現(xiàn)代電子測量與實(shí)驗(yàn)技術(shù)(第三部分)

現(xiàn)代電子測量與實(shí)驗(yàn)技術(shù)(第三部分)第一頁，共67頁。時(shí)域測試儀器觀察和測試信號(hào)的時(shí)域波形、測量脈沖的占空比、上升沿、下降沿、上沖等——示波器；測量信號(hào)的電壓、電流及功率——電壓表、電流表及功率計(jì)；測量電信號(hào)的頻率、周期、相位及時(shí)間間隔——通用電子計(jì)數(shù)器、頻率計(jì)、相位計(jì)等；測量失真度及調(diào)制度等——失真度測量儀、調(diào)制度測量儀。第二頁，共67頁。示波器

第三頁，共67頁。示波器的發(fā)展第一代——模擬示波器（ART-AnalogRealTimeOscilloscope）

廿世紀(jì)四十年代——電子示波器興起的時(shí)代；廿世紀(jì)六十年代——出現(xiàn)了帶寬6GHz的取樣示波器；廿世紀(jì)七十年代——模擬式電子示波器達(dá)到高峰，帶寬1GHz的多功能插件式示波器標(biāo)志著當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)的最高水平，模擬示波器從此沒有更大的進(jìn)展；廿世紀(jì)八十年代——模擬示波器逐漸從前臺(tái)退到后臺(tái)。

第四頁，共67頁。示波器的發(fā)展第二代——數(shù)字存儲(chǔ)示波器（DSODigitalStorageOscilloscope）1978年——出現(xiàn)了數(shù)字儲(chǔ)存示波器，它是公的第二代示波器產(chǎn)品；進(jìn)入九十年代——數(shù)字示波器除了提高帶寬到1GHz以上，更重要的是它的全面性能超越模擬示波器。

第五頁，共67頁。示波器的發(fā)展第三代——數(shù)字熒光示波器（DPO）

數(shù)字熒光示波器在技術(shù)上把數(shù)字模擬示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器的優(yōu)點(diǎn)集中到一起，實(shí)現(xiàn)了所謂數(shù)字示波器模擬化。

第六頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)模擬示波器的基本組成原理框圖

ART波形的顯示方式——線掃描

第七頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)模擬示波器與DSO相比的優(yōu)點(diǎn)操作簡單：全部操作都在面板上可以找到，波形反應(yīng)及時(shí)；垂直分辨率高：連續(xù)而且無限級(jí)，DSO分辨率一般只有8位至10位；數(shù)據(jù)更新快：模擬示波器有很好的波形刷新率,一般在200,000次/秒左右，而DSO有幾個(gè)毫秒級(jí)的盲區(qū)，在這個(gè)盲區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的異常信號(hào)將被漏失；第八頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)模擬示波器與DSO相比的優(yōu)點(diǎn)實(shí)時(shí)帶寬和實(shí)時(shí)顯示：連續(xù)波形與單次波形的帶寬相同，DSO的帶寬與取樣率密切相關(guān)。三維顯示效果：模擬示波器除顯示時(shí)間與振幅的關(guān)系外，還可顯示信號(hào)能量的變化，即振幅跟隨時(shí)間的分布——灰度顯示，DSO沒有灰度級(jí)變化的顯示；

第九頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)模擬示波器的缺點(diǎn)在顯示方面：由于沒有存儲(chǔ)功能，無法觀測單次信號(hào)，對(duì)于低頻信號(hào)往往只能顯示一個(gè)移動(dòng)的亮點(diǎn)；觸發(fā)方面：模擬示波器只有電平觸發(fā)，而沒有預(yù)觸發(fā)和其它高級(jí)觸發(fā)方式；第十頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)模擬示波器的缺點(diǎn)在測量方面：模擬示波器必須依賴屏幕上的刻度尺采用人工方式進(jìn)行，會(huì)引進(jìn)較大的人為誤差；在擴(kuò)大帶寬方面：高頻的模擬示波器的制作難度集中到CRT上，100M帶寬以上的CRT其成本急劇提高，1GHz頻寬的模擬示波器的一半以上成本來自CRT，其成本比目前3GHz頻寬的數(shù)字示波器還高。

第十一頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖顯示方面采用光柵掃描技術(shù)，解決了帶寬對(duì)CRT的限制。放大采樣A/D變換捕獲存儲(chǔ)區(qū)微處理器顯存顯示第十二頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)DSO技術(shù)的發(fā)展

在取樣率上大大提高，從最初取樣率等于兩倍帶寬，提高至五倍甚至十倍。DSO波形更新率得到很大提高，使觀察偶發(fā)信號(hào)和捕捉毛刺脈沖的能力大為增強(qiáng)；采用多處理器加快信號(hào)處理能力，從多重菜單的煩瑣測量參數(shù)調(diào)節(jié)，改進(jìn)為簡單的旋鈕調(diào)節(jié)，甚至完全自動(dòng)測量，使用上與模擬示波器同樣方便。第十三頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)DSO的缺點(diǎn)DSO在數(shù)據(jù)處理上采用串行結(jié)構(gòu)，在信號(hào)處理過程中不進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此存在信號(hào)觀察的“盲區(qū)”；沒有灰度顯示。

第十四頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)數(shù)字熒光示波器的結(jié)構(gòu)框圖

第十五頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)DPO的技術(shù)特點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上：DPO將顯示單元和數(shù)據(jù)處理單元形成并行的結(jié)構(gòu)，中心處理器只作數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理，顯示方面的處理由數(shù)字熒光單元完成，提高了儀器對(duì)波形數(shù)據(jù)的處理能力；在波形顯示方面：有了以數(shù)字熒光單元為核心的專門通道，波形的捕獲率有了質(zhì)的提高，目前最高已經(jīng)模擬示波器相同水平。在灰度顯示方面：數(shù)字熒光示波器不僅能實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)顯示，而且其三維數(shù)組結(jié)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)彩色亮度層次的熒光顯示效果，即彩色顯示。

第十六頁，共67頁。各代示波器基本組成與特點(diǎn)第十七頁，共67頁。示波器的基本控制垂直系統(tǒng)的基本控制位置和每刻度電壓：控制波形的上下移動(dòng)和調(diào)節(jié)每刻度的電壓值；

端接設(shè)備：1MΩ/50Ω；

輸入耦合方式：有DC、AC或者GND。帶寬限制：一般示波器都存在限制示波器帶寬的電路。第十八頁，共67頁。示波器的基本控制垂直系統(tǒng)的基本控制交替和斷續(xù)顯示模式：第十九頁，共67頁。示波器的基本控制水平系統(tǒng)控制

捕獲控制：對(duì)于數(shù)字示波器，用戶可以控制捕獲系統(tǒng)如何處理信號(hào)，通?？煽刂频牟东@選項(xiàng)有：

捕獲模式

捕獲系統(tǒng)的啟動(dòng)和終止

采樣控制

第二十頁，共67頁。示波器的基本控制水平系統(tǒng)控制——捕獲模式

捕獲模式控制如何從采樣點(diǎn)中產(chǎn)生出波形點(diǎn)。常見的捕獲模式類型有：

采樣模式峰值檢測模式高分辨率(HiRes)模式包絡(luò)模式和平均值模式第二十一頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲模式——采樣模式最簡單的捕獲模式，每一個(gè)波形間隔，示波器存儲(chǔ)一個(gè)采樣點(diǎn)的值，并做為波形的一個(gè)點(diǎn)在采樣模式下不能捕獲發(fā)生在波形點(diǎn)之間快速變化的信號(hào)。

第二十二頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲模式——峰值檢測模式

示波器將波形間隔內(nèi)采樣出來的采樣點(diǎn)，選取其中的最小值和最大值，并把這些樣值當(dāng)作兩個(gè)相關(guān)的波形點(diǎn)。采用峰值檢測模式的示波器以非常高的采樣速率運(yùn)行ADC，因此可以非常有效地能觀察到偶爾發(fā)生的窄脈沖；

第二十三頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲模式——高分辨率(HiRes)模式

該模式在一個(gè)波形點(diǎn)時(shí)間間隔內(nèi)，采多個(gè)樣值，然后算出平均值，得到一個(gè)波形點(diǎn)。此時(shí)噪聲會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響，而低速信號(hào)的分辨率會(huì)提高。

第二十四頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲模式——包絡(luò)模式

包絡(luò)模式與峰值檢測模式類似，但是包絡(luò)模式是由多次捕獲得到的多個(gè)波形的最小和最大波形點(diǎn)，重新組合為新波形。包絡(luò)模式表示波形隨時(shí)間變化的最小/最大量。第二十五頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲模式——平均值模式

在每一個(gè)波形間隔，示波器存儲(chǔ)一個(gè)采樣點(diǎn)，隨后算出連續(xù)捕獲得到的波形點(diǎn)的平均值，然后產(chǎn)生最后的顯示波形。平均值模式在減少噪聲的同時(shí)并沒有損失帶寬，但它處理對(duì)象是重復(fù)的信號(hào)。第二十六頁，共67頁。示波器的基本控制捕獲系統(tǒng)的啟動(dòng)和終止

數(shù)字示波器的最大優(yōu)點(diǎn)之一是它們能夠存儲(chǔ)波形，隨后再作觀察。數(shù)字示波器前面板中通常都會(huì)有一個(gè)或多個(gè)按鈕，用來啟動(dòng)和終止捕獲系統(tǒng)，然后從容地分析波形。數(shù)字示波器通常還有單次捕獲控制，通常在使用其他捕獲控制或者使用觸發(fā)控制時(shí)，可以控制該特性。

第二十七頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制

有些數(shù)字示波器可以選擇采樣的方式，即實(shí)時(shí)采樣或者等效時(shí)間采樣。對(duì)于慢速的捕獲信號(hào)，選擇結(jié)果是沒有差別的；當(dāng)ADC采樣速度不夠快速，不能在一遍之內(nèi)把波形點(diǎn)填充到記錄中時(shí)，做出選擇才是有意義的。

第二十八頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制——實(shí)時(shí)采樣

對(duì)于頻率范圍在示波器最大采樣速率一半以下的信號(hào)，實(shí)時(shí)采樣是理想的方式。對(duì)于快速、單脈沖和瞬態(tài)信號(hào)，實(shí)時(shí)采樣是唯一的方式。

第二十九頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制——等效時(shí)間采樣

當(dāng)信號(hào)頻率超過示波器采樣頻率的一半時(shí)，等效時(shí)間采樣可以精確捕獲這些信號(hào)。

第三十頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制——兩種等效時(shí)間采樣的方法隨機(jī)和連續(xù)。連續(xù)等效時(shí)間采樣：經(jīng)過一段延遲時(shí)間，在每一個(gè)可識(shí)別的觸發(fā)處進(jìn)行單獨(dú)采樣。每一個(gè)周期完成之后，延遲時(shí)間增加。第三十一頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制——兩種等效時(shí)間采樣的方法

隨機(jī)等效時(shí)間采樣：采樣時(shí)鐘與輸入信號(hào)和觸發(fā)器的時(shí)鐘不同步第三十二頁，共67頁。示波器的基本控制采樣控制——兩種等效時(shí)間采樣的方法隨機(jī)等效時(shí)間采樣允許輸入信號(hào)的顯示先于觸發(fā)點(diǎn)，而不需要使用延遲線。連續(xù)等效時(shí)間采樣提供更大的時(shí)間分辨率和精度。隨機(jī)和連續(xù)兩種方法都要求輸入信號(hào)具有重復(fù)性。

第三十三頁，共67頁。示波器的基本控制插值模式線性插值法：在相鄰樣點(diǎn)處直接連接上直線。這種方法局限于重建直邊緣的信號(hào)，比如方波。

sinx/x插值法：利用曲線來連接樣點(diǎn)，通用性更強(qiáng)。第三十四頁，共67頁。示波器的基本控制插值模式第三十五頁，共67頁。示波器的基本控制XY模式大多數(shù)示波器都有XY模式來顯示輸入信號(hào)，而普通的水平軸是時(shí)間基線。第三十六頁，共67頁。示波器的基本控制縮放許多示波器都有一種專門的水平放大設(shè)置，通過它可以在屏幕上放大波形的一部分。

第三十七頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制示波器的觸發(fā)功能可以在信號(hào)的正確點(diǎn)處同步水平掃描，用來穩(wěn)定重復(fù)波形，采集單脈沖波形。第三十八頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)方式

模擬和數(shù)字示波器都有邊緣觸發(fā)的方式，邊緣觸發(fā)是最基本和常見的類型。模擬和數(shù)字示波器都提供觸發(fā)門限；許多高級(jí)數(shù)字示波器還提供許多特定的觸發(fā)設(shè)置，而這些設(shè)置是模擬設(shè)備所不具備的，它們使對(duì)信號(hào)的檢測得到簡化。

第三十九頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——常見觸發(fā)方式

第四十頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)位置

數(shù)字示波器提供了水平觸發(fā)位置控制，變更水平觸發(fā)位置，可以采集觸發(fā)事件以前的信號(hào)。模擬示波器在垂直系統(tǒng)中由延遲線提供了小量的預(yù)觸發(fā)。第四十一頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)電平和斜率

斜率控制決定觸發(fā)點(diǎn)是位于信號(hào)的上升沿還是下降沿。上升沿具有正斜率，而下降沿是負(fù)斜率；電平控制決定觸發(fā)點(diǎn)在邊緣的何處發(fā)生。第四十二頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)源

任何一個(gè)輸入通道；不同于輸入通道的外部源；電源信號(hào)；來自一個(gè)或多個(gè)通道，并由示波器內(nèi)部定義的信號(hào)；

第四十三頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)模式

通用觸發(fā)模式有正常和自動(dòng)兩種；在正常模式下，只有當(dāng)輸入信號(hào)滿足設(shè)置的觸發(fā)點(diǎn)時(shí)，才進(jìn)行掃描；在自動(dòng)模式下，即使沒有觸發(fā)，也能引起示波器的掃描。實(shí)踐中常常首先采用自動(dòng)模式調(diào)整好示波器，然后利用正常模式觀察所感興趣的內(nèi)容。

第四十四頁，共67頁。示波器的基本控制觸發(fā)系統(tǒng)和控制——觸發(fā)耦合

觸發(fā)耦合通常有AC或DC兩種有的示波器還有高頻抑制、低頻抑制和噪聲抑制的觸發(fā)耦合方式。這些設(shè)置對(duì)消除觸發(fā)噪聲很有用處，噪聲的消除可以避免錯(cuò)誤的觸發(fā)。第四十五頁，共67頁。示波器的基本控制數(shù)學(xué)和測量操作

模擬示波器只能提供波形的加法和減法操作；數(shù)字示波器還能夠提供許多高級(jí)操作，如：相乘、相除、積分、FFT等。第四十六頁，共67頁。示波器的基本控制探頭

示波器探頭分無源探頭、有源和差分探頭。大多數(shù)無源探頭頭有一些衰減因數(shù)，例如10X、100X，等。有源和差分探頭專門針對(duì)集成電路開發(fā)，在訪問和傳輸?shù)绞静ㄆ鞯倪^程中，它們能夠保護(hù)信號(hào)，以確保信號(hào)完整性。為確保精確重構(gòu)所測的信號(hào)，應(yīng)保證探頭超過信號(hào)帶寬5倍。第四十七頁，共67頁。示波器基本參數(shù)帶寬（Hz）

示波器帶寬指的是正弦輸入信號(hào)衰減到其實(shí)際幅度的70.7%時(shí)的頻率值，即－3dB點(diǎn)如果沒有足夠的帶寬，示波器將無法分辨高頻變化。第四十八頁，共67頁。示波器基本參數(shù)示波器帶寬選擇5倍準(zhǔn)則：示波器所需帶寬＝被測信號(hào)的最高頻率成分×5此時(shí)示波器的測量誤差不會(huì)超過±2%

第四十九頁，共67頁。示波器基本參數(shù)示波器帶寬選擇對(duì)于脈沖信號(hào)，示波器帶寬可按下述原則選擇：示波器帶寬=k/信號(hào)上升時(shí)間×3

k是介于0.35和0.45之間的常數(shù)，它的值取決于示波器的頻率響應(yīng)特性曲線和脈沖上升時(shí)間響應(yīng)。第五十頁，共67頁。示波器基本參數(shù)采樣速率（S/s，點(diǎn)/秒）數(shù)字示波器采樣速率隨著時(shí)基設(shè)置的改變而改變，其關(guān)系如下：實(shí)際采樣速率=所記錄的波形長度（存儲(chǔ)深度）/（時(shí)基單位×掃描長度）

第五十一頁，共67頁。示波器基本參數(shù)波形捕獲速率示波器每秒鐘以特定的次數(shù)捕獲信號(hào)，在這些測量點(diǎn)之間將不再進(jìn)行測量，即波形捕獲速率，表示為波形數(shù)每秒（wfms/s）采樣速率表示的是示波器在一個(gè)波形或周期內(nèi)，采樣輸入信號(hào)的頻率，波形捕獲速率則是指示波器采集波形的速度。第五十二頁，共67頁。示波器基本參數(shù)波形捕獲速率波形捕獲速率取決于示波器的類型和性能級(jí)別，且有著很大的變化范圍。高波形捕獲速率的示波器將會(huì)提供更多的重要信號(hào)特性，并能極大地增加示波器快速捕獲瞬時(shí)的異常情況，如抖動(dòng)、矮脈沖、低頻干擾和瞬時(shí)誤差的概率。

第五十三頁，共67頁。示波器使用實(shí)例脈沖寬度和上升時(shí)間的測量上升時(shí)間是一個(gè)脈沖從低電壓到高電壓所占時(shí)間的數(shù)量。按照慣例，從脈沖全電壓的10％處到90％處來測量上升時(shí)間。脈沖寬度是一個(gè)脈沖從低電壓到高電壓再到低電平所占時(shí)間的數(shù)量。按照慣例，在脈沖全電壓的50％處來測量脈沖寬度。第五十四頁，共67頁。示波器使用實(shí)例相移的測量線形掃描法

θ=x1/x×360o,要求兩個(gè)信號(hào)幅度必須相同。

X1X第五十五頁，共67頁。示波器使用實(shí)例相移的測量李薩如圖形法（利用示波器的XY模式）

sinθ=2X/(2Xm)2X2Xm第五十六頁，共67頁。示波器使用實(shí)例單次信號(hào)的捕獲觸發(fā)模式設(shè)置成Normal，觸發(fā)條件設(shè)置成邊沿觸發(fā)，并將觸發(fā)電平調(diào)到適當(dāng)值，然后將掃描方式設(shè)置成單次方式。第五十七頁，共67頁。示波器使用中的常見問題示波器的接地在使用任何儀器時(shí)一定要養(yǎng)成接地的習(xí)慣，對(duì)于示波器而言，其探頭的接地端必須與被測系統(tǒng)的地相連，否則可能出現(xiàn)如下情況：第五十八頁，共67頁。示波器使用中的常見問題數(shù)字示波器的混迭現(xiàn)象

數(shù)字示波器如果采樣率不夠，容易出現(xiàn)混迭現(xiàn)象。

如果在調(diào)整掃描速度時(shí)，所顯示的波形參數(shù)（頻率）急劇變化，則說明發(fā)生了混迭，可使用自動(dòng)設(shè)置來避免這種情況的發(fā)生。

第五十九頁，共67頁。通用電子計(jì)數(shù)器

第六