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脉冲参数计量 第一章脉冲参数基础知识 第一节脉冲测量基本概念第二节脉冲参数表述第三节脉冲幅度确定方法第四节脉冲信号的频谱分析第五节脉冲参数间的转换关系 第二章示波器的基本原理 第一节示波器的发展与分类第二节示波器计量参数介绍第三节模拟示波器的组成及工作原理第四节数字存储示波器 第三章示波器检定 第一节示波器检定装置第二节模拟示波器的计量检定第三节数字存储示波器的计量检定第四节示波器检定的测量不确定度 第四章脉冲信号发生器检定 第一节脉冲发生器的基本组成及工作原理第二节脉冲发生器的计量检定第三节其它类型的脉冲发生器 第五章脉冲参数计量标准 第一节计量标准的组成第二节计量标准重复性与稳定性考核第三节测量标准不确定度评定第四节计量标准量值传递 第一章脉冲参数基础知识 在无线电测量领域中 脉冲信号应用十分广泛 对脉冲参数测量的准确度有更高的要求 脉冲测量的速度扩展到皮秒量级 脉冲测量领域中相关的测量仪器的测量功能 技术指标也有了极大的提高 脉冲测量使用最多的示波器的技术性能有了一个飞跃 数字存储示波器正在取代传统的模拟示波器 性能与技术指标已远远超过了模拟示波器 第一节脉冲测量基本概念 一 脉冲波形定义 自第一额定状态出发 到达第二额定状态 最终又回到第一额定状态的一种波 二 脉冲测量技术 脉冲技术是无线电电子学中的基础技术 脉冲技术应用十分广泛 通信方面 早期的电报 先进的数据通信 数字通信军用和民用各种雷达 如目标定位雷达 导航雷达 警戒雷达 照射雷达等计算机利用脉冲信号进行数据传输电视 核物理研究 电子医疗设备无线电信号特性的测量 可分为四类 时域测量 频域测量 数据域测量 调制域测量 一 时域测量 时域测量是指电信号幅度与时间关系特性的测量 时域测量中使用最多的是示波器 二 频域测量 测量一个信号的能量相对于频率的函数关系 称之为频域测量 其本质就是频谱分析 频谱分析仪是频域测量的典型测量仪器 三 数据域测量 数据域测量是从数据域观测数字信号的特性 数字信号的信息不是载于个别的脉冲信号波形 而是载于信号电平的高低及其不同的组合 即逻辑真值的变化中 研究的关键不仅在于无失真地显示数字信号波形 更重要的是准确地识别电平的高低 各通道数据信号的时序 以及逻辑状态的变化 逻辑分析仪是数据域测量中的最常用仪器 四 调制域测量 调制域测量是新提出的一个概念与测量方法 它测量信号频率 时间间隔 相位与时间的关系 可直接观测到信号中载频的变化 可测量频率随时间变化 应用 捷变频发射机的跳频特性蜂窝电话各基站之间的转换性能调频信号的载频信号与时间的关系振荡器的开机特性锁相过程中VCO的频率变化 第二节脉冲参数表述 一 单脉冲特性参数 一 单脉冲特性参数 一 基线 底 指脉冲由一个额定状态 第一个额定状态 出发经另一个额定状态 第二个额定状态 而最终又回到的第一额定状态的脉冲波形的第一额定状态称之为基线 二 顶线脉冲波形中表示脉冲第二额定状态部分称之为顶线 一 单脉冲特性参数 三 顶量值据脉冲顶线定义 按规定算法得到的脉冲顶部量值为顶量值 四 底量值据脉冲底线定义 按规定算法得到的脉冲底部量值为底量值 五 脉冲幅度脉冲幅度指顶量值与底量值的代数差 脉冲转换时 指基线以上的电压电平 一 单脉冲特性参数 六 过渡时间 脉冲前后沿时间 脉冲信号的电平转换时所需时间 1 前过渡时间 上升时间tr 一般指脉冲从脉冲幅度的10 到90 所占用时间 2 后过渡时间 下降时间tf 一般指脉冲从脉冲幅度的90 到10 所占用时间 一 单脉冲特性参数 七 脉冲宽度一般指脉冲前沿和后沿中点 50 幅度量值点 之间的时间间隔 持续时间 duration 又称为固定沿脉冲宽度 以前沿起始拐角到后沿的起始拐角计算之间的时间间隔来定义脉冲宽度的 称为可变沿脉冲宽度 一 单脉冲特性参数 八 重复频率 1 重复周期 简称周期 连续的脉冲波中的两个相邻波形相同点之间的时间间隔 基本单位是秒 s 常用分数单位为毫秒 ms 微秒 s 纳秒 ns 皮秒 ps 2 重复频率周期的倒数是频率 单位是赫兹 Hz 常用倍数单位为千赫兹 kHz 兆赫兹 MHz 一 单脉冲特性参数 九 开关比on offratio开关比一般指周期的脉冲序列中脉冲波形持续时间T1与脉冲间隔T2之比 表示式为 一 单脉冲特性参数 十 空度比空度比一般指周期性的脉冲序列中脉冲波形的持续时间与脉冲重复周期之比 表示式为 二 单过渡参数 一 阶跃Step一个电信号从一个稳定状态快速变化到另一个稳定状态的过程 二 单过渡参数 二 斜坡Ramp一个电信号不间断的单向变化的过程 可以有正负 三 脉冲波形失真参数 三 脉冲波形失真参数 1 前冲 预冲 脉冲波形前过渡时间之前的幅度量值起伏 用脉冲幅度的百分数表示 2 过冲 上冲 脉冲波形在前过渡时间之后的幅度量值起伏 用脉冲幅度的百分数表示 三 脉冲波形失真参数 3 下冲脉冲波形后过渡时间之后的幅度量值起伏 用脉冲幅度的百分数表示 4 圆弧 圆顶 在所要求或希望的斜率突变处出现的圆弧特征形式的失真 三 脉冲波形失真参数 5 尖峰在本来是规则的或所要求的脉冲形式上叠加一个持续时间较短的脉冲波形 这种失真叫尖峰 6 振铃 减幅振荡 脉冲波形叠加的阻尼振荡形式的失真 这种失真通常发生在过渡时间之后 三 脉冲波形失真参数 三 脉冲波形失真参数 7 稳定时间 建立时间 上冲 圆顶和振铃达到特定的脉冲幅度 电平 量值所需时间 从脉冲前沿的 前过渡时间 90 幅度点开始计算 测量 8 线性Linearity 非线性 从脉冲幅度10 和90 两量值点相连的直线到前沿过渡曲线之间的最大垂直峰值偏差或最大相对误差 三 脉冲波形失真参数 9 倾斜 下垂 Tilt在整个脉冲顶或脉冲底上总斜率通常是不为零的常数 脉冲顶或脉冲底的这种失真叫倾斜 倾斜极性可正可负 倾斜是脉冲顶部倾斜或者底部倾斜相对于脉冲幅度的比值 三 脉冲波形失真参数 10 抖动 晃动 Jitter是脉冲序列里脉冲波形的时间特性 一般为时间间隔或持续时间相对于参考时间的不稳定性 最大的晃动值称为峰值抖动 也有使用脉冲宽度的晃动和周期 延迟的晃动来表示脉冲抖动特性的 三 脉冲波形失真参数 11 波动Fluctuation脉冲序列里 脉冲波形的脉冲幅度或其他量值特性相对于参考脉冲幅度或参考量值的不稳定性 一般用峰 峰值表示 四 复合波形参数 1 双脉冲DoublePulse可作为单个特征看待的 时间相邻极性相同的两个脉冲波形 四 复合波形参数 2 双极性脉冲BipolarPulse可作为单个特征看待的 时间相邻极性相反的两个脉冲波形 四 复合波形参数 3 阶梯波Staircase一般是等量值同极性阶跃的一种周期性有限序列 第三节脉冲幅度确定方法 脉冲幅度的确定是脉冲波形测量 确定脉冲参数的基础 脉冲波形的许多参量都与上 下稳态电平 第一 二额定状态 的数值有关 如脉冲的上升时间 下降时间 预冲 过冲 振铃等 因此测量脉冲幅度首先要确定脉冲上 下稳态电平 脉冲的上 下稳态电平由于脉冲波形的不规则很难确定 一般采用密度分布统计平均法或密度分布众数法来确定上 下稳态电平 顶部值 底部值 一 密度分布统计平均法 基本方法是测定脉冲波形出现在某一电平上的密度分布的平均数 将脉冲波形置于一方格图中 然后从高度为 m的每一个水平元素中查出脉冲波形通过的小方格数 由不同水平元素和波形相交的方格数画出相应的量值分布图 由量值分布图中的两个最大值确定脉冲上 下稳态电平 一 密度分布统计平均法 一 密度分布统计平均法 每一个电压ui对应一行方格 每一个小方格为一个单元 每一行中与波形相交的单元数称为频数用pi表示 脉冲幅度的顶值由顶部的各电压值的频数加权计算得到的 顶值ut可由下式计算得到 式中 A 选取电压值所占的单元个数 ui 在顶值附近部分选取的电压值 单位为V Pi A 所选取的各点电压的权 二 密度分布众数法 以测定脉冲波形瞬时顶值出现的概率众数为基础 取波形上位置出现概率最大的点作为底部量值与顶部量值 即测出pt pi的众数的量值 作为顶量值和底量值 在底部与顶部持续时间较长的情况 这种方法和密度分布统计平均法的测量结果十分接近 用目测观察测量所显示被测脉冲幅度时 使用密度分布众数法分析比较方便 密度分布统计平均法适合于取样统计计算的场合 在大部分的数字示波器里采用密度分布统计平均法计算脉冲幅度值 第四节脉冲信号的频谱分析 脉冲信号的频谱是指在频域中观察脉冲信号 测量脉冲信号包含的频率分量的幅度分布情况 了解常见脉冲波形的频谱分析结果 从而深入理解脉冲在传输或变换中的各种特性和现象 有助于提高时域测量的准确度 一 周期信号的频谱分析 用傅立叶分析方法 可以把任意一个周期信号分解为许多频率 幅度 相位不同的正弦波 余弦波 这些正弦波 余弦波的频率必定是基波频率f0的整数倍 基频信号f0称为基波 nf0的信号称为n次谐波 任何一个周期信号都可以展开成三角函数组合的无穷级数 称为傅立叶级数 设周期函数为f t 其重复周期为T 角频率为 0 2 T 则f t 可展开为傅立叶级数 在表达式中 是周期信号的基波分量 是三次谐波分量 是五次谐波分量 当然还有七次 九次谐波等更高次谐波分量 一 周期信号的频谱分析 对称方波的傅立叶级数的数学表达式为 式中 U0 方波振幅 单位为V 0 基波角度频率 单位为rad 一 周期信号的频谱分析 也可以将基波 三次谐波 五次谐波等各次奇谐波叠加成为一个对称方波 一 周期信号的频谱分析 a 中叠加波形的过渡时间大于b 中叠加波形的过渡时间 叠加波形中所含谐波次数越高 脉冲的过渡时间愈短 当然所占带宽就愈宽 被传输脉冲波形的过渡时间越短 则要求传输网络的频带宽度越宽 基波和三 五 七 九次谐波叠加产生的脉冲波形 第五节脉冲参数间的转换关系 一 脉冲上升时间与频带宽度在脉冲信号的分析中 信号的上升时间与频带宽度有一定的对应关系 脉冲上升时间愈短 包含的频谱分量愈丰富 谐波次数愈高 对应的频带宽度愈宽 一般情况脉冲的上升时间与频带宽度对应关系如下式 当频率响应特性为RC积分网络时k 0 35 当频率响应特性为高斯型响应网络时k 0 34 通常在实际应用中 模拟示波器中的放大器一般可认为是RC积分网络 第五节脉冲参数间的转换关系 二 脉冲信号通过级联网络上升时间的合成脉冲信号上升时间的测量结果与通过脉冲信号的部分存在一种级联关系 当阶跃信号通过n个级联脉冲响应网络时 其总的脉冲响应 上升时间 式中 tr 脉冲通过n个级联网络后的上升时间 单位为s tri 第i个网络的响应时间 单位为s 第五节脉冲参数间的转换关系 当n个网络具有相同脉冲响应时 其单个网络上升时间为tf 则级连网络的上升时间 一般激励信号是一个有一定上升时间的快沿脉冲 可以认为此脉冲是由理想阶跃脉冲通过具有相同上升时间的网络而形成的 三 上升时间测量时的误差修正在脉冲上升时间测量时 由于测量系统带宽的限制 使测得结果产生误差 如用示波器测量某脉冲上升时间 由屏幕上读出上升时间为 式中 tro 屏幕上观察到的上升时间 单位为s trp 被测脉冲真实的上升时间 单位为s trs 示波器自身的建立时间 单位为s 第五节脉冲参数间的转换关系 示波器测量脉冲上升时间不加修正引入多大的误差 设n为被测脉冲上升时间与示波器建立时间之比 倍数 则 相对误差 n取不同值时 如果不进行修正 测量误差值如下表中所列 第五节脉冲参数间的转换关系 取不同n值时的测量误差值n123456789 t trp 41 411 85 43 0821 3810 780 62 从计算结果看 除非所使用的示波器建立时间远小于被测脉冲上升时间 否则应按下式修正 在一般的测量中 要求示波器的建立时间应小于被测脉冲上升时间的1 3 此时测量误差为5 4 第五节脉冲参数间的转换关系 四 下垂量与低频截止频率的关系显示波形出现下垂的原因可能是 示波器输入耦合为交流方式 示波器瞬态响应特性不良 输入耦合为交流方式引起的波形下垂 式中 td 脉冲持续时间 单位为s f 3db 低频截止频率 单位为Hz sd 脉冲持续时间为td时的百分比下垂量 第五节脉冲参数间的转换关系 例 示波器输入耦合方式置ac耦合 输入持续时间为1ms的矩型脉冲 下垂量6 3 示波器低频截止频率f 3dB由下式求出 即示波器低频截止频率f 3dB等于10Hz 第五节脉冲参数间的转换关系 五 脉冲波形上冲与网络稳态特性关系网络频带宽度与其对传输脉冲信号的建立时间有一对应关系 用快沿脉冲来研究示波器的垂直通道传输特性 可以分析出脉冲波形上冲与传输网络稳态特性的关系 脉冲信号通过具有不同稳态频率特性网络时的响应结果不同 当网络响应特性为高斯形状时 不产生失真 只引起脉冲前沿变慢 在示波器垂直放大器中 频带达不到要求时 可用高频补偿来扩展放大器通频带 当补偿过度引起通频带内高端增益过大时 出现下图所示情况 第五节脉冲参数间的转换关系 第五节脉冲参数间的转换关系 脉冲幅度的定义是什么 脉冲波形参数主要有几项 脉冲上升时间 下降时间的定义是什么 脉冲宽度的定义是什么 脉冲上升时间与频带宽度之间的关系 如何对上升时间测量结果进行修正 思考题 第二章示波器的基本原理 无线电电子学中的信号大都是时间变量 可以用时间函数来描述 示波器是用来记录和描述时间函数电信号 将一给定时间内所发生的物理现象表现为可见图象的一种装置 第一节示波器的发展与分类 一 示波器的发展示波器是综合性电信号特性测量仪器 能测量信号的幅度 也能样测量信号的周期 频率和相位 而且还能测量调制信号参数 特别适用于测量快速脉冲信号 配有高增益放大器 录敏度高 可观测微弱信号 配有宽频带输入衰减器 具有观测信号的幅度范围大 过载能力强 输入阻抗高等特点 利用它的显示技术能组成各种专用测量仪器 如晶体管特性图示仪 阻抗图示仪 频率特性测量仪 自动网络分析仪等 还可以通过各种传感器来测量各种非电量参数 一 示波器的发展 示波器在脉冲测量技术中是应用最广泛的观测仪器 示波器发展到今天已有100多年的历史 1958年电子管示波器的带宽已达到了100MHz 60年代进入了晶体管示波器阶段 1969年 模拟示波器带宽到300MHz 取样示波器带宽到18GHz 70年代开始了集成化示波器阶段 集成化电路技术使示波器的小型化 高性能 高可靠性成为可能 1971年微处理器诞生 出现了初期智能化的示波器 某些参数可以由数字显示 1971年模拟示波器带宽已达到500MHz 1979年达到了1GHz 1972年 出现了第一台数字存贮示波器 随后数字存贮示波器发展极其快速 取样率由开始的每秒数十兆点 发展到20Gsa s 实时频带宽度达到6GHz 目前 取样率发展到40Gsa s 实时频带宽度达到13GHz 一 示波器的发展 二 示波器的分类 一 模拟示波器中低档模拟示波器带宽在100MHz以下 高档其带宽可达1GHz 带宽受放大电路与显像管制造技术的限制 二 取样示波器出现在1969年 带宽达到18GHz 只能测量重复信号 应用范围受限制 由于触发不稳 观测信号不方便 稳定性差 目前采用了数字取样技术 响应时间可以达到皮秒量级 功能有了很大增强 带宽已达到50GHz 三 高灵敏度示波器属于模拟示波器 特点 频带宽度较窄 通常为1MHz 垂直偏转因数可到10 V div 可以观测微弱低频信号 输入端采用差分输入 可以避免大幅度共模信号干扰 对于医学 生物学研究是很有用的测量设备 四 记忆示波器借助记忆示波管及有关电路实现波形记忆的示波器 主要用于记录单次瞬变信号 二 示波器的分类 五 数字存贮示波器 数字示波器 数字存贮示波器采用数字电路实现波形存贮 利用A D变换器把模拟信号变换为数字信号 存贮于半导体存贮器中 经过变换 在屏幕上重新建立波形显示 数字存贮示波器与模拟示波器相比有极其明显的优点和更广泛的用途 其一问世就以每年超过百分之二十的增长速度发展 目前 已在很大程度上取代了模拟示波器 二 示波器的分类 数字存贮示波器有如下特点 1 可长期存贮波形2 可以实现 无限余辉 显示 3 可以自动进行多种波形参数的自动测量与处理 4 有多种灵活的触发方式 如前置触发 后触发 字触发 状态触发 宽度触发 毛刺触发等等 5 可与计算机联机进行采集信号的数字处理 如频谱分析 误差计算等等 6 可以对显示波形用打印机或绘图仪硬考贝 7 省去价格昂贵的高频显像管 示波器频带宽度不断提高 价格大幅度下降 二 示波器的分类 六 特种示波器特种示波器是满足特殊用途或具有特殊装置的专用示波器 矢量示波器高压示波器逻辑示波器 二 示波器的分类 第二节示波器计量参数介绍 一 与误差有关的参数 一 垂直偏转因数误差示波器垂直偏转因数所给出的允许误差限 u 由下式给出 式中 Ki 平均偏转因数 即在80 的检验工作面内输入电压与偏转高度之比 单位为V div K0 偏转因数的额定值 单位为V div 一 与误差有关的参数 二 时间因数误差示波器给出的时间因数允许误差限 其中 Kt 平均时间因数 即扫描光点移动时间与对应长度之比 单位为s div Kto 时间因数的额定值 单位为s div 3 扫描线性误差在检验工作面的80 内所测得的平均时间偏转因数与两边缘10 区域内任一端所测得的平均偏转时间因数所产生的相对误差 tc 由下式求取两者较大者 或其中 Ka 80 检验工作面内实测平均时间偏转因数 单位为s div Kb 检验工作面内左边10 边缘处的实测平均时间偏转因数 单位为s div Kc 检验工作面内右边10 边缘处的实测平均时间因数 单位为s div 一 与误差有关的参数 一 垂直 水平 偏转水平 垂直 系统处于可工作状态 当信号输入到垂直 水平 输入端时 光点的偏移 1 垂直 水平 偏转因数所加电压与由此电压产生的垂直 水平 偏转的长度之比 2 垂直 水平 偏转扩展一般为提高放大器增益使示波器的显示屏上所显示信号被放大 如垂直偏转扩展 5时 原来1V div变成了200mV div 则波形的幅度显示增大了5倍 扫描 水平 扩展则使得水平扫速加快 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 二 光点位置的不稳定性漂移 使光点随时间缓慢和连续的偏移长期漂移 光点在1h内的最大偏移短期漂移 在1小时总的记录时间内 光点在最不利的1分钟内最大漂移周期漂移 由于各种原因引起的周期哼声 纹波等性质的不希望的偏移 当无信号时它显示在屏幕上 有信号时它叠加在输入信号的显示上 零点偏移 不加信号时 由于特定影响量的变化 所产生光点或光迹的移动 零点偏移通常不是瞬时的 偏移量的最大值 应在规定时间间隔内测定 噪声 随机偏移 由于各种原因引起电子不规则随机运动现象 通常以它的幅度换算成输入等效电压的峰峰值表示 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 三 稳态特性1 频率响应不平坦度当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时 在屏幕上所显示的幅度是随频率变化的函数 通常以其所显示幅度的最小值与最大值之比来表示 通常用dB表示 f 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 2 频带宽度示波器输入不同频率的等幅正弦信号时 屏幕上显示的幅度随频率变化 当显示幅度与基准频率显示幅度相比下跌3dB时 此时的频率称为上 下 限频率 其下限到上限频率的范围称为频带宽度 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 四 瞬态响应 1 上升时间示波器屏幕上显示的阶跃信号波形从脉冲幅度的10 到90 所经历的时间间隔 通常以tr表示 2 上冲屏幕上显示的矩形脉冲信号 前沿部分高于脉冲幅度平顶的最大值b与脉冲幅度A的百分比 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 3 衰减振荡 阻尼振荡 屏幕上显示的矩形脉冲信号 在10tr时间内 除上冲外 衰减振荡的最大幅度C1或C2 取二者较大者 与脉冲幅度A的百分比 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 4 直流特性 对频率响应从直流开始的示波器 检验放大器直流增益的热过渡特性 当输入直流电平由零电平突然到达一个新的稳定状态后 其幅值的偏移g或h与稳定后的幅值A的百分比 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 五 其它1 通道隔离度用于确定示波器任意两通道间相互影响的一个量 用下式表示通道隔离度I 式中 K1 干扰通道的偏转因数 单位为V div K2 被干扰通道的偏转因数 单位为V div A1 干扰通道的显示幅度格数 单位为div A2 被干扰通道的显示幅度格数 单位为div 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 2 通道延迟时间差当相同信号加于多踪示波器任意两输入端时 它的两个显示波形之间的时间差3 X Y相位差当相同相位信号加于具有X Y显示的示波器两输入端时 屏幕上显示的相位差 它是一个与频率有关的量值 二 与垂直 水平 偏转有关的参数 4 共模抑制比把一电压加于示波器的两个差分输入端之间测得的某一偏转量高度 再将一电压加于示波器两输入端 两输入端并接后与接地点之间测得同一偏转高度 第二次与第一次输入电压之比 即为共模抑制比 测量方法 在单端加一个小电压 测得一高度为a 然后将示波器的两输入端短路 加一个信号使其在屏幕显示的高度也为a 这时二个输入电压之比 即为共模抑制比 5 视在信号延迟时间 td 从扫描出现的瞬间到信号轨迹达到脉冲幅度10 所经过的时间 1 时基电路能使光点随时间位移的电路 由时基产生的光点的位移称为扫描 2 释抑电路是时基电路的一部分 作用是使光点恢复到原有静止位置 电路完全恢复以前 防止被重新触发扫描 3 扫描时间因数光点在X轴方向移动单位长度所需要的时间 4 双时基工作状态指延迟扫描和被延迟扫描同时工作的示波器工作状态 5 延迟扫描电路在双时基电路中 除能单独工作外还可用来产生延迟扫描的电路 三 与时基有关的参数 1 触发是一种触发扫描的工作方式 能使每次扫描开始时均对应于被观测信号上予定电平点而获得稳定显示 2 触发值 触发灵敏度 使图象获得稳定显示所需的触发同步信号最小数值 3 触发同步频率范围在规定的触发同步电压值下 可获得稳定显示的工作频率范围 4 时基晃动所显示波形的位置 或它的一部分 平行于扫描方向的一种抖动5 扫描延迟晃动比在采用延迟扫描和被延迟扫描电路中 表示被延迟扫描的晃动和扫描延迟时间之比 四 与显示有关的参数 五 与取样示波器有关的参数 1 顺序取样取样点在时间上相对于触发识别点是依次滞后的 提前的 一种取样过程 2 随机取样信号与取样动作之间有显著的时间间隔不确定性 用这种随机取样构成相关显示过程 五 与取样示波器有关的参数 3 等效时间取样在输入信号的被显示部分出现时 取出一个取样点的过程 其扫描的实际持续时间等于输入信号重复若干次所需的时间 4 等效时间与等效时间取样过程所形成的显示相对应的时间刻度 5 实时取样在输入信号被显示部分每出现一次时 能取出一个以上取样点的取样过程 6 实时与实时取样过程所形成的显示相对应的时间刻度 六 数字存储示波器的有关参数 1 数字化速率 取样速率 单位时间内对模拟输入信号的取样次数 常用MSa s 兆取样点 秒 表示 现在用GSa s表示 2 变换时间数字化速率的倒数 3 记录长度表示数字存储示波器存储信号的容量 一般习惯上表示为为103 4 103 3 104等 4 垂直分辨力一般指所使用的A D变换器的位数 bit 一般有8位 10位 12位不等 六 数字存储示波器的有关参数 5 水平分辨力是取样速率和记录长度的函数 常以每格的点数 点 格 表示 6 存储带宽 1 有效存储带宽在所采用的取样速率条件下进行实时取样时 利用最少的显示点数能够测量的最大带宽 2 等效存储带宽对于被取样的重复信号 采用取样技术 所能达到的带宽叫等效存储带宽 六 数字存储示波器的有关参数 7 滚动显示滚动显示是数字存储示波器观察慢信号时特有的工作方式 显示时最新数据连续不断地从屏幕右边推出 8 奈奎斯特频率定义为输入到A D变换器的被抽样输入信号的最高频率分量的两倍 低于此频率的输入信号经取样后能再现原波形 而高于此频率的输入信号则不能再现原波形 9 混迭当输入到A D变换器的被抽样输入信号的高频分量高于奈奎斯特频率时 会出现输入信号和取样频率的差拍波形 而不是原来的波形 第三节模拟示波器的组成及工作原理 模拟示波器的基本结构可分为三大部分 主机 显示部分 高低压电源 垂直 Y 偏转系统水平 X 偏转系统 第三节模拟示波器的组成及工作原理 一 模拟示波器的垂直通道 重直偏转系统 垂直通道 简称Y通道 是被测信号的主要传输通道 它使显示的Y轴坐标正比于信号的瞬时值 Y通道同时提供一个内触发信号 使锯齿扫描信号与被测信号同步 Y通道主要包括 输入电路 输入衰减器等 前置放大器 延迟线 后置放大器 又称输出放大器 内触发放大器等 Y通道必须有足够的频带宽度 带内频响应基本平坦 下限频率最好能扩展到直流 以便能观察速度很慢的信号 带内的相位 频率特性尽可能是线性的 以保证低的相位失真 常用时域瞬态特性来表征Y通道的性能 它应有足够小的脉冲响应时间 上冲应小于2 5 输入衰减器的作用是压缩输入信号幅度变化范围 以使前置放大器工作在正常电压范围内 调节衰减器则改变示波器的偏转因数 衰减器的基本要求是要有足够的调节范围和宽频带 准确的分压系数 高而恒定的输入阻抗 示波器的输入衰减器大都采用电阻 电容补偿式衰减器 一 输入衰减器 一 输入衰减器 衰减器的分压比在直流或低频时为电阻分压 当交流信号的频率很高时 分压比趋于电容分压 一 输入衰减器 当在低频或直流的电阻分压比和高频时的电容分压比相等时 输入衰减器有平坦的频率响应 此时分压比与输入频率无关 R1C1 R2C2 是衰减器实现最佳补偿的条件 当输入为矩形方波时 可以获得最佳补偿 使输出波形不失真 一 输入衰减器 当R1C1 R2C2时 出现过补偿 R1C1 R2C2时 出现欠补偿 如图所示 一 输入衰减器 模拟示波器最主要的用途是无失真地在屏幕上显示信号幅度与时间的函数关系 基本的水平通道系统应由触发电路 扫描电路和水平放大器等组成 二 模拟示波器的水平通道 触发电路包括触发输入耦合电路 触发放大器 触发整形电路 它提供一个受控的脉冲去启动扫描电路 1 触发方式选择触发方式可由控制开关选择 分为内触发 外触发 电源触发等 2 触发信号耦合方式选择触发信号可以通过 直流 DC 交流 AC 低频抑制 LFREJ 高频抑制 HFREJ 等耦合方式加到触发输入放大 整形电路 一 触发电路 3 触发极性和触发电平触发脉冲决定了扫描的起点 与之对应的是触发输入放大器输出电压的瞬时值 即触发电路的触发电平 为了任意选择被显示信号的起始点 应在触发电路中设置两种控制 其一是调节触发点的电平 其二是改变触发极性 所谓触发极性 有时也称触发斜率 是指触发信号的上升沿或下降沿 前者为正极性 后者为负极性 它和触发电平组合调节可获得下面几种工作状态 一 触发电路 调节触发电平 改变触发极性 触发点就会发生变化 这时扫描起点不同 屏幕上显示的波形也就不同 一 触发电路 4 触发方式触发方式通常有常态 自动和高频三种 常态触发 在有触发信号并且产生有效触发时 扫描发生器才工作 屏幕上才有扫描线 通过触发极性和触发电平的调节 可以任意地选择触发点 自动触发 就是无触发输入信号时 扫描系统仍然有扫描输出 屏幕上仍能显示扫描线 而当系统中加入触发信号时又能进行触发扫描 高频触发 一般为自动工作方式 整形电路工作于高频率的自激状态 可用高频触发信号去同步 一 触发电路 第四节数字存储示波器 模拟示波器的功能由数字存储示波器可以完全实现 数字存储示波器具有许多模拟示波器所不具备的先进性能 都带有微处理器 可对仪器内部工作状态进行管理 并可以对采集波形的数字化信息进行运算 处理 分析加工 在屏幕上显示测量波形 计算测量结果 可以进行程控操作获取信息 通过RS232 GP IB等各种形式接口将所获取的信息送到计算机或其他外设进行分析处理 数字存储示波器的使用更加方便 灵活 容易组成自动测量系统 一 数字存储示波器的取样存储原理 1 实时取样取样点是通过响应示波器的一次触发而获得的 一次触发采集可完成一个波形的全部取样点 当数字示波器工作在实时方式或单次模式时 它的取样方式均为实时取样 一 数字存储示波器的取样存储原理 2 非实时取样非实时取样也称等效时间取样 示波器经过多个触发脉冲采集所需数量的取样点 数字存储示波器用等效时间取样时 它可以捕获示波器模拟带宽内的任何信号而与取样率无关 要求输入信号必须是重复的 非实时取样与实时取样的区别 非实时取样不是在一个信号周期内完成取样的全部过程 取样点取自若干个信号波形的不同位置 即每个信号周期取样一次 取样信号每次延迟 t 每次延迟的时间 t不同时 称为 随机取样 每次延迟的时间 t是固定值时 称为 顺序取样 一 数字存储示波器的取样存储原理 一 数字存储示波器的取样存储原理 数字存储示波器由以下几部分组成 CRT显示部分采集电路输入电路A D变换器 D A变换器I O电路 GP IB控制接口CPU控制硬拷贝 串行通讯接口等 一 数字存储示波器工作原理 一 数字存储示波器工作原理 1 极好的频带宽度模拟示波器频带宽度最高为1GHz 数字示波器的实时带宽已达13GHz 数字取样示波器带宽高达70GHz 2 可以长期存储波形存储波形可以长期保存 数字示波器还有软驱 可以将信号存入磁盘 送到计算机处理 送入打印机 绘图仪进行硬拷贝 3 极好的信号处理能力利用现代的数字信号处理技术 对存储器中的信号进行计算分析处理 例如 最大值的获取 平均值的计算 直接给出的上升时间 下降时间 显示包络 进行多次信号的平均计算等 还可以对信号进行FFT分析 可以在示波器上形成信号的频谱图形 数字存储示波器特点 4 极高的显示置信度数字示波器借助高速的A D变换器 将数据采集下来 存在存储器中可观察到显示波形中的噪声与晃动 5 具有极强的触发功能数字示波器可以进行前置触发 予触发 后置触发 POSTTRIG 信号中部触发 MIDTRIG 图形触发 字触发 事件延迟触发 RUNT脉冲触发等方式 6 测量准确度高扫描速率指标可以达到0 001 不存在扫描线性误差 水平分辨力可达到12bit 4096 点 甚至更高 一般A D变换是8位 采用多次平均技术显示时 垂直分辨力可达到12bit以上 远远超过了模拟示波器 数字存储示波器特点 1 最高取样速率反映了示波器在单位时间内能够进行多少次取样变换的能力 取样速率的高低和示波器捕捉信号能力有直接关系 一般受到A D变换器的转换速率限制 采用不同的A D变换技术 最高取样速率会有所区别 扫描时间为 t div 时 取样速率 fs 的计算公式为 式中 n 每格的取样点数 单位为Sa T 每格的时间 单位为s 例如 扫描时间为10 s div 每格取样点数为400个 则取样速率为40MSa s 一 数字存储示波器技术特性 测量分辨力是数字示波器对被存储的信号波形细节分析能力的评价 包括电压测量分辨力 垂直分辨力 时间测量分辨力 或水平分辨力 1 垂直分辨力垂直 电压 分辨力是指一个取样点的模拟量所对应的二进制数字的位数 反映了对信号所能识别的电压细节的大小 A D变换器位数决定分辨力高低 例如一个八位的A D变换器 垂直方向上可分成256个电平级别 电压的分辨力为1 256 0 391 2 测量分辨力 用A D的位数去除输入信号幅度可以得到一个理论上的电压分辨力 例如 峰峰值为1V的信号 A D变换器为6位 则测量电压的增量为 15 9mV是最高有效位分辨力 一般在测量电压时的分辨力D可以按下式给出 A D变换器的位数并不是决定分辨力的唯一因素 提高A D变换器的位数也并不一定能得到更高的垂直分辨力 数字存储示波器能达到的分辨力与A D变换器的孔径时间 机内噪声电平 线性度及被测信号电平的高低等有关 2 测量分辨力 例如 一个12位的A D变换器 理论分辨力均为1 4096 当示波器设置为10V div时 可以分辨的最小电压是2 44mV 如果设置到10mV div时 可以分辨的最小电压应该是2 44 V 若在这时内部噪声电平为8个最小量化单位 即8 2 44 V 19 52 V 它会淹没小于它的信号分量 即小于8 1 4096 1 512的信号无法分辨 也就是说此时实际分辨力只有1 512 相当于一个9位A D变换器的理论分辨力 利用对信号平均处理技术 提高实际的分辨力 一般数字示波器垂直分辨力为8bit即1 256 约为0 4 经示波器内部对信号多次平均处理 垂直分辨力可达14bit 约为0 03 2 测量分辨力 2 水平分辨力水平分辨力表示模拟信号在时间坐标轴上的分辨能力 以位数或每格的显示点数 相邻数据点的时间间隔等表示 它由存储器容量和取样速率决定 如1字节的存储容量为1024个字 水平分级数为1024 相当于10位的分辨力 若水平方向为10div 则分辨力为1024 10 102 4点 格 此指标也反映了水平方向对信号划分细微的程度 增加数字示波器的记录长度可以提高水平分辨力 数字示波器的水平分辨力还受到取样速率限制 2 测量分辨力 在模拟示波器中 水平分辨力取决于屏幕的尺寸及电子束光点的大小与形状 一般可以分辨的光点为一格的1 25到1 50 且能分辨半根光迹宽度 按水平10格计算 水平分辨力为1 500至1 1000 这是指理想情况 但实际上很难达到 数字示波器水平分辨力由存入存贮器的数据个数和测量时间增量大小决定 数字示波器有10k以上的存贮量 水平分辨力比一般模拟示波器高很多 但如果用单次数据采集方式 不用光标和扩展测量功能 则所得到的水平分辨力 也会受到限制 达不到所应达到的水平分辨力 2 测量分辨力 幅度测量误差来源 a 放大器直流增益误差b A D变换器的分辨力c 线性度与噪声 3 幅度测量误差 例如 一台数字示波器技术指标 直流增益误差为满度的0 25 分辨力为满度的0 025 线性度为0 1 噪声为满度值的0 02 假设输入信号直流为2V 在1V div档显示 满度值为10V 最大测量误差 V为 V 0 0025 10V 0 00025 10V 0 001 2V 0 0002 10V 37 5mV最大相对误差 如果输入信号仍为2V 垂直偏转改为0 5V div 满度值为5V 电压测量误差约15mV 相对误差小于1 在测量信号电平时 一般应尽量使信号有较大的偏转格数 以减小幅度测量误差 3 幅度测量误差 这里讨论的只是从数字示波器原理上引起的定时测量误差例如 某一台数字示波器给出的技术指标 时间间隔测量误差 实时取样 0 2 取样间隔 0 007 时标 等效取样 30ps 0 007 时标 这里没有考虑数字示波器实际测量引起的某些误差 如频带宽度引起的上升时间变化 触发电平误差等 数字示波器时间测量误差取决于在输入信号上的取样点数 如果没有内插器 最小取样间隔限制了分辨力 采用内插技术可以提高分辨力 4 时间测量误差 测时误差还取决于被测信号的类型及内插的种类 测量脉冲信号的时间间隔 宽度等 最好选用线性内插显示方式 这种内插工作方式引起的测量误差可以很小 如在输入信号的上升时间上取样三个点 采用线性内插工作方式测量 其测量误差优于当时取样间隔时间的 5 这样当屏幕上显示波形有500个数据点时 测时最大允许误差为满度值的 0 01 测量正弦波周期或相位 应选用正弦内插工作方式 在每周输入信号上取样2 5次 就可以精确的显示出不失真的正弦信号 采用正弦内插工作方式减小了测时误差 最佳情况测时误差优于点取样间隔时间的 0 5 对于具有500个数据点的显示 误差为满刻度值的 0 001 4 时间测量误差 频带宽度用来描述一个数字存贮示波器显示正弦波的能力 在点显示方式下 显示一个正弦波信号至少应有25个取样点 用下式给出采用点显示方式下的有效存贮带宽 内插的作用是在原始取样点之间增加数据字 采用线性内插时 在所有数据之间按矢量连接 但仍存在包络误差 对于线性内插器 有效存贮带宽用下式表示 5 数字示波器的频带宽度 为了进一步改善观测正弦波的能力 采用正弦内插显示方式 有效带宽表示公式如下 高取样率数字示波器规定的带宽 与取样率无关 它只是受到数字示波器输入端电路及滤波器的限制 不考虑取样率对带宽的的影响 如TDS684B数字示波器 取样率5GHz 带宽1GHz 这时取样率已高于1GHz带宽时的正弦内插2 5个取样点的要求 5 数字示波器的频带宽度 前面讲过 模拟示波器的上升时间与带宽的关系为 对于数字示波器 如果用线性内插来测量脉冲的上升时间 可能显示的上升时间从0 8到1 6取样间隔之间变化 这取决于取样点落在所测量脉冲上升时间的哪个部位 6 数字示波器上升时间 6 数字示波器上升时间 可以看出 最大测量误差是由取样点的所处位置决定的 数字示波器的有效上升时间tru定义为 tru 最小取样间隔 1 6例如 线性内插方式 100MHz最高取样率 最小取样间隔为10ns 用1 6乘以最小取样间隔10ns 有效上升时间为16ns 在正弦内插工作方式测量脉冲上升时间时 得到的测量结果可能会更快一些 但在输入阶跃上只有几个取样点时会引起预冲和过冲 6 数字示波器上升时间 数字示波器的有效上升时间与模拟示波器的上升时间不同 不能用有效上升时间和测量出的上升时间反推被测信号的上升时间 有效上升时间是测量时的最坏情况 实际测量时 根据取样点的位置不同 测量结果的误差也不同 与有效上升时间对应的有效带宽参数 数字示波器与模拟示波器也是不同的 模拟示波器的带宽与上升时间和示波器的扫速改变没有关系 数字示波器带宽与上升时间随扫速开关设置不同而变化 有效上升时间和有效带宽给出了一个数字示波器可捕捉最快信号的指标 有些数字示波器 取样率很高 其上升时间主要受示波器的前置放大器与滤波器限制 这与模拟示波器的上升时间相似 6 数字示波器上升时间 一般认为数字示波器存贮长度只关系到数据信号的记录长度 如果存贮长度大 能记录较长时间的信号波形 反之则记录信号波形的时间较短 实际上 数字示波器存贮长度与其某些工作特性有很重要的关系 它决定了数字示波器的单次信号取样频带宽度 水平放大倍数等等 所以存贮长度在数字示波器中是一个很重要的特性指标 选取合适的存贮长度 可以保证数字示波器工作在一个最佳状态 因此有必要对其有关问题进行了解 6 数字示波器存贮长度 a 存贮长度与取样率的关系 记录时间 取样速率及存贮长度有如下关系 记录时间 存贮长度 取样率记录时间 扫描速率 t div 10 水平显示有10个格 由上式得到 扫描速率 10 存贮长度 取样率由上式得到 取样率 存贮长度 扫描速率 10 可以看出当存贮长度不变时 扫描速度变慢时 取样率会相应减低 例如 一数字示波器存贮长度为1k 当扫描速率为50 s div时取样率 1000 50 s 10 2Msa s如果存贮长度增加至50k 扫描时间保持不变 则 取样率 50000 50 s 10 100Msa s可见 如二台数字示波器有相同的最高取样率 在同一扫速下工作 存贮长度大的示波器有更高的取样率 a 存贮长度与取样率的关系 数字示波器是在内部的前置放大器电路后 通过取样电路 模数变换器把被测信号变成一组离散的数据点 存入存贮器进行后续的数字处理与显示 进行模数转换时 根据奈奎斯特取样定理 采集速率必须高于被采集信号的最高频率的两倍以上 否则会产生混淆现象 实际数字示波器在取样时 取样速率一般不应小于5倍被测信号重复频率 特别是在对脉冲信号来说 希望有更多的取样点 以减小所显示的被测波形的失真 存贮长度会直接影响示波器的取样速率 也会间接影响频带宽度 比较长的存贮长度能保持比较宽的频带宽度 b 存贮长度与频带宽度的关系 数字示波器显示波形的放大扩展能力取决于对被测信号进行数字化后存贮的数据点数多少 例如 一台数字示波器存贮长度1k 如果屏幕水平显示分辨力为500点 那么对于显示波形来讲只能扩展二倍 如果勉强再扩展至5倍 水平分辨力变为200点 观察信号就会带来失真 影响观察与测量 当存贮长度增加到25k时 如果仍然维持500点的水平分辨力 那么可以对信号扩展50倍 而不影响显示波形的水平分辨力 由此看出 存贮长度越大 显示波形的扩展能力越强 c 长的存贮长度可以提高波形的扩展显示能力 数字示波器大多有脉冲参数的自动测量功能 根据脉冲参数定义 在测量给出脉冲信号的各个参数之前 必须先测出脉冲的顶值 底值两个参数 以这二个值为依据再做其它参数测量计算 从理论上讲数据点越多 统计结果误差越小 如果数据点过少 则会因分辨力降低而影响统计结果的准确性 d 长的存贮长度可以提高脉冲波形的测量准确度 较长的存贮长度使得分段记录数据成为可能 这样可以灵活地将存储器分为多段 记录测量结果 即利用示波器的触发功能 对每一段存储器设定一个特定的触发条件 当满足对应的触发条件时 则在此段存储器中记录数据 e 数据存贮可分段进行 思考题 1 模拟示波器的输入衰减器电路形式是什么 画出在脉冲状态下几种不同补偿情况的波形图 2 何为示波器的水平 垂直 偏转扩展 3 决定数字存储示波器的垂直分辨力的因素有哪几项 4 数字示波器的存储长度指标对对测量信号有何影响 第三章示波器检定 示波器是无线电测量领域中应用极其广泛的一种测量仪器 使用示波器校准仪直接对示波器的各项技术指标进行计量检定 示波器校准仪是检定示波器主要技术指标的专用标准测量仪器 它产生的各种标准测量信号能满足检定示波器各项主要技术指标的要求 第一节示波器检定装置 一 示波器检定装置的特性1 标准幅度方波信号用于检定示波器的垂直偏转因数 幅度测量等项指标 方波频率可变 模拟示波器一般利用1kHz方波测量垂直偏转因数 2 标准直流信号用于检定数字示波器直流增益 直流偏置误差 幅度测量误差等 3 标准时标信号用于检定示波器的水平偏转因数 时间间隔测量误差 时标信号波形可以是方波 三角波 尖脉冲或正弦波 一 示波器检定装置的特性 4 快前沿脉冲用于检定示波器垂直系统瞬态响应 如上升时间 过冲等 对快沿脉冲的要求是上升时间小 尽可能小的波形失真 目前示波器校准仪快沿脉冲上升沿做到100ps左右 最快可达到25ps 5 稳幅正弦波信号用于检定示波器垂直系统稳态频响 内外触发 同步 特性 稳幅正弦波的频响特性一般应好于0 5dB 此外示波器校准仪还可以检定示波器的输入电阻与输入电容 产生其它的一些专用测量信号等 示波器校准仪大致可分为三种类型 第一类用于检定频带宽度100MHz以下的模拟示波器的校准仪 有国产SO3 SO3A SO4 NH4600 NF4608型 国外生产的192 6125B等型号的校准仪 第二类用于检定频带宽度350MHz以下模拟示波器的校准仪 有国产SO6 NH4601 NF4609 NH4602等型号 第三类是程控示波器校准仪 有国产NH4602 POC 1 POC 2等 国外生产的有6125C CG5001 CG5011 5500 5800 5820A 9500等 近期国外生产的示波器校准仪各项指标的准确度大大提高 测量功能增加 一 示波器检定装置的特性 示波器需要