电子测量技术第7章时域测量

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1、第第6 6章章 时域测量时域测量 以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值。把被以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值。把被测信号的幅度同所对应的时间关系显示出来。测信号的幅度同所对应的时间关系显示出来。示波器的主要特点：示波器的主要特点：1.1.工作频率范围宽；工作频率范围宽；2.2.灵敏度高；灵敏度高；3.3.输入阻抗高；输入阻抗高；4.4.测量功能强。测量功能强。6.1 6.1 示波器分类示波器分类1.1.模拟示波器模拟示波器 被测信号输入示波器的被测信号输入示波器的Y Y通道并进行放大后通道并进行放大后,加加至示波管的垂直偏转板至示波管的垂直偏转板,扫描电路产生的锯齿波电压扫描电路产生的锯齿波电

2、压加至示波管的水平偏转板加至示波管的水平偏转板,将被测信号稳定地显示在将被测信号稳定地显示在示波管的屏幕上。示波管的屏幕上。2.2.数字存储示波器数字存储示波器 具有存储功能。采用数字电路具有存储功能。采用数字电路,输入信号经过输入信号经过A/DA/D转换转换,将模拟波变成数字信息将模拟波变成数字信息,并存入存储器中。待并存入存储器中。待需读数时需读数时,再通过再通过D/AD/A转换转换,将数字信息转换成模拟波将数字信息转换成模拟波形显示在示波管上。形显示在示波管上。3.3.数字荧光示波器数字荧光示波器(DPO)(DPO)能实时显示、存储和分析复杂信号的三维信息：能实时显示、存储和分析复杂信号

3、的三维信息：幅度、时间和整个时间的幅度分布。能够捕捉复杂的幅度、时间和整个时间的幅度分布。能够捕捉复杂的动态信号中的全部细节和异常情况动态信号中的全部细节和异常情况,还能显示复杂波还能显示复杂波形中的细微差别形中的细微差别,以及出现的频繁程度。以及出现的频繁程度。4.4.逻辑分析仪逻辑分析仪(逻辑示波器逻辑示波器)主要显示的是电路信号的状态，特别是电路之间主要显示的是电路信号的状态，特别是电路之间的状态和时序关系。的状态和时序关系。5.5.数字化、智能化示波器数字化、智能化示波器 带有带有MCUMCU。6.2 6.2 模拟示波器模拟示波器6.2.1 6.2.1 模拟示波器的基本构成模拟示波器的

4、基本构成6.2.2 6.2.2 示波器显示波形的原理示波器显示波形的原理1.1.普通示波管的结构原理普通示波管的结构原理 电子枪、偏转系统和显示部分电子枪、偏转系统和显示部分(荧光屏荧光屏)。(1)(1)电子枪电子枪电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。电子枪由灯丝电子枪由灯丝(F)、阴极、阴极(K)、栅极、栅极(G1)、前加速极、前加速极(G2)、第一阳极、第一阳极(A1)和第二阳极和第二阳极(A2)组成。组成。(2)偏转系统及电子束偏转规律偏转系统及电子束偏转规律在阳极后面，由两对相互垂直的偏转板组成偏转系在阳极后面，由两对相互垂直的偏

5、转板组成偏转系统，统，y轴偏转板在前，轴偏转板在前，x轴偏转板在后，两对偏转板轴偏转板在后，两对偏转板间各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和间各自形成静电场，分别控制电子束在垂直方向和水平方向的偏转。水平方向的偏转。cm22yAUdULly cmV22LldUSAyyySUy yUSyyxUSxx(3)(3)荧光屏荧光屏 圆形曲面或矩形平面，内壁沉积有荧光物质。圆形曲面或矩形平面，内壁沉积有荧光物质。受到电子轰击后，形成亮点。当电子束随信号电压受到电子轰击后，形成亮点。当电子束随信号电压偏转时，这个亮点的移动轨迹形成信号波形。偏转时，这个亮点的移动轨迹形成信号波形。激励过后，亮点辉度下降

6、到原始值的激励过后，亮点辉度下降到原始值的10%时所时所延续的时间称为延续的时间称为“余辉时间余辉时间”。2.2.高灵敏度示波管的结构原理高灵敏度示波管的结构原理A3A3为后加速极，采用具有电阻的螺旋形石墨带为后加速极，采用具有电阻的螺旋形石墨带,形成连续的分形成连续的分压器压器,使电位均匀分布。使电位均匀分布。3.3.示波管波形显示原理示波管波形显示原理(1)(1)电子束沿电子束沿ux与与uy作用的合成方向运动作用的合成方向运动因为电子束沿垂直和水因为电子束沿垂直和水平两个方向的运动是互平两个方向的运动是互相独立的相独立的,打在荧光屏上打在荧光屏上的亮点的位置取决于同的亮点的位置取决于同时加

7、在垂直和水平偏转时加在垂直和水平偏转板上的电压。板上的电压。为了显示为了显示uy波形波形,在在y轴轴偏转板上加偏转板上加uy信号信号,在在x轴偏转板上加随时间线轴偏转板上加随时间线性变化的扫描电压性变化的扫描电压(锯齿锯齿波波)(2)(2)扫描时间基准扫描时间基准在在x偏转板加上线性扫描电压时，电子束在屏幕上按时偏转板加上线性扫描电压时，电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成间沿水平方向展开，形成“时间基线时间基线”。(3)(3)同步的概念同步的概念为了在屏幕上获得稳定的图像，为了在屏幕上获得稳定的图像，Tx(包括正程和回程包括正程和回程)与与Ty必须必须成整数倍关系，以保证每次扫描的起始点

8、都对应信号电压成整数倍关系，以保证每次扫描的起始点都对应信号电压uy的的相同相位点上，这种过程称为相同相位点上，这种过程称为“同步同步”。(4)(4)主要技术性能指标主要技术性能指标频率响应（频带宽度）频率响应（频带宽度）时域响应（瞬态响应）时域响应（瞬态响应）偏转灵敏度偏转灵敏度:亮点在屏幕上偏转亮点在屏幕上偏转1cm所需电压的峰所需电压的峰-峰值。峰值。输入阻抗输入阻抗;扫描速度扫描速度:亮点在屏幕亮点在屏幕x轴方向移动轴方向移动1cm所表示的时间。所表示的时间。示波管及直流供电系统示波管及直流供电系统6.2.3 6.2.3 垂直系统垂直系统将被测信号进行放大或衰减，以满足示波管垂直偏将被

9、测信号进行放大或衰减，以满足示波管垂直偏转板的要求。转板的要求。包括：输入电路、前置放大器、延迟线和后置放大包括：输入电路、前置放大器、延迟线和后置放大器等。器等。1.1.耦合方式耦合方式2.2.衰减器衰减器1011009001001191112RRRuu6996969111CRjRCjRCjRZ7111121CRjRZ116971191121211RCRjCRjRRZZZ69711CRCR与频率无关，称为与频率无关，称为最佳补偿。最佳补偿。直流、低频时：直流、低频时：高频时：高频时：探极线的等效电路探极线的等效电路最佳补偿：最佳补偿：iiCRCR11pFMpFMRCRCii6.31.9331

10、11可变电容可变电容3.3.垂直通道极性转换电路垂直通道极性转换电路4.4.垂直通道开关转换电路（电子开关）垂直通道开关转换电路（电子开关）双踪示波器具有双踪示波器具有y1,y2,y1,y2,交替交替,断续断续,y1+y2,y1+y2五种工作方式，转换五种工作方式，转换工作方式的电子开关由多谐振荡器和门电路组成。工作方式的电子开关由多谐振荡器和门电路组成。5.5.延迟线功能及驱动放大器延迟线功能及驱动放大器 考虑到水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段考虑到水平扫描锯齿波信号起始点与触发信号之间有一段延迟时间延迟时间,为了观察脉冲前沿为了观察脉冲前沿,在在y y轴插入延迟线轴插入延迟线,

11、使被测信号的使被测信号的起点与扫描信号起点同步。起点与扫描信号起点同步。通常通常60-200ns对称螺旋延迟线及等效电路对称螺旋延迟线及等效电路6.6.垂直系统主放大电路（垂直系统主放大电路（Y Y末级放大器）末级放大器）把延迟线输入的被测信号放大到足够大的幅度把延迟线输入的被测信号放大到足够大的幅度,用以驱动示波用以驱动示波管垂直偏转系统管垂直偏转系统,使荧光屏上显示被测信号。使荧光屏上显示被测信号。输出电压输出电压;动态范围动态范围;非线性失真非线性失真;上升时间和频带宽度上升时间和频带宽度;耦合方式耦合方式:现代示波器都采用直接耦合。现代示波器都采用直接耦合。6.2.4 6.2.4 水平

12、放大系统水平放大系统1.1.扫描电路的组成（扫描电路的组成（X X通道）通道）形成、控制和放大锯齿波电压，使屏幕稳定而准确显示形成、控制和放大锯齿波电压，使屏幕稳定而准确显示出被测信号的波形。出被测信号的波形。6.3 6.3 数字存储示波器数字存储示波器1.1.概述概述 数字存储示波器的基本组成数字存储示波器的基本组成6.3.1 6.3.1 数字存储示波器的基本原理数字存储示波器的基本原理基本工作原理基本工作原理：(1)(1)写过程写过程 (2)(2)读过程读过程(1)(1)触发方式：当被测信号越过触发电平时，产生触发信号触发方式：当被测信号越过触发电平时，产生触发信号启动启动A/DA/D转换

13、器，同时转换器，同时RAMRAM从从0 0地址开始写入数据，将原来的地址开始写入数据，将原来的内容冲掉，写满内容冲掉，写满2 2n n个单元后停止。个单元后停止。(2)(2)正延迟触发：触发信号到来时，存储器不立即写入数据，正延迟触发：触发信号到来时，存储器不立即写入数据，要延迟要延迟P P次次A/DA/D转换后，才开始写入新数据。转换后，才开始写入新数据。(3)(3)负延迟触发：首先使存储器一直处于写状态，新写入的负延迟触发：首先使存储器一直处于写状态，新写入的数据不断将以前的内容冲掉，触发信号一到马上停止写入。数据不断将以前的内容冲掉，触发信号一到马上停止写入。6.3.2 6.3.2 主要

14、技术指标主要技术指标（1 1）最高取样速率）最高取样速率:由由A/DA/D转换器的速率决定。转换器的速率决定。（2 2）存储容量：）存储容量：RAMRAM的大小决定。的大小决定。（3 3）分辨力：垂直分辨力取决于）分辨力：垂直分辨力取决于A/DA/D转换器的位数。转换器的位数。（4 4）准确度：测量值与实际值的符合程度。）准确度：测量值与实际值的符合程度。（5 5）扫描时间因数）扫描时间因数(t/div)(t/div)：是水平方向的度量，取：是水平方向的度量，取决于决于A/DA/D转换器数据写入存储器的速度以及存储器的转换器数据写入存储器的速度以及存储器的容量。容量。（6 6）频率宽度：实时带

15、宽和等效带宽。）频率宽度：实时带宽和等效带宽。（7 7）X-YX-Y存储带宽。存储带宽。6.3.3 6.3.3 数字存储示波器的关键器件数字存储示波器的关键器件6.3.4 6.3.4 数字存储示波器的关键技术数字存储示波器的关键技术1.等效采样技术等效采样技术 产生原因产生原因：Nyquist 采样定理采样定理(1)实时采样对波形逐点采集，可以实时显示输入信号实时采样对波形逐点采集，可以实时显示输入信号的波形，因此适用于任何形式的信号波形，重复或者的波形，因此适用于任何形式的信号波形，重复或者不重复的，单次的或者连续的。不重复的，单次的或者连续的。(2)等效采样通过多次采样，把在信号的不同周期

16、中采等效采样通过多次采样，把在信号的不同周期中采样得到的数据进行重组，从而能够重建原始的信号波样得到的数据进行重组，从而能够重建原始的信号波形。前提是信号必须是重复的形。前提是信号必须是重复的。2.顺序等效采样顺序等效采样基本原理基本原理：多周期采样中，采样点的采集按照一个固定的次序多周期采样中，采样点的采集按照一个固定的次序进行，每到来一个新的触发事件就采集一个采样点，并将采样进行，每到来一个新的触发事件就采集一个采样点，并将采样值填写到当次存储位置上去，为了填满一个完整的波形记录，值填写到当次存储位置上去，为了填满一个完整的波形记录，记录中有多少个存储位置就需要有多少个触发事件记录中有多少

17、个存储位置就需要有多少个触发事件。(1)基于延时单元的顺序等效采样基于延时单元的顺序等效采样基于延时单元的顺序等效采样是一种利用固定的时间基于延时单元的顺序等效采样是一种利用固定的时间延时单元，按次序增加延时时间的等效采样技术，延时单元，按次序增加延时时间的等效采样技术，3.随机等效采样随机等效采样基本原理基本原理：时间间隔的产生是随机的，采样事件随机时间间隔的产生是随机的，采样事件随机发生在触发点之后、小于一个采样信号周期的所有时发生在触发点之后、小于一个采样信号周期的所有时间点上，如果所有时间点上的采样事件都发生，就可间点上，如果所有时间点上的采样事件都发生，就可以采集完成小于一个采样信号

18、周期的波形的信息，通以采集完成小于一个采样信号周期的波形的信息，通过对随机产生的采样数据的位置重新整理，就能将这过对随机产生的采样数据的位置重新整理，就能将这段波形进行复现，从而实现等效采样。段波形进行复现，从而实现等效采样。图中所示，在随机等效采样中，采样脉冲的频率图中所示，在随机等效采样中，采样脉冲的频率保持稳定，脉冲与脉冲之间的时间保持稳定，脉冲与脉冲之间的时间T为一个恒定的值，为一个恒定的值，将这个时间将这个时间T等分为若干份，图中分为等分为若干份，图中分为4份。每次信份。每次信号触发后，触发信号与下一次采样脉冲之间都存在一号触发后，触发信号与下一次采样脉冲之间都存在一个时间差，如图中

19、的个时间差，如图中的t1、t2、t3、t4。时间差在一个采样周期内随机分布，当多轮采样后，采集的数时间差在一个采样周期内随机分布，当多轮采样后，采集的数据序列就能完整的填充波形数列。通过对随机采样的数据序列据序列就能完整的填充波形数列。通过对随机采样的数据序列进行排序，就能重构信号的一个完整的采样波形。进行排序，就能重构信号的一个完整的采样波形。实现原理的关键是如何将随机产生的相对采样数据，填入完整波实现原理的关键是如何将随机产生的相对采样数据，填入完整波形数列中的正确位置形数列中的正确位置。(1)基于游标卡尺原理的随机等效采样基于游标卡尺原理的随机等效采样根据游标卡尺原理，借助两个时钟源来实

20、现的等效采样，根据游标卡尺原理，借助两个时钟源来实现的等效采样，根据随机等效采样的原理，将采样时钟的周期根据随机等效采样的原理，将采样时钟的周期T1等分成等分成100个采样位置，设置触发振荡器时钟的频率比个采样位置，设置触发振荡器时钟的频率比采样时钟的频率略低一点，比如采样时钟的频率略低一点，比如T2=1.01T1。在在100个采样时钟的周期内采样时钟和触发时钟相个采样时钟的周期内采样时钟和触发时钟相位会重合一次。当相位重合时，通过对触发时钟振荡位会重合一次。当相位重合时，通过对触发时钟振荡次数的测量，就可推算出本次采样数据在次数的测量，就可推算出本次采样数据在100个采样位个采样位置中的相对

21、位置。置中的相对位置。(2)基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样基于双斜率电容充放电原理的随机等效采样 如果能精确测量触发时刻到下一次采样脉冲之间的如果能精确测量触发时刻到下一次采样脉冲之间的时间间隔时间间隔t，再结合采样周期时间，再结合采样周期时间T，就能推算出当次采，就能推算出当次采样数据在完整波形数列中的正确位置。样数据在完整波形数列中的正确位置。触发信号来到前，电容充电至稳定状态。触发信号来触发信号来到前，电容充电至稳定状态。触发信号来到时，用一个大的电流源将电容内电荷迅速放掉，当到时，用一个大的电流源将电容内电荷迅速放掉，当下一个采样信号来到的时候停止放电，转而用一个与下一个采样信

22、号来到的时候停止放电，转而用一个与放电电流源成比例的小电流源对电容充电，同时开始放电电流源成比例的小电流源对电容充电，同时开始计时，当检测到电容电压与充电前电压值相等的时候，计时，当检测到电容电压与充电前电压值相等的时候，测出计时时间，根据这个时间推算出充电时间也就是测出计时时间，根据这个时间推算出充电时间也就是触发信号与下一采样信号的时间间隔，其本质就是将触发信号与下一采样信号的时间间隔，其本质就是将小的时间间隔小的时间间隔t等比例放大后进行测量。等比例放大后进行测量。(3)时间交错采样的实现时间交错采样的实现 利用多片利用多片ADC采样有两种实现方式，一种是采用延迟线对通采样有两种实现方式

23、，一种是采用延迟线对通道输入信号做不同时间的延时处理，另一种是采用时间交错采样道输入信号做不同时间的延时处理，另一种是采用时间交错采样使使ADC工作在不同相位的时钟下。工作在不同相位的时钟下。3.数字内插技术数字内插技术内插原理内插原理：对于数字存储示波器而言，除了要求有高的实时采对于数字存储示波器而言，除了要求有高的实时采样速率外，还要求有较高的波形分析细节。因此，样速率外，还要求有较高的波形分析细节。因此，是否能很好的恢复和重建原信号对于数字存储示波是否能很好的恢复和重建原信号对于数字存储示波器就显得很重要。器就显得很重要。内插是通过已知数据点构造一个解析表达式，由此内插是通过已知数据点构

24、造一个解析表达式，由此计算数据点之间的函数值，构造的曲线必通过原数计算数据点之间的函数值，构造的曲线必通过原数据。据。拟合是选择一个最好的光滑曲线去逼近已知离散数拟合是选择一个最好的光滑曲线去逼近已知离散数据，该曲线不一定通过原数据点。据，该曲线不一定通过原数据点。拉格朗日拉格朗日(Lagrange)插值插值已知函数已知函数在在 n+1个点个点x0,x1,xn处的函数值为处的函数值为y0,y1,yn。则。则 iniinyxLxP0 niiinixxxxxxxxxxxxxL1010线性插值多项式线性插值多项式：101001011yxxxxyxxxxxP 分段低次分段低次(线性线性)插值插值节点把

25、节点把 分成分成n个小区间。当插值点个小区间。当插值点x在第在第 i个小区间个小区间 上时，采用线性插值公式上时，采用线性插值公式ba,iixx,1 iiiiiiiiiyxxxxyxxxxxPxf11111 分段三次埃尔米特插值分段三次埃尔米特插值 三次样条插值三次样条插值 在每小区间在每小区间上，上，是三次多项式是三次多项式，同时在节点，同时在节点x有有连续二阶导数。连续二阶导数。【例例】50个采样点的正弦波、方波和锯齿波经个采样点的正弦波、方波和锯齿波经4种插值方式得种插值方式得250个点个点。四种插值方法中，最邻近插值方法的平滑性最差；线性插值方四种插值方法中，最邻近插值方法的平滑性最差

26、；线性插值方法与邻近点插值不同，其结果是连续的，但在顶点处的斜率会法与邻近点插值不同，其结果是连续的，但在顶点处的斜率会改变；三次插值方法其插值数据和导数都是连续的；三次样条改变；三次插值方法其插值数据和导数都是连续的；三次样条插值的平滑性最好。插值的平滑性最好。(1)正弦波频率为正弦波频率为50Hz，已知采样点为，已知采样点为50个，经过三次样条插值、个，经过三次样条插值、线性插值、三次插值、最邻近插值得到的点为线性插值、三次插值、最邻近插值得到的点为250个。个。(2)方波频率为方波频率为50Hz，已知采样点为，已知采样点为50个，经过三次样条插值、个，经过三次样条插值、线性插值、三次插值

27、、最邻近插值得到的点为线性插值、三次插值、最邻近插值得到的点为250个。个。(3)锯齿波频率为锯齿波频率为50Hz，已知采样点为，已知采样点为50个，经过三次样条插个，经过三次样条插值、线性插值、三次插值、最邻近插值得到的点为值、线性插值、三次插值、最邻近插值得到的点为250个。个。6.4 6.4 数字存储示波器测试功能数字存储示波器测试功能 功能特点：功能特点：(1)(1)触发点位置可任意设定：观测单次信号尤为方便触发点位置可任意设定：观测单次信号尤为方便(2)(2)滚动方式滚动方式(不需触发，波形从右端进入，左端离去不需触发，波形从右端进入，左端离去)；(3)(3)峰值检测功能峰值检测功能

28、(不断比较，存储最大值和最小值不断比较，存储最大值和最小值)；(4)(4)累计峰值检测功能累计峰值检测功能(比较每个取样窗口的最大值和最小值比较每个取样窗口的最大值和最小值)；(5)(5)平均功能平均功能(软件实现，软件实现，2 2n n次次)；(6)(6)屏幕读出功能屏幕读出功能(显示相关参数显示相关参数)；(7)(7)游标测量功能游标测量功能(移至波形的任意位置，直读两游标间的电移至波形的任意位置，直读两游标间的电压或时间差压或时间差)；(8)(8)存储波形的扩大及缩小存储波形的扩大及缩小(软件技术实现软件技术实现)；(9)(9)具有记录输出功能；具有记录输出功能；(10)(10)菜单功能；菜单功能；(11)(11)接口接口(GP-IB(GP-IB等等)。6.5 6.5 示波器功能扩展举例示波器功能扩展举例在示波器的外部配置阶梯波发生器便可组成晶体管在示波器的外部配置阶梯波发生器便可组成晶体管图示仪。图示仪。集电极扫描电压与基极阶梯波电压应保持同步关系。集电极扫描电压与基极阶梯波电压应保持同步关系。6.6 6.6 示波器的应用与选择示波器的应用与选择1.1.用示波器检测电子电路用示波器检测电子电路（1 1）测量放大电路的放大倍数）测量放大电路的放大倍数