電子測量技術(shù)第六章

時域測量

第6章第6章時域測量6.1概述6.2模擬示波器基本原理6.3數(shù)字存儲示波器6.4示波器的應(yīng)用

6.1概述示波器的功用示波器：利用熒光屏顯示電量隨時間變化過程的電子測量儀器。示波器可以測量很多電參數(shù)。電壓、電流、功率、頻率、周期、相位、脈沖寬度、脈沖上升及下降時間等。如果配上相應(yīng)的傳感器,示波器可以測量非電量溫度、壓力、振動、密度、聲、光、熱、磁效應(yīng)等。示波器對電信號的分析是按時域法進行的,研究信號的瞬間幅度與時間的函數(shù)關(guān)系,具有捕獲顯示及分析時域波形的功能示波器的特點

具有良好的直觀性,能顯示波形,能測量信號瞬時值。靈敏度高,顯示速度快,工作頻帶寬,可方便觀察瞬變信號細節(jié)。輸入阻抗高(MΩ級),對被測電路影響小,這對測量精度是很重要的。是一種信號比較器,可顯示、分析任意兩個量之間的函數(shù)關(guān)系。示波器的分類當(dāng)前常用的示波器從技術(shù)原理上可分為：模擬式—通用示波器(采用單束示波管實現(xiàn)顯示,當(dāng)前最通用的示波器)。數(shù)字式—數(shù)字存儲示波器(采用A/D、DSP等技術(shù)實現(xiàn)的數(shù)字化示波器)。從性能上,按示波器的帶寬可分為：

中、低檔示波器,帶寬在60MHz以下。高檔示波器,帶寬在60MHz以上,大多在300MHz以下。更高檔的有1GHz～2GHz以上。

示波器的發(fā)展及現(xiàn)狀

30～50年代：通用示波器的誕生和實用化58年帶寬達100MHz；57年研究成記憶示波器,59年生產(chǎn)出取樣示波器。60年代：示波器技術(shù)進一步得到提高，通用示波器的帶寬69年躍至300MHz。取樣示波器的帶寬達到了18GHz。70年代以后：71年帶寬500MHz,79年達到1GHz。74年就發(fā)表了帶微處理器的示波器,開辟了示波器微機化的發(fā)展方向,示波器開始具備對信號的數(shù)字存儲功能6.2模擬示波器

的基本原理示波器的組成

Y(垂直)通道對被測信號進行不失真的線性放大,以保證示波器的測量靈敏度。X(水平)通道產(chǎn)生與被測信號相適應(yīng)的掃描鋸齒波主機6.2.1示波管(CRT)陰極射線示波管(CRT)將電信號轉(zhuǎn)變成光信號并在熒光屏上顯示示波管：電子槍：發(fā)射電子并形成很細的高速電子束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)：決定電子束怎樣偏轉(zhuǎn)(XY兩對偏轉(zhuǎn)板)熒光屏：在偏轉(zhuǎn)后的電子射線轟擊下發(fā)光,從而顯示出外加電信號的波形

CRT燈絲F陰極K柵極熒光屏陽極X偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)Y偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)示波管屬于電真空器件,又稱為陰極射線管(CRT)。電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子并形成強度可控制的很細的電子束。它由以下幾部分組成：燈絲F在交流低壓(如6.3V)下使鎢絲燒熱,用于加熱陰極陰極K是一個表面涂有氧化鋇的金屬第一柵極G1調(diào)節(jié)G1的電位可以調(diào)節(jié)示波器的亮度,常置于示波器面板上供使用。第二柵極G2隔離開G1和A1,以減小亮度調(diào)節(jié)與聚焦調(diào)節(jié)的相互影響。第一陽極A1與第二陽極A2構(gòu)成一個電子透鏡,對電子束起聚焦作用。第二陽極A2是個更大的同軸圓筒,其上電壓較高,它主要與A1構(gòu)成電子透鏡。第三陽極A3具有上萬伏的高壓,用于對電子束加速,故也稱后加速陽極。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)靜電偏轉(zhuǎn)——光點法用于示波器磁偏轉(zhuǎn)——光柵法用于電視機、計算機顯示器及示波器。熒光屏在示波管正面內(nèi)壁涂上一層熒光物質(zhì),熒光物質(zhì)將高速電子的轟擊動能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?產(chǎn)生亮點。當(dāng)電子束從熒光屏上移去后,光點仍能在屏上保持一定的時間才消失。從電子束移去到光點亮度下降為原始值的10％所延續(xù)的時間稱為余輝時間偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用下的運動X、Y偏轉(zhuǎn)板上都不加電壓：光點在熒光屏的中心位置Y上高,電子束受正電壓吸引向上移動；X右高,電子束受正電壓吸引向右移動；電子束在偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作用下的運動Y:uy=UmsinωtX:ux=0Y:uy=0X:ux=UmsinωtY:uy=Umsinωt

X:ux=Umsinωt波形166.2.2波形顯示原理電信號的時間波形,實際上就是它的瞬時值與時間在直角坐標系統(tǒng)中的函數(shù)圖像。示波器：垂直坐標y正比于輸入信號瞬時值水平坐標x正比于時間

——水平方向需用一個電壓模擬時間

波形顯示原理Y偏轉(zhuǎn)板加正弦波信號電壓X偏轉(zhuǎn)板加鋸齒波電壓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。掃描—時間基準掃描：光點在x軸上反復(fù)移動時基(時間基準)：熒光屏上代表時間的水平亮線掃描電壓ux：隨時間線性變化的電壓ux=kt鋸齒波時間可以無限延續(xù),實際線性變化信號幅度不可能無限增長,且屏幕尺寸有限直線掃描電壓,只能使光點在屏幕上自左至右掃一次波形21對掃描電壓要求對掃描電壓要求：周期性：線性：同步性：當(dāng)fx=fy→Tx=

Ty,第2周期光點移動軌跡與前一周期重合；當(dāng)fy=2fx→Tx=2Ty,第34周期光點移動軌跡與前12周期重合。推論：fy=n

fx(n為正整數(shù)),波形穩(wěn)定同步：fy=n

fx

，→Tx=n

Ty如果Tx≠n

Ty,即不滿足同步條件,顯示的圖像不穩(wěn)定23連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描掃描種類：直線掃描：連續(xù)掃描觸發(fā)掃描圓掃描螺旋掃描

連續(xù)掃描Tx=tf

+tbtf

：掃描正程tb

：掃描回程理想情況：tb=0

連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描為觀測連續(xù)信號,掃描電壓是連續(xù)的,稱為連續(xù)掃描當(dāng)觀測脈沖過程時,往往感到連續(xù)掃描不再適應(yīng),特別是研究脈沖持續(xù)時間與重復(fù)周期之比,即占空比t0／Ty很小的脈沖過程時,問題就更為突出觸發(fā)掃描

Tx=tf+tb+tw只有在被測脈沖到來時才掃描一次掃描發(fā)生器平時處于等待工作狀態(tài),只有送入觸發(fā)脈沖時才產(chǎn)生一個掃描電壓一般選擇Tx≥t026掃描過程的增輝若不增輝將產(chǎn)生如圖的回掃線實際工作時回掃是需要一定時間的,這對顯示波形產(chǎn)生了一定的影響。為使回掃產(chǎn)生的波形不在熒光屏上顯示,可以設(shè)法在掃描正程期間使電子槍發(fā)射更多的電子,即給示波器增輝增輝：在掃描正程期間給第一柵極G1加正脈沖

陰極K加負脈沖6.2.3通用示波器的基本組成6.2.4通用示波器的垂直通道示波器對垂直通道(Y通道)的基本要求是以足夠高的輸入阻抗將被測信號以很小的失真對稱地傳輸?shù)結(jié)偏轉(zhuǎn)板上有足夠?qū)挼姆群皖l率測量范圍。為了與X通道配合,Y通道應(yīng)有一定的延遲。輸入電路輸入電路探極耦合方式轉(zhuǎn)換開關(guān)衰減器阻抗變換器被測信號送入Y通道前,先通過探極(探頭)進入示波器。使用探極的目的：提高示波器的輸入阻抗擴展帶寬,減小失真。31衰減器衰減器作用是把檢測信號很寬的幅度變化范圍壓縮,保證放大器正常工作一般用阻容補償分壓電路來實現(xiàn)。當(dāng)R1C1=R2C2

—最佳補償延遲線

具有觸發(fā)功能的示波器,由于掃描信號是由被測信號的前沿啟動的,因此掃描開始時刻總比被測信號到來的時刻要遲一些。若被測信號前沿較短，則可能出現(xiàn)被測信號過去td之后才開始掃描。為完整顯示信號波形的前沿,在Y通道中加延遲線,對被測信號延時。Y放大器Y放大器前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器作用：使示波器具有觀測微弱信號的能力Y通道的增益SR-8：Symax=10mV/div=12.5mV/cmSv=6~8V/cmY放大器示波器的Y通道必須由多級放大器組成對Y放大器的主要要求是：頻帶寬度Δf足夠?qū)挘篺H越高越好

fL=0上升時間tr足夠小穩(wěn)定的增益對稱的輸出電路較高的輸入阻抗6.2.4通用示波器的水平通道水平通道(X通道)的作用：使電子束作水平偏轉(zhuǎn)給示波管提供增輝脈沖組成掃描發(fā)生器環(huán)作用:產(chǎn)生符合要求的鋸齒電壓。組成:掃描閘門、掃描電壓發(fā)生器、電壓比較器、釋抑電路掃描發(fā)生器環(huán)掃描閘門—施密特觸發(fā)器(滯后特性)當(dāng)觸發(fā)脈沖在到來時,觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，輸出的高低電平,作為掃描發(fā)生器的控制信號——門控信號掃描發(fā)生器—受時基閘門控制密勒積分器當(dāng)K斷開時,電源E通過電阻R對電容C充電,輸出負向鋸齒波掃描電壓隊。此電壓一路送X放大器,另一路送時基電路的電壓比較器輸出電壓U0為當(dāng)K閉合時,電容C放電,使U0迅速上升,回到掃描的起點。掃描發(fā)生器環(huán)電壓比較器將掃描電壓U0與參考電壓Ur進行比較,當(dāng)U0＜Ur時,電壓比較器輸出電壓隨U0而下降,給釋抑電路的電容器充電。釋抑電路在掃描回程期間電容C以較慢的速度放電保證每次掃描都在同一起始電平上開始。掃描發(fā)生器環(huán)觸發(fā)電路

觸發(fā)電路的作用是為掃描信號發(fā)生器提供符合要求的觸發(fā)脈沖。它把觸發(fā)信號變換為具有陡峭前沿,與被測信號同步的觸發(fā)脈沖觸發(fā)電路組成：觸發(fā)源選擇觸發(fā)的耦合方式選擇觸發(fā)方式選擇觸發(fā)極性選擇觸發(fā)電平選擇觸發(fā)放大整形電路等

觸發(fā)電路觸發(fā)極性選擇和觸發(fā)電平調(diào)節(jié)6.2.5通用示波器的多波形顯示多束顯示和多蹤顯示是同時顯示幾個信號波形的基本方法多束顯示優(yōu)點：能夠觀察同時出現(xiàn)的瞬變信號。多束示波管內(nèi)裝有幾個獨立電子槍,能同時發(fā)射多束電子;或把同一陰極發(fā)射出來的電子分割為幾束電子束。

多束示波管制成的示波器稱為多束示波器或多線示波器多蹤顯示多蹤示波器：采用單束示波管,在它的Y偏轉(zhuǎn)板上輪流接入幾個被測信號,按時間分割原理制成的示波器優(yōu)點：性能高、價格低缺點：不能觀測同時出現(xiàn)的瞬變信號，雙蹤示波器4546雙蹤示波器組成：與普通示波器類似兩個Y通道+一個通道轉(zhuǎn)換器(電子開關(guān))通道轉(zhuǎn)換器工作原理上述三種狀態(tài)均為單蹤顯示,為顯示雙蹤,需高速控制YA與YB的接通與斷開,實現(xiàn)兩信號的輪流顯示在實際電路中,用晶體二、三極管代替機械開關(guān)K1~K8,稱為電子開關(guān),其開關(guān)轉(zhuǎn)換速率可達幾百kHz電子開關(guān)的轉(zhuǎn)換控制方式

交替斷續(xù)電子開關(guān)工作原理雙蹤示波器設(shè)有“A”“B”“A+B”“交替”和“斷續(xù)”五種工作狀態(tài)?！癆”:K1K2K7K8斷開,K3K4K5K6接通,

YA信號→送Y偏轉(zhuǎn)板“B”:K1K2K7K8接通,K3K4K5K6斷開,

YB信號→送Y偏轉(zhuǎn)板“A±B”：K1K2K5K6斷開,K3K4K7K8接通,兩路信號均傳到輸出端,并在負載中互相疊加49“交替”轉(zhuǎn)換(同步轉(zhuǎn)換)

交替方式不適于顯示重復(fù)頻率很低的信號

特點：fk=fx

顯示波形連續(xù)第一次掃描接通YA信號,第二次掃描接通YB信號,如此反復(fù),并在屏幕上輪流顯示出兩個信號波形控制電子開關(guān)的開關(guān)信號由時基電路提供?！皵嗬m(xù)”轉(zhuǎn)換(非同步轉(zhuǎn)換)

特點：fk

＞＞fx在每一次掃描正程中,高速輪流接通兩個輸入信號,顯示出來的波形是由許多線段組成。當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率很高時,這些線段很短,看上去就好像是連續(xù)的波形。斷續(xù)方式只適合于觀測低頻信號雙掃描顯示雙掃描示波器有兩個獨立的觸發(fā)和掃描電路,特別適用于在觀察一個脈沖序列的同時,仔細觀察其中一個或部分脈沖的細節(jié)。

54雙掃描顯示B加亮A把A、B掃描門產(chǎn)生的增輝脈沖疊加起來,形成合成增輝信號,用它來給A通道增輝,則A通道所顯示的脈沖列中,對應(yīng)B掃描期間的那個脈沖3被加亮A延遲B為了能同時觀測脈沖列的全貌及其中某一部分的細節(jié),設(shè)立電子開關(guān),把兩套掃描電路的輸出交替地接入X放大器。自動雙掃描包括上兩種方式延遲掃描556.3數(shù)字示波器6.3.1數(shù)字示波器的功能與特點DSO在功能上具有下列優(yōu)點：⑴能夠捕捉單次信號、隨機信號、低重復(fù)速率信號,并進行測量和分析；⑵靈活多樣的觸發(fā)和顯示,增加了捕捉和測量能力；⑶通過軟件實現(xiàn)自動參數(shù)測量,測量精度高,不受人為因素影響；⑷具有多種輸出方式,便于進行功能擴展和自動測試。DSO也有一些功能上的局限,同模擬示波器一樣,它也具有信號采集上的“盲區(qū)時間”。576.3.2

數(shù)字示波器的組成58數(shù)字存儲示波器(DigitalStorageOscilloscope,

DSO)主要由采樣存儲、觸發(fā)與時基和顯示三大部分組成。59數(shù)字存儲示波器數(shù)字示波器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)把被測電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。數(shù)字示波器捕獲的是波形的一系列樣值,并對樣值進行存儲,存儲限度是判斷累計的樣值是否能描繪出波形為止。像所有微機化儀器一樣,框圖中的μP系統(tǒng)除包括微處理器、RAM、ROM、微機定時和中斷等系統(tǒng)外,還常包括鍵盤及其控制、GPIB接口等I/O接口。數(shù)字存儲示波器當(dāng)處于存儲工作模式時,其工作過程一般分為存儲和顯示兩個階段。在存儲工作階段,將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字化信號,在邏輯控制電路的控制下依次寫入到RAM中。在顯示工作階段,將數(shù)字信號從存儲器中讀出轉(zhuǎn)換成模擬信號,經(jīng)垂直放大器放大加到CRT的Y偏轉(zhuǎn)板。同時,CPU的讀地址計數(shù)脈沖加至D/A轉(zhuǎn)換器,得到一個階梯波掃描電壓,驅(qū)動CRT的X偏轉(zhuǎn)板，6.3.3

采樣存儲采樣存儲部分包括衰減及放大、采樣保持及AD變換和采集存儲器三部分。衰減及放大電路的作用與模擬示波器類似。采樣是為方便存儲、處理和/或顯示,把部分輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)樵S多離散電信號的過程,經(jīng)過AD變換,離散的模擬量變?yōu)榱炕蟮臄?shù)字量,然后由采集存儲器存儲。數(shù)字存儲示波器的采樣方式分為實時采樣非實時采樣(等效時間采樣)非實時順序采樣非實時隨機采樣61采樣采樣：用少量樣品代表大量的甚至無窮多的原始收據(jù)具有頻率變換作用具有時間上的不連續(xù)實時采樣vs=p(t)vi(t)62如果取樣脈沖的寬度τ足夠窄,取樣信號的幅度就是該次取樣時刻輸入信號的瞬時值。采樣采樣是等間隔地進行；采樣率以“點/秒”(S/s)來表示。63采樣點數(shù)字化需要的保持時間采樣間隔實時采樣實時采樣在信號實際經(jīng)歷的時間內(nèi)完成了全部采樣對于頻率范圍在示波器最大采樣速率一半以下的信號,實時采樣是理想的方式。此時,通過一次“掃描”波形,示波器就能獲得足夠多的點重構(gòu)精確的圖象,如圖6465輸入重復(fù)信號第一次采集第二次采集第三次采集。。。。實時采樣實時采樣是最直觀的采樣方式,采樣率超過模擬帶寬4－5倍或更高。實時采樣66實時采樣只需一次觸發(fā)已采集到信號所有資料對信號的要求：重復(fù)信號且可允許信號變化實時采樣技術(shù)示波器不僅適用捕獲重復(fù)信號、而且是捕捉非重復(fù)信號和單次信號的有效技術(shù)。是捕獲隱藏在重復(fù)信號中的毛刺和異常信號前提條件。示波器標定帶寬＝重復(fù)信號帶寬

＝瞬態(tài)(單次)信號帶寬67采樣率對單次信號采集放大器多路分解器采集信號存儲器uP顯示存儲器A/D采樣率低使信號失真采樣率高使信號保真數(shù)字示波器不但觀測重復(fù)信號,同時需要觀測單次事件信號。采樣率不足會造成顯示信號漏失和失真。所以示波器必須具有足夠的采樣速率,用以捕捉單次信號和精確恢復(fù)顯示波形。奈奎斯特抽樣定律中指出采樣率至少為信號最高頻率帶寬的2倍以上,從而保證信號在恢復(fù)時不發(fā)生混迭現(xiàn)象和失真的情況發(fā)生。68示波器采樣率例：示波器帶寬100MHz,示波器帶寬選定后,采樣率決定了單次帶寬。采樣率1GS/s采樣率200MS/s采樣率100MS/s69示波器采樣率單次事件信號沿的精確捕獲和復(fù)現(xiàn)能力只有信號速度在單次帶寬的范圍內(nèi),對捕獲信號才能精確復(fù)現(xiàn)70示波器采樣率1Gs/S單次帶寬為100Mhz100Mhz60Mhz80Mhz40Mhz20Mhz200MMhzs/S單次帶寬為40Mhz100MMhzs/S單次帶寬為20Mhz脈沖序列精確復(fù)現(xiàn)能力,只有信號速度在單次帶寬的范圍內(nèi),對捕獲信號才能精確復(fù)現(xiàn)示波器采樣率示波器帶寬選定后,采樣率決定了單次帶寬。單次帶寬決定示波器對毛刺和單脈沖信號的捕獲能力和復(fù)現(xiàn)能力,也決定了示波器檢測重復(fù)信號中異常信號和隨機毛刺信號的捕獲能力。單次帶寬決定示波器對階躍、單次信號中的快沿的捕獲和復(fù)現(xiàn)能力,也決定了示波器對檢測,低重復(fù)率信號的上升和下降沿捕獲能力7172采樣率的選擇我們在確定示波器的帶寬后,還要選擇足夠的采樣率來與之相配合,這樣才能獲得適合于實際測量中的實時帶寬,從而獲得滿意的顯示和測量結(jié)果。示波器采樣率不足，將會使信號失去高頻成份，影響對信號的完整性測量。如，使信號上升和下降時間變慢或造成波形的漏失。如果在實際的測量中,比較重視單次信號的精確信息,我們建議采樣率要在帶寬的5倍以上,最好能在8~10倍。實時采樣數(shù)字示波器采集快速、單脈沖和瞬態(tài)信號,實時采樣是唯一的方式。為了精確數(shù)字化高頻瞬態(tài)事件,必需要有足夠的采樣速率,數(shù)字示波器的實時采樣才能很好的完成這樣的任務(wù)。有些事件只發(fā)生一次,必須在發(fā)生的同一時間幀內(nèi)對其采樣。如果采樣速率不夠快,高頻成分可能會“混疊”為低頻信號,引起顯示混疊。帶寬為100MHz就要求A/D器件的轉(zhuǎn)換速度不能低于400MS/s,這樣高速的A/D和采集數(shù)據(jù)存儲器價格都比較高。因而目前高帶寬并且記錄長度長的實時采樣DSO價格相當(dāng)昂貴。73非實時采樣非實時采樣采樣點分別取自若干個信號周期的不同位置。將實時采樣中同一周期上的各個取樣點分散到各個不同的周期上。74非實時采樣關(guān)鍵:相對于tn,tn+1延遲了Δt若輸入信號的周期為T,采樣脈沖的周期為:

TS=tn+1－tn=mT+ΔtΔt：采樣脈沖的步進時間Δt決定了采樣點在各個波形上的位置,Δt必須很小,滿足:75非實時采樣非實時取樣的特點:顯示一個取樣信號所需脈沖序列的持續(xù)時(測量時間)遠遠大于被測信號的實際經(jīng)歷時間。其包絡(luò)波形同樣可以重現(xiàn)原信號波形非實時采樣器利用的原理是:大多數(shù)自然產(chǎn)生和人為構(gòu)造的對象都具有重復(fù)性。為構(gòu)建重復(fù)信號的圖像,在每一個重復(fù)期內(nèi),非實時采樣只采集少量的信息。象一串燈一盞一盞依次點亮那樣,波形逐漸累積而成。利用這樣的方式,即使信號的頻率成分遠遠高于示波器的采樣速率,也能形成精確地采樣。76非實時采樣非實時采樣(等效時間采樣)有兩種方法：非實時順序采樣順序等效時間采樣提供更大的時間分辨率和精度。非實時隨機采樣隨機等效時間采樣允許輸入信號的顯示先于觸發(fā)點,而不需要使用延遲線。兩者都要求輸入信號具有重復(fù)性。7778輸入重復(fù)信號非實時順序采樣非實時順序采樣是每一個觸發(fā)采集一個采樣值第一次觸發(fā)采集第二次觸發(fā)采集第三次觸發(fā)采集最后一個周期……非實時順序采樣順序采樣是每一個觸發(fā)采集一個樣值,主要用于數(shù)字取樣示波器中,能以極低的采樣速率(100kHz～200kHz)獲得極高的帶寬(高達50GHz),并且垂直分辨率一般在10bit以上。這種示波器每個采樣周期在波形上只取一個樣點,79

如圖所示,每次延遲一個已知的Δt時間,要想采集足夠多的樣點,則需要更長的時間才行。80第一次觸發(fā)采集第二次觸發(fā)采集第三次觸發(fā)采集輸入重復(fù)信號非實時隨機采樣隨機采樣的采樣器采用內(nèi)部的時鐘,非實時隨機采樣隨機采樣的采樣器采用內(nèi)部的時鐘,它與輸入信號和信號觸發(fā)器的時鐘不同步,隨機采樣允許輸入信號的顯示先于觸發(fā)點,樣值連續(xù)不斷地獲得,而且獨立于觸發(fā)位置,顯示時則由樣值和觸發(fā)器的時間差決定。81隨機采樣可以在一次觸發(fā)事件中采集多個樣值非實時采樣82非實時采樣非實時采樣對采樣速度的要求大大降低了,或者說它可以用不是非常高的采樣速率,“等效”極高的采樣速率,進而使示波器的通頻帶做得很寬。這種采用方式常用于取樣示波器中,目前高端頻已達50GHz。所有非實時采樣的示波器都不能觀測單次信號.它們通常觀測周期性信號,但是只要重復(fù)波形完全相同,觸發(fā)點又容易識別,某些非實時示波器亦可觀測有些非周期性的重復(fù)信號。83隨機等效采樣需要經(jīng)過多次觸發(fā)才能采集到信號的所有資料對信號的要求：信號必須重復(fù)并且穩(wěn)定，如信號變化(如幅度)將造成顯示混亂。等效技術(shù)示波器只適用捕獲重復(fù)穩(wěn)定信號對捕獲非重復(fù)信號和單次信號的能力以及是捕獲隱藏在重復(fù)信號中的毛刺和異常信號的能力,將受到實時采樣率的限制。示波器標定帶寬＝重復(fù)信號帶寬瞬態(tài)(單次)信號帶寬。84實時示波器的優(yōu)勢可以顯示單次瞬時事件無需顯式觸發(fā)無需重復(fù)的波形直接測量周期到周期抖動長記錄長度/深存儲器適用于故障診斷情況85等效時間采樣示波器的優(yōu)勢更低的采樣速率支持更高分辨率ADC轉(zhuǎn)換更寬的帶寬更低的本底噪聲更低的固有抖動可以包括前端光學(xué)模塊可以用于TDR以獲得阻抗測量和S參數(shù)測量能夠以更低的成本獲得解決方案86存儲數(shù)字存儲器的功能隨機存儲器RAM包括信號數(shù)據(jù)存儲器、參考波形存儲器、測量數(shù)據(jù)存儲器和顯示緩沖存儲器四種。

記錄長度(存儲深度)是示波器所能存儲的采樣點多少的量度。如果需要不間斷的捕捉一個脈沖串,則要求示波器有足夠的存儲器以便捕捉整個事件。記錄長度與采樣率密切相關(guān)。所需要的記錄長度取決于要測量的總時間跨度和所要求的時間分辨率。87DSO

采樣率和記錄長度1234567891011121314151617181920記錄長度18N123tt

記錄長度＝采樣率×采樣時間放大器時鐘顯示處理器模數(shù)轉(zhuǎn)換器8取樣和保持采集內(nèi)存89記錄長度一個波形記錄是指可被示波器一次性采集的波形點數(shù)最大記錄長度由示波器的存儲容量決定,要增加存儲容量才能增加記錄長度為捕獲和顯示單次信號過渡過程提供的重要指標示波器的存儲由兩個方面來完成：觸發(fā)信號和延時的設(shè)定確定了示波器存儲的起點示波器的記錄長度決定了數(shù)據(jù)存儲的終點。觸發(fā)點延時時間記憶長度起點終點記錄時間＝記錄長度/采樣率由于時基和采樣率是聯(lián)動的,所以時基的速度快慢將同時改變采樣率的高低。當(dāng)采樣率達到指標定義最高速率時,加快時基速度的調(diào)整,采樣率將不能加快。時基與采樣率的關(guān)系應(yīng)為：存儲深度(點)時間/格10＝采樣間隔.1/采樣間隔＝采樣率9091被測信號時間T被測信號時間T被測信號時間T采樣率、單次帶寬與記錄長度對波形限制示波器記錄長度和采樣時間示波器記錄長度和采樣時間示波器記錄長度和采樣時間92采樣率、單次帶寬與記錄長度對波形限制示波器記錄長度和采樣時間示波器記錄長度和采樣時間示波器記錄長度和采樣時間事件信號時間長度事件信號時間長度事件信號時間長度93記錄長度(存儲深度)示波器帶寬、單次帶寬和記錄長度對被測波形顯示的影響：單次帶寬對單次信號的精確復(fù)現(xiàn)起到限制作用。對單次事件和脈沖串等非重復(fù)信號,以及對重復(fù)信號中的異常信號進行捕獲時,如采樣率不符合捕獲信號速度的要求,將造成復(fù)現(xiàn)的信號會失去高頻成份。顯示的信號與被測信號相比,上升和下降時間變慢,或高頻脈沖信息漏失,影響信號完整性測量。在這種情況下不論示波器的存儲深度有多長,已沒有實際意義。在保證對單次信號進行精確捕獲前提下,示波器存儲深度越長，波形的存儲時間就越長。記錄長度(存儲深度)由于示波器存儲深度有限,使用的不是示波器最高采樣率,對單次信號進行捕獲時,提高采樣率可以提高對信號的捕獲精度和分辨率,但降低了存儲信號的時間。采樣率和存儲深度有限,提高存儲時間只能降低采樣率,但降低采樣率將失去波形的細節(jié)同時失去快沿信號的高頻成份使上升時間變慢。如單次信號時間較長,要保證信號中高頻信息不丟失(信號漏失和畸變)。需要我們綜合考慮示波器帶寬、采樣率和存儲長度等指標,以保證被測信號的精確復(fù)現(xiàn)。示波器的捕獲率和觸發(fā)功能、可以優(yōu)化示波器的存儲深度和采樣率。94采樣率vs.t∕div100MSa/s800MSa/s4GSa/s1MSa/s以1ms/div為例OscilloscopesBasicsAgilentConfidentialOctober15,20096.3.4

時基與觸發(fā)系統(tǒng)模擬示波器的時基電路主要用來產(chǎn)生與時間成正比的鋸齒波,即掃描電壓。數(shù)字示波器并不需要單獨產(chǎn)生鋸齒波,而是根據(jù)各采樣點間實際對應(yīng)的時間間隔,算出各顯示點的X坐標加以顯示對于數(shù)字示波器,從數(shù)據(jù)采集開始,幾乎每個主要環(huán)節(jié)都需要嚴格的定時關(guān)系。數(shù)字示波器的時基電路,除了包括高穩(wěn)定度、高難確度的主時鐘外,還需要產(chǎn)生各種時序信號,例如采樣時鐘,A/D變換啟動信號,顯示定時信號等注重時序關(guān)系是數(shù)字化測量儀器及其他數(shù)字電路的共同特點。采集存儲nn-1n-2n-3最老的樣點最新的樣點采集內(nèi)存-循環(huán)緩沖觸發(fā)“觸發(fā)”的概念來自模擬示波器,只能觀測觸發(fā)點以后的波形。在DSO中也沿用“觸發(fā)”叫法,設(shè)置了觸發(fā)功能,但這里觸發(fā)信號只是在采樣存儲器選取信號的一種標志,以便可以靈活地選取采樣存儲器中某部分的波形送至顯示窗口。觸發(fā)工作方式常態(tài)觸發(fā):同模擬示波器基本一樣。預(yù)置觸發(fā):可觀測觸發(fā)點前后不同段落上的波形。

99觸發(fā)示波器觸發(fā)可看作“同步圖形獲取”一個波形“圖形”包含多個連續(xù)的數(shù)字化采樣“圖形獲取”必須同步到重復(fù)波形的唯一點大多數(shù)常見示波器觸發(fā)都基于在特定電壓電平下同步信號上升或下降邊沿的采集(圖形獲取)100拍攝賽馬比賽撞線時的照片與示波器觸發(fā)相似觸發(fā)示例觸發(fā)點觸發(fā)點未觸發(fā)（未同步的圖形獲?。┯|發(fā)=上升邊沿0.0V觸發(fā)=下降邊沿+2.0V觸發(fā)電平設(shè)置在波形之上正時間負時間DSO上的默認觸發(fā)位置（時間為零）=屏幕中間（水平）早期模擬示波器的唯一觸發(fā)位置=屏幕左側(cè)高級示波器觸發(fā)例如：I2C串行總線觸發(fā)大多數(shù)學(xué)校實驗室實驗都將基于使用標準“邊沿”觸發(fā)觸發(fā)較為復(fù)雜的信號需要高級觸發(fā)選項。信息顯示數(shù)字存儲示波器的顯示部分更多基于光柵屏幕而不是基于熒光。從采集存儲器中讀出的采樣值,經(jīng)過若干處理后,再送往顯示電路進行顯示。通常寫入采集存儲器的速度與讀出的速度并不相同,不論以什么速度寫入的,往往只要讀出速度能保證顯示波形不產(chǎn)生閃爍即可。例如顯示波形每秒更新50-100次已經(jīng)足夠了。對數(shù)字示波器而言,一組采樣點在顯示屏上重構(gòu)波形,垂直軸代表測量幅度,而水平軸表示時間,輸入波形在屏幕上呈現(xiàn)一串點。如果點距離很遠,那么很難分辨出波形,解決方法是采用插值法連接各點。信息顯示存儲顯示

適于一般信號的觀測。抹跡顯示適于觀測一長串波形中在一定條件下才會發(fā)生的瞬態(tài)信號。卷動顯示適于觀測緩變信號中隨機出現(xiàn)的突發(fā)信號。單次采集帶寬和波形復(fù)現(xiàn)單次采樣帶寬也就是常說的實時帶寬,它是由模擬帶寬、采樣率以及波形重建的方法共同決定,因此它決定了所構(gòu)建的單次波形的完整性波形重建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(xué)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。105使用正弦內(nèi)插,一般采用內(nèi)插系數(shù)為5計算示波器的單次信號帶寬。單次帶寬＝實時采樣率/5(內(nèi)插系數(shù))。使用線性內(nèi)插,一般采用內(nèi)插系數(shù)為10計算示波器的單次信號帶寬。單次帶寬＝實時采樣率/10(內(nèi)插系數(shù))106信息顯示放大顯示適于觀測信號波形細節(jié)X-Y顯示顯示的內(nèi)插插入技術(shù)可以解決點顯示中視覺錯誤的問題。主要有線性插入和曲線插入兩種方式數(shù)字示波器常見功能數(shù)字示波器大多具有模擬示波器的基本功能,如顯示波形、X-Y工作模式、基本觸發(fā)等。數(shù)字示波器比模擬示波器增加了多種有用的功能,包括自動設(shè)置、自動測量、高級觸發(fā)、數(shù)字濾波、運算功能(包括FFT)、光標測量、毛刺檢測及峰值檢測、保存設(shè)置、自動校準和程控接口以及多種其它特性。108數(shù)字存儲示波器的特點波形的采樣/存儲與波形的顯示是獨立的可以無閃爍地觀測極慢變化信號;對于觀測極快信號來說,數(shù)字存儲示波器可采用低速顯示。能長時間地保存信號便于觀察單次出現(xiàn)的瞬變信號。先進的觸發(fā)功能不僅能顯示觸發(fā)后的信號,而且能顯示觸發(fā)前的信號。測量準確度高采用了晶振和高分辨率A/D轉(zhuǎn)換器。數(shù)字存儲示波器的特點很強的數(shù)據(jù)處理能力內(nèi)含微處理器,能自動實現(xiàn)多種波形參數(shù)的測量與顯示;還具有自檢與自校等多種自動操作功能外部數(shù)據(jù)通信接口可以很方便地將存儲的數(shù)據(jù)送到計算機或其他的外部設(shè)備,進行更復(fù)雜的數(shù)據(jù)運算和分析處理數(shù)字示波器的主要工作特性帶寬、采樣率和存儲器深度是選擇數(shù)字示波器時最常使用的評估指標帶寬B3帶寬決定示波器對信號的基本測量能力。示波器所需帶寬＝被測信號的最高頻率成分×5上升時間tr上升時間越快,對信號的快速變換的捕獲越準確帶寬和上升時間:

tr×B3≈0.35脈沖實際上升時間111500MHz信號:50MHz方波帶寬考慮60MHz100MHz350MHzOscilloscopesBasicsAgilentConfidentialOctober15,2009數(shù)字示波器的主要工作特性采樣速率又稱作數(shù)字化速率,描述方式通常有:用采樣次數(shù)來描述,表示單位時間內(nèi)采樣的次數(shù)。如20MS/s(20×106次/秒)。用采樣頻率來描述,如20MHz。用信息率來描述,表示每秒鐘儲存多少位(bit)的數(shù)據(jù)。如每秒鐘儲存160Mb/s的數(shù)據(jù),對于一個8bit的A/D轉(zhuǎn)換器來說,就相當(dāng)于20MS/s的采樣率。

采樣率越快,所顯示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息事件丟失的概率就越小。采樣速率高可以增大DSO的帶寬,但事實上,DSO的采樣速率還受到采集存儲器容量的限制,一般在不同掃速時,要求采樣速率是不一樣的,防止采樣點過多而溢出采集存儲器1GSa/s(SR=2xBW)500MHz示波器(1GSa/svs2GSa/svs.4GSa/s)2GSa/s(SR=4xBW)4GSa/s(SR=8xBW)輸入=100MHz時鐘,1ns沿速度數(shù)字示波器的主要工作特性存儲深度

(存儲容量、記錄長度)表示數(shù)字示波器存儲信號的能力,通常指采集存儲器的容量。采樣速率fs(MS/s)↑→數(shù)據(jù)點↑→記錄長度L↑→高速存儲器難度↑

例如,想要在100ms/div的掃速下以1GS/s采樣,那將需要1000M的內(nèi)存。早期DSO的掃速、采樣速率和記錄長度之間存在如下近似關(guān)系：記錄長度≈采樣速率×掃速×10115數(shù)字存儲示波器的主要技術(shù)指標分辨率

包括垂直分辨率(電壓分辨率)和水平分辨率(時間分辨率)。垂直分辨率與A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率相對應(yīng),常以屏幕每格的分級數(shù)(級／div)或百分數(shù)來表示。水平分辨率由存儲器的容量決定,常以屏幕每格含多少個取樣點或用百分數(shù)來表示。讀出速度

讀出速度是指將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出的速度,常用(時間)/div來表示。

6.4示波器的應(yīng)用示波器基本應(yīng)用用示波器測幅度直接測量法自動參量測量法光標法比較法118示波器基本應(yīng)用用示波器測時間直接測量法自動參量測量法光標法比較法119示波器基本應(yīng)用用示波器測相位差、頻率比當(dāng)示波器工作在X-Y方式時,顯示圖像反映X,Y兩種輸入信號的變化,是示波器比較兩個正弦波之間相位差和頻率比的常用方法利用李沙育圖形測相位差利用李沙育圖形測頻率比120示波器應(yīng)用擴展具有參變量的X-Y圖示儀建立單次信號將非電量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栍^測通信測量應(yīng)用利用數(shù)字示波器的運算功能用示波器自行構(gòu)成其它儀器121示波器應(yīng)用擴展通信測量應(yīng)用很多通信測試可直接使用示波器,例如用示波器直接測調(diào)幅、調(diào)頻系數(shù)掃頻儀、頻譜儀和邏輯分析儀的顯示部分廣泛使用了示波測試原理122通信測試解決方案123示波器應(yīng)用擴展利用數(shù)字示波器的運算功能124數(shù)字熒光示波器過去,設(shè)計人員和工程師只能選擇兩種示波器：模擬實時示波器和數(shù)字存儲示波器(DSO)。模擬示波器捕獲速率快,提供了輝度等級顯示,為波形提供了實時統(tǒng)計維度。變化的亮度清楚地顯示信號不同部分的發(fā)生頻率。DSO提供了自動測量、完善的觸發(fā)、波形存儲和硬拷貝功能,這些功能都是模擬儀器所不具備的。但是,DSO依賴信號處理結(jié)構(gòu),在信號采集過程的每一步中都要求微處理器干預(yù)。DSO捕獲速率太慢,不能準確地繪制復(fù)雜的信號,它們?nèi)鄙僬{(diào)試必需的輝度等級信息。125數(shù)字熒光示波器DSO使用串行處理的體協(xié)結(jié)構(gòu)來捕獲顯示和分析信號,在DSO中,采集路徑完全是串行路徑,這要求微處理器參與信號采集過程。數(shù)字熒光示波器(DPO)采納的是并行處理結(jié)構(gòu)126數(shù)字熒光示波器從數(shù)據(jù)存儲到完善的觸發(fā)功能,DPO提供了DSO的所有傳統(tǒng)優(yōu)勢。此外,它們使用三個維度捕獲和顯示波形信息,即幅度、時間、幅度在時間上的分布,這在很大程度上與模擬示波器類似。DPO以數(shù)字方式仿真化學(xué)熒光工藝,在模擬示波器的CRT中創(chuàng)建輝度等級。DPO的長處在于其并行處理結(jié)構(gòu)。DPO把數(shù)字化波形數(shù)據(jù)光柵化成稱為數(shù)字熒光的數(shù)據(jù)庫。大約每隔1/30秒,數(shù)字熒光中存儲的信號圖像快照就會直到發(fā)送到顯示系統(tǒng)。同時,與集成式采集/顯示系統(tǒng)平行的微處理器會執(zhí)行波形數(shù)學(xué)運算、測量和前面板控制。127混合信號示波器混合信號示波器(MSO)是一種混合測試儀器,它兼有數(shù)字存儲示波器(DSO)的全部測量功能和邏輯分析儀的部分測量功能,以及部分串行協(xié)議分析功能。利用MSO,可以在同一個屏幕上觀察多路時間隊列模擬、并行數(shù)字以及串行解碼波形128混合信號示波器與完整的邏輯分析儀相比,MSO通常缺乏足夠的數(shù)字采集通道;與串行協(xié)議分析儀相比,MSO又缺少較高的分析提取能力。129MSO相對較為簡單,因此很容易使用,避免了邏輯分析儀和協(xié)議分析儀的復(fù)雜操作示波器的使用注意事項示波器的選用根據(jù)要顯示的信號數(shù)量,選擇單蹤或雙蹤示波器。根據(jù)被測信號的頻率特點選擇。

根據(jù)被測信號的重現(xiàn)方式選擇。根據(jù)被測信號是否含有交直流成分選擇。

根據(jù)被測信號的測試重點選擇。130131通用示波器的基本測量方法利用示波器可以進行電壓、頻率、相位差以及其它物理量的測量。提問：觀測一個10MHz正弦波,為使失真小應(yīng)選什么示波器?測量電視機的視頻信號要選什么示波器？測量電視機的中頻信號要選什么示波器？

測量電視機的高頻信號要選什么示波器？>30MHz>20MHz>120MHz>3000MHz132通用示波器的選用原則選用示波器的主要依據(jù)是各項技術(shù)性能指標,但最主要的是帶寬。

示波器Y通道B3=100MHztr=0.35/B3

=3.5nstR=0tR=10nstR’=3.5nstR’=?屏幕上看到的上升時間為被測信號上升時間133主要技術(shù)指標頻率響應(yīng)(頻帶寬度)示波器的頻帶寬度一般指Y通道的頻帶寬度。上升時間tr是一個與頻帶寬度相關(guān)的參數(shù),表示由于示波器Y通道的頻帶寬度的限制,反映了示波器Y通道跟隨輸入信號快速變化的能力。頻帶寬度B3與上升時間tr的關(guān)系可近似表示為tr×B3≈0.35134屏幕讀出值誤差如圖:當(dāng)tR/tr=1時,屏幕讀數(shù)相對誤差Δtrx/trx=40%當(dāng)tR/tr=3時,讀數(shù)誤差5%當(dāng)tR/tr=5時,讀數(shù)誤差2%通常要求選用的示波器上升時間要

小于被測脈沖上升時間3~5倍,即Δtrx/trx%

示波器帶寬對讀出誤差的影響對于一般連續(xù)信號不同帶寬示波器對

同一數(shù)字時鐘信號的測量比較圖是用Agilent公司帶寬為100MHz的示波器測量一個邊沿速度為500ps(從10%到90%)的100MHz數(shù)字時鐘信號得到的波形結(jié)果135從圖中看出,該示波器主要只通過了該時鐘信號的100MHz基本頻率成分