信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù).ppt

1、2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),1,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),2,3.1 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，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。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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)。

2、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),2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),4,對信號(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)幅值對應(yīng)的時(shí)間；同一形狀的波形重復(fù)出現(xiàn)的周期長短；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)的圖象稱為時(shí)域圖，在時(shí)域上分析信號(hào)稱為時(shí)域分析。,2、時(shí)域分析,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),5,3、頻域

3、分析,頻域分析也稱為頻譜分析，是指對信號(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。,f0,2f0,3f0,4f0,An,f,頻率成分,頻率幅值,圖 一個(gè)周期信號(hào)的頻譜,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),6,時(shí)域分析與頻域分析是對模擬信號(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。一般來說，時(shí)域的表示較為形象與直觀，頻域分析則更為簡練，剖析問題更為深刻和方便。目前，信號(hào)分析的趨勢是從時(shí)域向頻域發(fā)展。然而，它們是互相聯(lián)系，缺一不可，相輔

4、相成的。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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)。可以通過傅里葉變換把它們聯(lián)系起來并互相轉(zhuǎn)換。,二、信號(hào)的時(shí)域分析與頻域分析的關(guān)系,時(shí)域,頻域,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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）,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),9,周期信號(hào)

5、f(t)=f(t+kT)，T：信號(hào)周期，展開為傅立葉級(jí)數(shù)：,C0=A0,或：,滿足狄里赫利條件： 在一個(gè)周期里連續(xù)或只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn) 在一個(gè)周期里只有有限個(gè)極大值和極小值 積分 存在,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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，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)都可以展開為傅立葉級(jí)數(shù)。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),11,常見信號(hào)波形圖及頻譜 書p56 表3-1,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),12,

6、3.2 通用示波器的組成及分類,前言 示波器是一種用途廣泛的電子測量儀器，用它能直接觀察電信號(hào)的波形，也能測定電壓信號(hào)的幅度、周期和頻率等參數(shù)。用雙蹤示波器還可以測量兩個(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觀測。借助示波器可以直觀地“看到”電路各點(diǎn)的狀態(tài)。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),13,示波器的分類,根據(jù)示波器對信號(hào)的處理方式的不同可分為模擬、數(shù)字兩大類： 1、模擬示波器 采用模擬方式對時(shí)間信號(hào)進(jìn)行處理和顯示。 2、數(shù)字示波器 對信號(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、

7、記憶示波器和專用示波器等。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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。,基本組成部分：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,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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

8、，它由燈絲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(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的電位器稱為“聚焦”旋鈕，通過對它進(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電位的旋鈕稱為“輔助聚焦”。,1、電子槍,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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： UG1UA1 ；UG2UG1；UA2UA1UK,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試

9、技術(shù),18,2、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),示波管的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為垂直偏轉(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；在偏轉(zhuǎn)電場作用下，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。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),19, 電偏轉(zhuǎn)原理,由陰極熱激發(fā)的電子經(jīng)第二陽極加速后，在到達(dá)熒光屏之前，還要經(jīng)過由水平偏轉(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)電子穿過偏轉(zhuǎn)極中間時(shí)，由于受電場力的作用而使電子束偏離直線。偏轉(zhuǎn)

10、電壓越大，電場力越大，熒光屏上的亮點(diǎn)偏離熒光屏中心越遠(yuǎn)電偏轉(zhuǎn)原理。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),20,其中： l為偏轉(zhuǎn)板的長度；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,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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。但與被測電壓無關(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)酢樘岣遈軸偏轉(zhuǎn)靈敏度，可在偏

11、轉(zhuǎn)板至熒光屏之間加一個(gè)后加速陽極A3。,彎折偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)： 增加電子束偏轉(zhuǎn)角,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),22,3、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？,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),23,(二)波形顯示的基本原理,1顯示隨時(shí)間變化的

12、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。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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

13、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回移動(dòng)，出現(xiàn)一條垂直線段。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),26,b)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回移動(dòng)，出現(xiàn)一條水平線段。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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信號(hào)隨時(shí)間變化的一個(gè)周期的波形曲線。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),28,示波器兩個(gè)偏轉(zhuǎn)板上都加正弦電壓時(shí)顯示的圖形稱為李沙育（Lissajous）圖形，在相位和頻

14、率測量中常會(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,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(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，在熒光屏上畫出的圖形為圓。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),30,2、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)稱為掃描。 通常將1-6的運(yùn)動(dòng)稱為掃描正程；將6迅速返回1稱作掃描逆程，

15、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)的過程稱為“掃描”，能實(shí)現(xiàn)掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),31,uY周期：TY uX周期：TX TY uX uY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)間的長短。,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),32,（1）Tx=nTy(n為正整數(shù))：熒光屏上將穩(wěn)定顯示n個(gè)周期的被測信號(hào)波形。,n=2,如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關(guān)系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。,3、同步的概念,2020/10/14,第三章 信號(hào)的時(shí)域、頻域與數(shù)據(jù)域測試技術(shù),33,