第七章信號波形測量(一)

第7章信號波形測量

7.1波形的模擬測量7.2波形的數(shù)字測量7.3示波器的原理與設(shè)計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)+……)對于非正弦波由最小值過渡到最大值的時間越短，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K的負電位可控制電子束的強弱，從而調(diào)節(jié)光點的亮度，即進行“輝度”控制。調(diào)節(jié)A1的電位器稱為“聚焦”旋鈕，通過對它進行調(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聚焦和加速后進入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

2偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)

兩對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后加速陽極A3。3熒光屏

將電信號變?yōu)楣庑盘栞x度調(diào)節(jié)、余輝效應(yīng)L：偏轉(zhuǎn)板長度；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信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。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量中兩信號的初相相同，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)板上加一個隨時間線形變化的電壓，光點在水平方向的偏移距離為：光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱“掃描”，實現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱“掃描電壓”，光點自左向右的掃動稱為“掃描正程”，自右迅速返回左端起掃點的過程稱為“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，掃描電壓與被測電壓“同步”。熒光屏上將穩(wěn)定顯示n個周期的被測信號波形。

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，顯示的波形不穩(wěn)定。5．連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描

TsT=Tstt被測脈沖連續(xù)掃描t不能觀測到脈沖細節(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脈沖到來時才掃描一次；沒有被測脈沖時，掃描發(fā)生器處于等待工作狀態(tài)。第7章信號波形測量

7.1波形的模擬測量

7.2波形的數(shù)字測量7.3示波器的原理與設(shè)計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)字測量

波形數(shù)字測量的基本流程①等間隔進行采樣及A/D轉(zhuǎn)換②順序存儲采樣數(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)字測量

7.2.1信號采集

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

7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.1信號采集2．模數(shù)轉(zhuǎn)換器（1）并行比較式ADC（flashADC）個比較器7.2波形的數(shù)字測量

7.2.1信號采集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)字測量

7.2.1信號采集(續(xù))實時采樣real-timesampling一次采集信號上的若干采樣點，并基于采樣點的時間順序顯示被測波形的方法。等效采樣repetitivesampling

對于周期（重復(fù)）信號，每次在一個信號周期采集一定數(shù)量的采樣點，經(jīng)過對多個信號周期進行多次采集，積累足夠的采樣點數(shù)量，并基于多次采集之間的時間關(guān)系，對采樣點重新排列，進而顯示出被測波形。采樣率單位時間內(nèi)對信號進行采樣的次數(shù)（Sa/s或SPS）。為區(qū)分實時采樣和等效采樣，通常將基于實時采樣的采樣率稱為實時采樣率，基于等效采樣的采樣率稱為等效采樣率。（1）實時采樣

7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.1信號采集(續(xù))多ADC并行采樣/時間交替采樣

（1）實時采樣

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.1信號采集(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？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)字測量

7.2.1信號采集(續(xù))（2）等效采樣順序采樣:

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.1信號采集(續(xù))（2）等效采樣隨機采樣

存儲的目的

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.2采樣點的存儲？

（1）存儲深度的概念存儲深度＝采樣率×采樣時間在最高實時采樣率下連續(xù)采集并存儲采樣點的能力。為什么存？

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.2采樣點的存儲（續(xù)）

（2）通過觸發(fā)控制來實現(xiàn)波形的存儲怎么存？

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.2采樣點的存儲（續(xù)）（3）觸發(fā)與觸發(fā)釋抑7.2波形的數(shù)字測量

7.2.2采樣點的存儲（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。

⑴,⑵分別對應(yīng)①,②不同觸發(fā)點所采集的波形。釋抑時間被測波形被轉(zhuǎn)化為離散的數(shù)字序列并被捕捉、存儲下來后，其最大好處便是可以利用處理器強大的功能進行波形的各種處理和運算。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)的測量。

7.2波形的數(shù)字測量

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：在相鄰采樣點直接連接上直線，局限于直邊緣信號。正弦內(nèi)插：（Sinx/x）利用曲線來連接樣點，通用性更強。它利用數(shù)學處理，在實際樣點間隔中運算出結(jié)果。這種方法彎曲信號波形，使之產(chǎn)生比純方波和脈沖更為現(xiàn)實的普通波形。sinx/x正弦內(nèi)插發(fā)復(fù)現(xiàn)信號。結(jié)合上述特點，可根據(jù)實際信號選擇合適的采樣方式以更完美的觀測信號。7.2.3波形的處理（續(xù)）1、波形的內(nèi)插

7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2波形的數(shù)字測量

7.2.3波形的處理（續(xù)）線性插值正弦插值2.波形參數(shù)計算7.2波形的數(shù)字測量

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？如何計算？？

2.波形參數(shù)計算7.2波形的數(shù)字測量

7.2.3波形的處理（續(xù)）電壓類參數(shù)2.波形參數(shù)計算7.2波形的數(shù)字測量

7.2.3波形的處理（續(xù)）時間類參數(shù)波形的數(shù)字測量中，對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)字測量

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

？

1．液晶顯示原理7.2波形的數(shù)字測量

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

7.2.4波形顯示（續(xù)）2．TFT液晶器的驅(qū)動時序7.2波形的數(shù)字測量

3．波形的顯示7.2波形的數(shù)字測量

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

7.3.1示波器的發(fā)展與分類

7.3示波器原理與設(shè)計

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

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

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

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

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

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

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

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

最佳補償條件：過補償：欠補償：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”標記。

7.3.2.1垂直通道（2）輸入耦合方式

觀察交流信號時，置“AC”檔。確定零電壓時，置“GND”檔。觀測頻率很低或帶有直流分量的交流信號時，置“DC”檔。2．Y前置放大器、Y輸出放大器前置放大器將信號適當放大，取出內(nèi)觸發(fā)信號，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輸出放大器將被測信號放大到足夠的幅度，用以驅(qū)動示波管的垂直偏轉(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?？刹捎酶淖冐摲答伒姆椒ǜ淖兎糯笃鞯脑鲆妗?/p>

3．延遲線

觸發(fā)掃描時，掃描的開始時間總是滯后于被觀測脈沖一段時間，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)板上的脈沖信號延遲一段時間，以保證在屏幕上掃描出包括上升時間在內(nèi)的脈沖全過程。延遲線的輸入級需采用低輸出阻抗電路驅(qū)動，而輸出級則采用低輸入阻抗的緩沖器。觸發(fā)點輸入信號掃描電壓顯示波形輸入信號延遲后td掃描起點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，使光點在熒光屏的水平方向達到滿偏轉(zhuǎn)。

輸入端置于“內(nèi)”時，放大掃描信號；輸入端置于“外”時，輸入外接信號。1．觸發(fā)電路為掃描信號發(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?！癓FREJ”：觀察低頻成分的信號。“HFREJ”：觀察高頻成分的信號。NORM：有觸發(fā)脈沖時才有掃描線。AUTO：連續(xù)掃描鋸齒波電壓輸出。TV：電視行、場同步分離，觀測電視信號。2．掃描發(fā)生器環(huán)(時基電路)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啟動掃描發(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：“穩(wěn)定度”電位器提供的直流電位；釋抑電路的釋抑信號；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