《电子测量原理简明教程》课件-第5章 信号波形测量

《电子测量原理》

简明教程第五章1第五章信号波形的测量5.1概述 5.2模拟示波器 5.3数字存储示波器的原理与组成 5.4DSO的主要技术指标 5.5波形的采集 5.6波形的存储 5.7触发系统 5.8时基系统 5.9波形的显示与处理 25.1概述5.1.1波形测量与显示5.1.2

示波器分类 5.1.3

示波器的发展

35.1.1波形测量1）信号波形在电子科学技术领域中，是指各种以电参数作为时间函数的图形。2）信号波形测量信号波形测量正是对电信号与时间的函数关系进行测量。信号波形测量亦称为信号的时域测量。4示波器的组成5示波器的组成1）Y（垂直）通道:由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。2）X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波，作为波形测量的时基。3）显示器：主要由阴极射线管CRT组成，通常称为示波管。当前，以光点或光栅方式构成的显示屏早期主要采用示波管，目前平板显示屏尤其是液晶显示屏（LCD）已广泛应用于示波器。65.1.2示波器分类1）模拟示波器:模拟示波器的X、Y通道对时间与幅度的信号的处理均由模拟电路完成，而CRT屏上的图形显示也是光点连续运动的结果，即显示方式也是模拟的。模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。75.1.2示波器分类2）数字示波器:20世纪80年代示波器引入了数字技术和微处理器，出现了数字示波器。数字示波器将模拟输入信号经由A/D转换器数字化后，变换为数字信号，存储于半导体存储器，然后，经由D/A转换器在屏幕上再重建波形显示。它具有存储被观察信号的功能，可以用来观察单次信号和非周期信号，又称为数字存储示波器（DigitalStorageOscilloscope,DSO）。85.1.3示波器的发展示波器的发展过程大致可分为以下几个阶段：1）20世纪30~50年代是模拟示波器的诞生和实用化阶段。2）20世纪60年代是示波器技术水平不断提高的阶段。3）20世纪70年代以后随着半导体集成电路技术的发展，模拟示波器指标进一步提高和数字化示波器诞生和发展阶段。4）20世纪80~90年代，数字技术的发展和微处理器的应用，对示波器的发展产生了重大的影响。5）近年来，电子技术日新月异，新一代数字示波器技术已不可同日而语。95.2模拟示波器5.2.1波形显示器件—CRT（阴极射线管）电子枪、偏转系统、荧光屏5.2.2CRT波形显示的基本原理波形显示与X-Y图形显示、扫描与同步、连续扫描和触发扫描、扫描的增辉和回扫的消隐105.2.1波形显示器件—CRT阴极射线示波管CRT是示波器的核心组成部分，用来将电信号变换为光信号而实现波形显示。CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，它们都被封装在真空的密闭玻璃壳内本节将介绍这三个特征参量的定义，以及它们之间的关系。111）电子枪电子枪用来发射电子并形成很细的高速电子束。它主要由灯丝F、阴极K、控制栅极G、第一阳极A1、第二阳极A2和后加速阳极A3组成。阴极是一个表面涂有金属氧化物的金属圆筒，在灯丝的加热下，阴极散射出大量游离电子。122）偏转系统偏转系统的作用是：扫描电压、被测信号加到X、Y偏转板上时，各自在X、Y偏转板间形成偏转电场，分别使电子束产生在X、Y方向上的位移，由此确定出亮点在荧光屏上的位置。偏转系统位于第二阳极之后，由两对相互垂直的X（水平）、Y（垂直）偏转板组成，分别控制电子束水平方向和垂直方向的位移，偏转的距离分别与加在偏转板上的电压大小成正比，该特性称为阴极射线示波管的线性偏转特性。133）荧光屏荧光屏内壁涂有荧光物质（磷光质），外壁则是玻璃管壳。当荧光物受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光，并维持一定的时间，该现象称为荧光物质的余辉现象。为了进行定量测试，一般在荧光屏内壁预先沉积一个透明刻度，称为内刻度；或在屏外安置标有刻度的透明塑料板，称为外刻度。刻度区域通常为一个矩形，称为测量窗或显示窗。其宽×高尺寸一般为10Div×8Div，一般1Div（Division，格）=1cm。145.2.2CRT波形显示的基本原理在电子枪中，电子运动经过聚焦形成电子束，电子束通过垂直和水平偏转板打到荧光屏上产生亮点，亮点在荧光屏上垂直或水平方向偏转的距离，正比于加在垂直或水平偏转板上的电压，即亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。CRT显示图形或波形的原理是基于电子与电场之间的相互作用的原理进行的。根据这个原理，示波器可显示随时间变化的信号波形和显示任意两个变量X与Y的关系图形。151）波形显示与X-Y图形显示显示随时间变化的波形电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，设X和Y偏转板之间的电压分别为UX和UY，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况。（1）UX、UY为固定电压的情况（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（3）Y偏转板加正弦信号电压，X偏转板加锯齿波电压X-Y图形显示16（1）UX、UY为固定电压的情况当水平和垂直偏转板上加固定电压UX、UY时，根据两电压的矢量合成，荧光屏上将显示为一个光点。17（2）X、Y偏转板上分别加变化电压下图表示水平和垂直偏转板上分别加变化电压，其中，左图为uX=0、uY=Umsinωt，光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段（并不出现正弦波）。右图为uX=kt、uY=0，电子束将在水平方向受锯齿波电场作用，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的是一条水平线段（并不出现锯齿波）。18（3）Y偏转板加正弦信号电压，X偏转板加锯齿波电压X、Y偏转板同时加上周期性的锯齿波和正弦波电压，并假设两者的周期相同（图中只画出了一个周期的波形），即Tx=Ty，则电子束在两个电压的同时作用下，在水平和垂直方向同时产生位移，依次描出各光点，光点轨迹即为一个周期的正弦波形曲线。在信号的第二、第三个周期等又将重复第一个周期的情形，光点在荧光屏上描出的轨迹也将重叠在第一次描出的轨迹上，因此，荧光屏显示的是正弦波信号随时间变化的稳定波形。而且，由于CRT显示管的特性，只有当被测的正弦信号和锯齿波扫描电压周期性地不断重复时，荧光屏上才能持续而稳定地显示出被测信号的波形。19（3）Y偏转板加正弦信号电压，X偏转板加锯齿波电压202）扫描与同步（1）扫描的概念当Y偏转板上不加信号电压，如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的周期性电压，即加上一个周期性的锯齿波电压，当锯齿波电压达到最大值时，荧光屏上的光点也达到最大偏转（即屏幕最右端），然后锯齿波电压迅速返回起始点，光点也迅速返回屏幕最左端，再重复前面的变化。光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”（2）同步的概念当（n为正整数）时，满足同步条件。当（n为正整数）时，不满足同步条件。21（1）扫描的概念如上所述，当Y偏转板上不加信号电压，如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的周期性电压，即加上一个周期性的锯齿波电压

（k为常数，周期T），那么光点在X方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为式中，x为X方向的偏转距离，Sx为比例系数，称为示波管的X轴偏转灵敏度（单位为cm/V）；hx为比例系数（单位为cm/s），即光点移动的速度。这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。22（2）同步的概念1）当

（n为正整数）时，满足同步条件。荧光屏上要显示稳定的波形，就要求每个扫描周期所显示的信号波形在荧光屏上完全重合，即曲线形状相同，并有同一个起点。在前述的显示随时间变化的波形的第（3）种情况分析中，

，荧光屏上稳定显示了信号一个周期的波形。现假设

，其波形显示过程如图5-7所示，每个扫描正程在荧光屏上都能显示出完全重合的两个周期的被测信号波形。23（2）同步的概念2）当

（n为正整数）。即不满足同步关系时，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期的图形不重合，显示的波形是不稳定的。243）连续扫描和触发扫描（1）连续扫描前面所讨论的都是观察连续信号的情况，这时扫描电压是连续的，即扫描正程紧跟着回程，回程结束又开始新的正程，扫描是不间断的，这种扫描方式称为连续扫描。（2）触发扫描在测量此类脉冲时，控制扫描信号，只有在被测脉冲到来时才进行一次扫描过程，并显示出该脉冲；没有被测脉冲时，扫描发生器处于不扫描的等待工作状态。254）扫描的增辉和回扫的消隐扫描正程时显示被测信号的波形，要求在此期间增强波形的亮度，即增辉，可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性脉冲来实现增辉。假如在Y偏转板上加正弦电压，在扫描逆程时，电子束在向左移动的过程中会出现亮线，该亮线称为回扫线。在扫描休止时，电子束会在起始点位置出现一条垂直的亮线，该亮线称为休止线。如果不对回扫线和休止线进行消隐，而且扫描逆程电压为实际的非线性电压时，在荧光屏上显示的图形如图5-11所示，所以应对回扫线和休止线进行消隐。可以在控制栅极上叠加负极性脉冲或在阴极上叠加正极性脉冲来实现消隐。26CRT波形显示原理小结（1）示波管是电—光变换的显示器件，荧光物质的余辉现象是示波器能够连续显示波形的基础。（2）示波管的线性偏转特性是示波器显示不失真波形和测量有关参数的原理依据。（3）扫描是展开信号波形所必须的。为了获得不失真的时域波形，扫描正程电压必须是与时间成正比的周期性锯齿波。（4）被测信号必须是周期性信号，扫描必须反复进行，并且信号与扫描电压同步。（5）为了清晰显示出扫描正程其间的波形，需进行扫描正程的增辉及扫描回程和休止期的消隐。（6）为了保证每次扫描得到的波形能够在荧光屏上水平重合，扫描休止期是不可少的。5.2.3通用示波器的基本构成模拟示波器品种繁多，电路形式各异，本节主要讨论通用示波器。通用示波器基本组成方框图如下图所示，主要由三个部分组成：垂直（Y）通道、水平（X）通道和主机电路。285.2.3通用示波器的基本构成1.垂直（Y）通道（1）输入电路：该电路由信号输入交直流耦合开关、高阻输入衰减器、阻抗转换器等电路组成，具有灵敏度粗调、直流平衡等控制作用。（2）前置放大器：将y轴输入信号进行适当放大，将单端输入信号转换成推挽输出信号，并从中取出内触发信号的电路。具有灵敏度微调和校正，y轴位移等控制作用。（3）延迟线：使y轴输入的信号有一定的延迟时间，并使该延迟时间大于水平扫描引入的延迟时间，便于在屏幕上完整地观察和测量所显示脉冲波形的参数（如：前沿）。（4）后置放大器：将前级推挽信号放大到足够幅度，差动式地对称驱动示波管的垂直偏转板，使光点在屏幕垂直方向按信号幅度移动。295.2.3通用示波器的基本构成2.水平（X）通道（1）触发整形电路：将不同波形的输入触发信号转换成一定幅度的触发脉冲信号。它具有触发电平调节、触发极性转换、触发源、耦合方式及触发方式选择等控制作用。（2）扫描发生器：在对应y轴输入信号某一固定相位点的触发脉冲作用下，产生线性变化的锯齿波扫描电压和增辉脉冲。它具有扫描时间因数的粗细调节、稳定度等控制作用。（3）水平放大器：将扫描电压放大到足够幅度，差动式对称推动示波管的水平偏转板，使光点在屏幕水平方向偏转。它具有x位移和扩展等功能。305.2.3通用示波器的基本构成3.主机电路①低压电源：给示波器各电路提供各挡稳定的直流电压。②高压和显示电路：提供示波管正、负直流电压，以及辉度、聚焦和辅助聚焦调节等直流控制电压。③z轴电路：对扫描增辉脉冲信号进行放大，使屏幕上扫描正程期间显示的波形加亮，以便清晰地显示被测量的波形。④校准信号电路：它是机内的校准信号源。用来产生一个准确幅度和频率的信号（通常是对称方波），对y轴灵敏度、扫描时间因数或探极进行校正。315.3数字存储示波器原理的原理和组成5.3.1波形数字化的原理 数字存储示波器的原理框图 波形数字化测量的基本原理 5.3.2现代数字示波器的一般组成 5.3.3波形数字化测量的特点 32波形存储的意义各种电信号可归纳为两大类：一类是周期性重复信号，另一类是非周期和单次的信号。对于第一类信号，可以用模拟示波器（例如宽带示波器和取样示波器）观测；对于第二类信号，普通的模拟示波器是无法观测的。要观察单次和非周期性的信号，示波器必须具有波形存储的能力。实现模拟信号波形存储，技术上是比较困难的数字存储示波器将输入信号波形进行数字化，而后存入数字存储器中，可以对被测信号进行长期存储数字示波器的出现使传统示波器的功能发生了重大变革5.3.1波形数字化的原理1．数字存储示波器的基本组成主要由采集与存储、触发与时基、处理与显示三大部分组成。采集存储部分包括衰减及放大、采样保持及A/D转换、采样存储器等三部分。触发与时基部分包括触发与时基两部分，触发电路部分包括触发源选择、触发脉冲形成和触发方式设置等，时基电路部分包括采样脉冲产生、扫描时间因数（t/div）控制等。波形处理与显示包括波形处理、显示控制、波形再现电路（D/A）及显示屏等。34波形数字化测量原理波形数字测量包含模拟波形数字化处理、数字波形存储和数字波形显示等环节。其工作过程可以归结为采样存储和波形显示两个阶段。355.3.2现代数字示波器的一般组成主要由输入通道、采集与存储、时钟与采集控制、触发电路系统、微处理器系统、显示与键盘及各种接口与控制电路组成，。365.3.3波形数字化测量的特点（1）数字示波器对波形的采集与波形的显示是可以分离的。在采集工作阶段，采集速率应根据被测信号来选择，对快速信号用较高的速率进行采样与存储，对慢速信号用较低速率进行采样与存储。在显示工作阶段，波形的读出和显示的速度可以采取一个固定的速率，并不受采样速率的限制，这样，就可以无闪烁地观察极慢信号，而对于观测极快信号来说，不必用带宽很宽的阴极射线示波管，这是模拟示波器无能为力的。采集与显示两者能分离的关键在于数字示波器具有波形存储能力，存储功能起到了缓冲与隔离作用。37（2）数字示波器具有存储信号的能力，这种能力对观察单次出现的瞬变信号尤为有利。动态信号（如单次冲击波、放电现象等）是在短暂的一瞬间产生，在模拟示波器的屏幕上一闪而过，很难观察。数字示波器问世以前，屏幕照相和记忆示波管是“存储”波形所采取的主要方法。数字示波器采用波形数字存储技术，其存储时间可以是无限长的。（3）数字示波器的存储波形的能力极大丰富了显示内容，方便对信号的观测。数字存储示波器具有多种显示方式，如存储显示、滚动显示和触发显示等。并可存储多个波形，并且可以多个波形同时显示。由于具有存储能力，不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号，并且可以任意选择超前或滞后显示的时间。除此之外，数字示波器具有先进的触发功能，与存储器配合可提供多种触发方式，方便对信号进行观测与分析。

（4）测量精度高。模拟示波器水平精度由锯齿波的稳定性和线性度决定，故很难实现较高的时间精度，一般限制在3%~5%。而数字示波器由于使用晶振作时钟，有很高的时间精度。采用A/D转换器也使幅度测量精度大大提高。波形参数的直接数字显示，克服了示波管模拟显示精度的影响，使数字示波器的测量精度优于1%。40（5）具有很强的处理能力。这是由于数字示波器内含有微处理器，因而能自动实现多种波形参数的数字式测量与显示，例如上升时间、下降时间、脉宽、频率、峰—峰值等参数的测量与显示。能对波形实现多种复杂的处理，例如取平均值、取上下限值、频谱分析以及对两波形进行加、减、乘等运算处理。同时还具有许多自动功能，例如自检与自校等。（6）具有数字信号的输入/输出功能。可以通过各种通信接口，很方便地将存储的数据送到计算机、合成信号源或其他外部设备，进行更复杂的数据运算或分析处理，以及复杂波形的产生。同时还可以通过各种通信接口与计算机一起构成自动测试系统。5.4DSO的主要技术指标5.4.1采集速率和水平分辨力1.采集速率采样速率也称采样率,是指单位时间内获取被测信号的样点数,其单位用Sa/s表示。(1)最高采样速率（2）实时采样速率

(3)非实时等效采样速率

432.水平分辨力分辨力包括水平分辨力和垂直分辨力。水平分辨力包含时间分辨力和空间分辨力两个概念。(1)时间分辨力,是指数字示波器X坐标上相邻两个样点之间的时间间隔Δt的大小,即s/点,通常取决于实际采集速率。

(2)空间分辨力也称采样密度,是指显示屏在X轴上的像素点数,常以每格的点数Ndiv(点/div)来表示。例如,某台数字示波器的显示屏的格式为1024×768像素点=786432像素点,水平轴长度为10格,每格有100个样点,即用100点/div来描述其水平方向的空间分辨力。44

455.4.2扫描速率与时基因数扫描速度(t/div)定义为示波器光点在屏幕水平方向上每秒钟所移动的距离，单位为“cm/s”，或“div/s”。实际中常用它的倒数形式——水平方向上移动一格所占用的时间称扫描时基因数来表示。时基因数的单位为“t/cm”或“t/div”，它表示单位距离代表的时间，时间t的单位可为μs、ms或s。扫描时基因数与采集频率的关系为tdiv(t/div)=Ndiv/fs(5-3)式中,fs为采集频率;Ndiv为每格采样点数;tdiv为每格的扫描时间,常记为t/div。46

475.4.3频带宽度BW1.模拟带宽数字示波器的模拟带宽是指采样电路以前模拟信号通道电路的频带宽度,主要由Y通道电路的幅频特性决定。当Y通道输入不同频率的等幅正弦信号时,屏幕上显示的信号幅度下降3dB（即0.707倍）时所对应的输入信号上、下限频率之差,称为示波器的频带宽度,也称为3dB带宽，单位为MHz或GHz示波器Y通道输入脉冲信号时，所显示脉冲波形的上升时间为tr，BW（MHz或GHz）与tr（μs或ns）的关系可近似表示为48

2.等效带宽(重复带宽,RepeatBW)等效带宽是指数字示波器工作在等效采样工作方式下测量周期信号时所表现出来的频带宽度。取决于等效采样速率3.实时带宽(单次带宽,SingleshotBW)或称存储带宽，数字实时带宽是指用数字示波器测量单次信号时,采用实时采样方式能完整地无失真地显示被测信号波形的带宽,也称为有效存储带宽(USB)。实时带宽主要取决于A-D转换器的采样速率和显示所采用的内插技术495.4.4记录长度L一个采集点的量化数据称为一个记录。记录长度是指一次采样、存储过程中存储器所能存储的记录字的最大数量。记录长度越长,允许用户捕捉更长时间内的事件,就能为复杂波形提供更好的描述。但是由于高速存储器制造技术和成本的限制,记录长度是有限的。505.4.5偏转灵敏度、偏转因数和垂直分辨力1.偏转灵敏度与偏转因数偏转灵敏度是指屏幕上的光点在单位电压信号作用下,所产生的垂直偏转的距离,单位为cm/V(或div/V)。偏转灵敏度的倒数称为“偏转因数”,它表示光点在荧光屏上的垂直(Y)方向移动1cm(即1格)所需的电压值,单位为V/cm、mV/cm(或V/div、mV/div)。偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力,偏转因数越小,表示示波器观测微弱信号的能力越强。2.垂直分辨力为示波器所能分辨的最小电压增量。数字存储示波器的垂直分辨力取决于A-D转换器进行量化的最小单位数515.4.6屏幕刷新率屏幕刷新率也称波形捕获率,是指数字示波器的屏幕每秒钟刷新波形的最高次数。屏幕刷新率高就能捕获更大数据量的信息予以显示,尤其是在捕捉隐藏在波形信号下异常信号方面,有着特别的作用。早期数字示波器的工作流程是:采集--存储--处理—显示,然后再采集，在两次采集时间之间存在一个较长的盲区时间(在这个盲区内出现的信号被漏掉),降低了屏幕的刷新率。目前,数字示波器是并行工作，其屏幕刷新率已达到40万次/s,超越了模拟示波器。525.5波形的采集5.5.1采样原理和采样方式（1）实时采样实时采样是指在信号经历的实际时间内对一个信号波形进行取样。在实时采样中，一个信号的所有采样点按时间顺序在一个信号波形上等间隔采集取得，如图5-46a所示。由于一个波形只在单一非重复的一个变化中被采样到，因而采样速率必须足够高，根据取样定理，在理想情况下，对一个最高频率分量为fh的信号，只要用不小于2fh的频率进行采样，就可不失真地恢复被测波形。（2）非实时顺序采样非实时采样是指从被测的周期性信号的许多相邻波形上取得样点的方法，一次信号的采样需经过若干个信号重复周期才能完成，称为非实时采样，也称为等效采样。5354（3）非实时随机采样随机采样方式在每个采样周期可以连续采集多个采样点（采样频率相同），并且每个采样周期触发其后的每一个采样点的时间（即

时刻）是随机的。图中每个采样周期触发点与其后第一个采样点的时间

之间的时间间隔分别为

，它们是随机的。555.5.2高速A/D转换A/D转换器是波形采集的关键部件，它决定了示波器的最大采样速率、存储带宽以及垂直分辨率等多项指标。（1）并行比较式ADC采用如图所示的直接比较原理。56（2）并串式ADC并行式A/D的转换速度最快，但是，电路结构复杂，成本高。例如8位A/D，需要255个比较器，如果位数更多，电路规模将巨增。57（3）并行交替采集技术为了进一步提高A/D转换速率，可采用并行交替采集技术。交替采集是利用多片A/D转换器并行对同一个模拟信号进行时间分割的交替采样，来提高整体采样率。58（4）高速A/D转换器实例简介595.6波形的存储