信號(hào)的時(shí)域頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)VIP

2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)1信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)

時(shí)域頻域概念通用示波器的原理本章重要內(nèi)容本章其余內(nèi)容頻譜分析儀邏輯分析儀2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)23.1信號(hào)時(shí)域與頻域的關(guān)系

一、信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析信號(hào)是信息的載體和具體表現(xiàn)形式，信息需轉(zhuǎn)化為傳輸媒質(zhì)能夠接受的信號(hào)形式方能傳輸。廣義的說(shuō)，信號(hào)是隨著時(shí)間變化的某種物理量。只有變化的量中，才可能含有信息。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)3信號(hào)的描述通常以時(shí)間為自變量，表示為隨時(shí)間變化的函數(shù)。信號(hào)可分為連續(xù)信號(hào)和離散信號(hào)兩種結(jié)構(gòu)。在實(shí)際的物理系統(tǒng)中，信號(hào)還可以分為確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)。1、信號(hào)2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)4對(duì)信號(hào)的傳統(tǒng)分析方法是波形分析。表示信號(hào)的時(shí)間函數(shù)，包含了信號(hào)的全部信息量，信號(hào)的特性首先表現(xiàn)為它的時(shí)間特性。可以顯示，例如信號(hào)幅值對(duì)應(yīng)的時(shí)間；同一形狀的波形重復(fù)出現(xiàn)的周期長(zhǎng)短；信號(hào)波形本身變化的速率（如脈沖信號(hào)的脈沖持續(xù)時(shí)間及脈沖上升和下降邊沿陡直的程度）。以時(shí)間函數(shù)描述信號(hào)的圖象稱(chēng)為時(shí)域圖，在時(shí)域上分析信號(hào)稱(chēng)為時(shí)域分析。2、時(shí)域分析2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)53、頻域分析頻域分析也稱(chēng)為頻譜分析，是指對(duì)信號(hào)在頻率域內(nèi)進(jìn)行分析。分析的結(jié)果是以頻率為坐標(biāo)的各種物理量的譜線和曲線，可得到各種幅值譜、相位譜、功率譜和各種譜密度等。f02f03f04f0Anf頻率成分頻率幅值圖一個(gè)周期信號(hào)的頻譜2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)6時(shí)域分析與頻域分析是對(duì)模擬信號(hào)的兩個(gè)觀察面。時(shí)域分析是以時(shí)間軸為坐標(biāo)表示動(dòng)態(tài)信號(hào)的關(guān)系；頻域分析是把信號(hào)變?yōu)橐灶l率軸為坐標(biāo)表示出來(lái)。一般來(lái)說(shuō)，時(shí)域的表示較為形象與直觀，頻域分析則更為簡(jiǎn)練，剖析問(wèn)題更為深刻和方便。目前，信號(hào)分析的趨勢(shì)是從時(shí)域向頻域發(fā)展。然而，它們是互相聯(lián)系，缺一不可，相輔相成的。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)7信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析既相互獨(dú)立又密切相關(guān)?？梢酝ㄟ^(guò)傅里葉變換把它們聯(lián)系起來(lái)并互相轉(zhuǎn)換。二、信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析的關(guān)系頻域平面時(shí)域平面頻域（不顯示負(fù)向變換）時(shí)域頻域2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)8三、時(shí)域和頻域下的信號(hào)分析時(shí)域分析信號(hào)時(shí)域分析（線性系統(tǒng)疊加原理）卷積積分的應(yīng)用及其數(shù)學(xué)描述頻域分析周期信號(hào)的頻域分析(三角與指數(shù)傅立葉級(jí)數(shù)）非周期信號(hào)的頻域分析（傅立葉積分）信號(hào)在頻域與時(shí)域之間的變換（正反傅立葉變換式）2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)9周期信號(hào)f(t)=f(t+kT)，T：信號(hào)周期，展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù)：C0=A0

或：滿(mǎn)足狄里赫利條件：①在一個(gè)周期里連續(xù)或只有有限個(gè)第一類(lèi)間斷點(diǎn)②在一個(gè)周期里只有有限個(gè)極大值和極小值③積分

存在2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)10物理意義：一個(gè)周期信號(hào)可以分解為直流分量和一系列諧波分量?；蛘哒f(shuō)，一個(gè)周期信號(hào)由一個(gè)直流分量和一系列諧波分量疊加成。一般的電信號(hào)都可以展開(kāi)為傅立葉級(jí)數(shù)。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)11常見(jiàn)信號(hào)波形圖及頻譜書(shū)p56表3-12023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)123.2通用示波器的組成及分類(lèi)前言示波器是一種用途廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，用它能直接觀察電信號(hào)的波形，也能測(cè)定電壓信號(hào)的幅度、周期和頻率等參數(shù)。用雙蹤示波器還可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)信號(hào)之間的時(shí)間差或相位差。凡是能轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)的電學(xué)量和非電學(xué)量都可以用示波器來(lái)觀測(cè)。借助示波器可以直觀地“看到”電路各點(diǎn)的狀態(tài)。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)13示波器的分類(lèi)

根據(jù)示波器對(duì)信號(hào)的處理方式的不同可分為模擬、數(shù)字兩大類(lèi)：1、模擬示波器——采用模擬方式對(duì)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。2、數(shù)字示波器——對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后再顯示。模擬示波器可分為通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專(zhuān)用示波器等。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)14一、通用示波器基本組成示波器是利用示波管內(nèi)電子射線的偏轉(zhuǎn)，在熒光屏上顯示出電信號(hào)波形的儀器?；窘M成部分：示波管、X軸放大器、Y軸放大器、掃描發(fā)生器（鋸齒波發(fā)生器）、觸發(fā)同步和電源2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)15二、波形顯示原理

（一）示波管CRT主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。

電信號(hào)變化為光信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)16電子槍的作用是發(fā)射電子并形成很細(xì)的高速電子束，它由燈絲F、陰極K、柵極G1和G2和陽(yáng)極A1、A2組成。通過(guò)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(chēng)為“聚焦”旋鈕，通過(guò)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(chēng)為“輔助聚焦”。燈絲F陰極K柵極G1、G2陽(yáng)極A1、A21、電子槍2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)17電子束聚焦的原理：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)。

電子在電子槍中的運(yùn)動(dòng)軌跡

幾個(gè)重要電位關(guān)系：UG1<UK；UG2>UA1

；UG2>>UG1；UA2>UA1>>UKE加速加速2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)182、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對(duì)相互垂直的平行金屬板組成，分別稱(chēng)為垂直偏轉(zhuǎn)板和水平偏轉(zhuǎn)板。當(dāng)有外加電壓作用時(shí)，偏轉(zhuǎn)板之間形成電場(chǎng)；在偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)作用下，電子束打向由X、Y偏轉(zhuǎn)板共同決定的熒光屏上的某個(gè)坐標(biāo)位置。為了示波器有較高的測(cè)量靈敏度，Y偏轉(zhuǎn)板置于靠近電子槍的部位，而X偏轉(zhuǎn)板在Y的右邊。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)19

電偏轉(zhuǎn)原理由陰極熱激發(fā)的電子經(jīng)第二陽(yáng)極加速后，在到達(dá)熒光屏之前，還要經(jīng)過(guò)由水平偏轉(zhuǎn)極板和垂直偏轉(zhuǎn)極板所圍成的空間。在偏轉(zhuǎn)極板上加上幾十伏特的偏轉(zhuǎn)電壓。當(dāng)電子穿過(guò)偏轉(zhuǎn)極中間時(shí)，由于受電場(chǎng)力的作用而使電子束偏離直線。偏轉(zhuǎn)電壓越大，電場(chǎng)力越大，熒光屏上的亮點(diǎn)偏離熒光屏中心越遠(yuǎn)——電偏轉(zhuǎn)原理。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)20lYd其中：l為偏轉(zhuǎn)板的長(zhǎng)度；L為偏轉(zhuǎn)板中心到屏幕中心的距離；d為偏轉(zhuǎn)板間距；UA2為陽(yáng)極A2上的電壓;UY偏轉(zhuǎn)板間電壓。偏轉(zhuǎn)距離：Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度：

電偏轉(zhuǎn)原理2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)21結(jié)論：電子束偏轉(zhuǎn)距離與外加偏轉(zhuǎn)電壓成正比;偏轉(zhuǎn)靈敏度越大(值越小)，示波管越靈敏。但與被測(cè)電壓無(wú)關(guān)。增加l、L，減小d，都可以提高偏轉(zhuǎn)靈敏度。減小UA2，提高靈敏度，但UA2低，亮點(diǎn)輝度變?nèi)?。為提高Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度，可在偏轉(zhuǎn)板至熒光屏之間加一個(gè)后加速陽(yáng)極A3。彎折偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)：增加電子束偏轉(zhuǎn)角電子束2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)223、熒光屏熒光屏將電信號(hào)變?yōu)楣庑盘?hào)，是示波管的波形顯示部分。在使用示波器時(shí)，應(yīng)避免電子束長(zhǎng)時(shí)間的停留在熒光屏的一個(gè)位置，否則將使熒光屏受損。因此在示波器開(kāi)啟后不使用的時(shí)間內(nèi)，可將“輝度”調(diào)暗。當(dāng)電子束停止轟擊熒光屏?xí)r，光點(diǎn)仍能保持一定的時(shí)間，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“余輝效應(yīng)”。

考慮：觀察高頻信號(hào)和緩慢變化的信號(hào)分別適用哪種余輝時(shí)間的示波管？2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)23(二)波形顯示的基本原理1．顯示隨時(shí)間變化的圖形（1）Ux、Uy為固定電壓時(shí)，有下面四種情況：光點(diǎn)出現(xiàn)在熒光屏的中心位置。

光點(diǎn)僅在垂直方向偏移：Uy為正電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負(fù)電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往垂直方向下移。

2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)24光點(diǎn)僅在水平方向偏移：Ux為正電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水平方向右移；Ux為負(fù)電壓時(shí)，光點(diǎn)從熒光屏的中心往水平方向左移。

當(dāng)兩對(duì)偏轉(zhuǎn)板上同時(shí)加固定的正電壓時(shí)，光點(diǎn)位置應(yīng)為兩電壓的矢量合成。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)25（2）X、Y偏轉(zhuǎn)板上分別加變化電壓，有下面兩種情況：a）僅在垂直偏轉(zhuǎn)板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點(diǎn)只在熒光屏的垂直方向來(lái)回移動(dòng)，出現(xiàn)一條垂直線段。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)26b)僅在水平偏轉(zhuǎn)板的兩板間加鋸齒電壓，則光點(diǎn)只在熒光屏的水平方向來(lái)回移動(dòng)，出現(xiàn)一條水平線段。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)27（3）Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號(hào)電壓，X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓，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。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)28示波器兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時(shí)顯示的圖形稱(chēng)為李沙育（Lissajous）圖形，在相位和頻率測(cè)量中常會(huì)用到。若兩信號(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(huà)出一條與水平軸呈45度角的直線。（4）顯示任意兩個(gè)變量之間的關(guān)系2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)29若兩信號(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(huà)出的圖形為圓。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)302、掃描的概念圖中電子束的運(yùn)動(dòng)軌跡是1-2-3-4-5-6。到達(dá)6后由于x方向所加的電壓突然回到零，因此電子束將由6快速回到初始位置1。電子束的這種運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為掃描。通常將1-6的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為掃描正程；將6迅速返回1稱(chēng)作掃描逆程，逆程的光跡為連結(jié)6-1之間的線段。鋸齒波光點(diǎn)在鋸齒波作用下掃動(dòng)的過(guò)程稱(chēng)為“掃描”，能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱(chēng)為掃描電壓。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)31uY周期：TYuX周期：TX＝TYuXuY共同作用下，亮點(diǎn)軌跡正好是一條與uY相同的正弦曲線。

X大小可代表時(shí)間的長(zhǎng)短。2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)32（1）Tx=nTy(n為正整數(shù))：熒光屏上將穩(wěn)定顯示n個(gè)周期的被測(cè)信號(hào)波形。n=2如果掃描電壓周期Tx與被測(cè)電壓周期Ty保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱(chēng)掃描電壓與被測(cè)電壓“同步”。

3、同步的概念2023/12/6第三章信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測(cè)試技術(shù)33