)則脈沖： f3dB=0.44/ ，尖脈沖：，尖脈沖：f3dB=0

46、.64/ ） l取樣密度取樣密度 取樣密度是指電路掃描時，在示波器屏幕取樣密度是指電路掃描時，在示波器屏幕X軸軸 上顯示的被測信號每格所對應的取樣點數，常用每厘米上顯示的被測信號每格所對應的取樣點數，常用每厘米 的光點數來表示。的光點數來表示。 l等效掃速等效掃速 等效掃速定義為被測信號經歷時間與水平方等效掃速定義為被測信號經歷時間與水平方 向展寬的距離比。在取樣示波器中，雖然在屏幕上顯示向展寬的距離比。在取樣示波器中，雖然在屏幕上顯示 n個亮點需要個亮點需要n（mT+t）的時間，但它等效于被測信號）的時間，但它等效于被測信號 經過了經過了nt的時間。的時間。 取樣模擬示波器取樣模擬示波器 數

47、字存儲示波器（數字存儲示波器（DSODSO） 衰減器放大器 觸發(fā)電路 A/D 轉換器 延遲線 存儲器 （RAM） D/A 轉換器 地址 計數器 D/A 轉換器 垂直 放大器 水平 放大器 掃描 發(fā)生器 邏輯控制電路 （微處理器） 輸入 外觸發(fā) 內 外 實時 存儲 實時 實時 存儲 存儲 至X 偏轉板 至Y 偏轉板 模擬模擬 通道通道 取樣取樣/ / 保持保持 A/DA/D 變換變換 存儲存儲 器器 觸發(fā)電觸發(fā)電 路路 時鐘時鐘 電路電路 電源電源 控制控制 電路電路 計算計算 機機 顯示顯示 信號信號 輸入輸入 觸發(fā)觸發(fā) 輸入輸入 數字存儲示波器（數字存儲示波器（DSODSO） 數字存儲示波器（數字存儲示波器（DSODSO）特點特點 l波形的采樣波形的采樣/ /存儲與波形的顯示是獨立的存儲與波形的顯示是獨立的 l能長時間地保存信號能長時間地保存信號 l先進的觸發(fā)功能先進的觸發(fā)功能 它不僅能顯示觸發(fā)后的信號，它不僅能顯示觸發(fā)后的信號， 而且能顯示觸發(fā)前的信號，并且可以任意選擇超而且能顯示觸發(fā)前的信號，并且可以任意選擇超 前或滯后