信号的时域、频域与数据域测试技术.ppt

1、2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,1,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,时域频域概念 通用示波器的原理,本章重要内容,本章其余内容,频谱分析仪 逻辑分析仪,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,2,3.1 信号时域与频域的关系一、信号的时域分析与频域分析,信号是信息的载体和具体表现形式，信息需转化为传输媒质能够接受的信号形式方能传输。广义的说，信号是随着时间变化的某种物理量。只有变化的量中，才可能含有信息。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,3,信号的描述通常以时间为自变量，表示为随时间变化的函数。

2、信号可分为连续信号和离散信号两种结构。 在实际的物理系统中，信号还可以分为确定性信号和随机信号。,1、信号,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,4,对信号的传统分析方法是波形分析。 表示信号的时间函数，包含了信号的全部信息量，信号的特性首先表现为它的时间特性。 可以显示，例如信号幅值对应的时间；同一形状的波形重复出现的周期长短；信号波形本身变化的速率（如脉冲信号的脉冲持续时间及脉冲上升和下降边沿陡直的程度）。 以时间函数描述信号的图象称为时域图，在时域上分析信号称为时域分析。,2、时域分析,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,5,3、频域

3、分析,频域分析也称为频谱分析，是指对信号在频率域内进行分析。分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等。,f0,2f0,3f0,4f0,An,f,频率成分,频率幅值,图 一个周期信号的频谱,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,6,时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。一般来说，时域的表示较为形象与直观，频域分析则更为简练，剖析问题更为深刻和方便。目前，信号分析的趋势是从时域向频域发展。然而，它们是互相联系，缺一不可，相辅

4、相成的。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,7,信号的时域分析与频域分析既相互独立又密切相关。可以通过傅里叶变换把它们联系起来并互相转换。,二、信号的时域分析与频域分析的关系,时域,频域,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,8,三、时域和频域下的信号分析,时域分析 信号时域分析（线性系统叠加原理） 卷积积分的应用及其数学描述 频域分析 周期信号的频域分析(三角与指数傅立叶级数） 非周期信号的频域分析（傅立叶积分） 信号在频域与时域之间的变换（正反傅立叶变换式）,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,9,周期信号

5、f(t)=f(t+kT)，T：信号周期，展开为傅立叶级数：,C0=A0,或：,满足狄里赫利条件： 在一个周期里连续或只有有限个第一类间断点 在一个周期里只有有限个极大值和极小值 积分 存在,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,10,物理意义：,一个周期信号可以分解为直流分量和一系列谐波分量。或者说，一个周期信号由一个直流分量和一系列谐波分量叠加成。 一般的电信号都可以展开为傅立叶级数。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,11,常见信号波形图及频谱 书p56 表3-1,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,12,

6、3.2 通用示波器的组成及分类,前言 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器可以直观地“看到”电路各点的状态。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,13,示波器的分类,根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类： 1、模拟示波器 采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。 2、数字示波器 对信号进行数字化处理后再显示。 模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、

7、记忆示波器和专用示波器等。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,14,一、通用示波器基本组成,示波器是利用示波管内电子射线的偏转，在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。,基本组成部分：示波管、X轴放大器、Y轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,15,二、波形显示原理（一）示波管,CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。, 电信号变化为光信号的转换器。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,16,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束

8、，它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,1、电子枪,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,17,电子束聚焦的原理：电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。, 电子在电子枪中的运动轨迹, 几个重要电位关系： UG1UA1 ；UG2UG1；UA2UA1UK,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试

9、技术,18,2、偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。 当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。 为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,19, 电偏转原理,由阴极热激发的电子经第二阳极加速后，在到达荧光屏之前，还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极中间时，由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转

10、电压越大，电场力越大，荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远电偏转原理。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,20,其中： l为偏转板的长度；L为偏转板中心到屏幕中心的距离；d为偏转板间距；UA2为阳极A2上的电压;UY偏转板间电压。,偏转距离：,Y轴偏转灵敏度：, 电偏转原理,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,21,结论：,电子束偏转距离与外加偏转电压成正比; 偏转灵敏度越大(值越小)，示波管越灵敏。但与被测电压无关。 增加l、L，减小d，都可以提高偏转灵敏度。 减小UA2，提高灵敏度，但UA2低，亮点辉度变弱。为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏

11、转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。,弯折偏转结构： 增加电子束偏转角,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,22,3、荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。 在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。 当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。,考虑：观察高频信号和缓慢变化的信号分别适用哪种余辉时间的示波管？,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,23,(二)波形显示的基本原理,1显示随时间变化的

12、图形 （1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,光点出现在荧光屏的中心位置。,光点仅在垂直方向偏移：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,24,光点仅在水平方向偏移：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。,当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,25,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：,a）仅

13、在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,26,b)仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,27,（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,28,示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，在相位和频

14、率测量中常会用到。,若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,（4）显示任意两个变量之间的关系,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,29,若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,30,2、扫描的概念,图中电子束的运动轨迹是1-2-3-4-5-6。到达6后由于x方向所加的电压突然回到零，因此电子束将由6快速回到初始位置1。电子束的这种运动称为扫描。 通常将1-6的运动称为扫描正程；将6迅速返回1称作扫描逆程，

15、逆程的光迹为连结6-1之间的线段。,锯齿波,光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,31,uY周期：TY uX周期：TX TY uX uY共同作用下，亮点轨迹正好是一条与uY相同的正弦曲线。, X大小可代表时间的长短。,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,32,（1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。,n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。,3、同步的概念,2020/10/14,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,33,