电子测量03电子通信.ppt

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1、1,第三章 信号的显示和测量,3.1 引言 3.2 通用示波器的工作原理 3.3 取样示波器 3.4 数字存储示波器3.5 示波器的基本测试技术,2,3.1 引 言,图示式仪器可以在显示屏幕上直观地观测被测信号的波形，在各领域中都获得了广泛应用。时域测量：示波器（第三章）频域测量：频谱分析仪（第八章）数据域测量：逻辑分析仪（第九章）,3,一、示波器的分类 根据示波器对信号处理方式的不同，可分为模拟、数字两大类：模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。数字示波器对信号进行数字化处理后再显示。,4,1.模拟示波器,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

2、。通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器。多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。取样示波器应用非实时取样技术，实现用较低频率的示波器测量高频信号。记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种用途示波器。,5,2.数字示波器,数字示波器将输入模拟信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。数字示波器具有记忆、存贮和处理被观察信号的功能，又称为数字存贮示波器。根据取样方式不同，数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类。,6,二、示波器的特点显

3、示时域信号波形，实时性好良好的直观性输入阻抗高工作频带宽，速度快测量灵敏度高方便实现信号的比较配以变换器可以观测各种非电量信号,7,3.2 通用示波器的工作原理,一、显示屏二、通用示波器的组成三、示波器的主要技术指标 四、示波器的多波形显示五、示波器的双时基扫描六、通用示波器的应用,8,一、显示屏,9,示波管CRT显示原理1.CRT组成 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。,10,电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成聚焦良好的高速电子束，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

4、”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”。,11,电子束聚焦的原理是，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如下图所示。,12,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。,13,电子束在偏转电场作用下的偏转距

5、离与外加偏转电压成正比：示波管的Y轴偏转因数hy（单位为cm/V）：偏转因数的倒数为示波管的偏转灵敏度Dy（V/cm）。偏转因数越大，偏转灵敏度越小，示波管越灵敏，为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。,其中：l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。,14,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，光点仍能保持一定时间，这种现象称为“余辉效应”。

6、,15,1.光点扫描显示原理,光点位置控制：(示波管荧光屏),+,-,-,+,光点在合力作用下移动,16,17,n=2,18,2.显示任意两个变量之间的关系 在示波器两个偏转板上都加正弦波电压，显示的图形称为李沙育图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。,若两信号的频率和初相都相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上显示出一条与水平轴呈45度角的直线。,19,若两信号的频率相同，而初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上显示出的图形为圆。,20,3.扫描的概念 在随时间线性变化的锯齿波电压作用下光点沿水平扫动的过程称为“扫描”，实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，扫描电压

7、周期包括“扫描正程”和“扫描回程”。,21,4.同步的概念（1）Tx=nTy(n为正整数)：,当Tx=nTy，则称扫描电压与被测电压“同步”。,22,（2）TxnTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。,0,1,2,3,4,5,6,7,8,10,9,11,0,1,2,3,4,5,8,10,9,11,23,5.连续扫描和触发扫描连续扫描：开机就有扫描线，来信号同步后波形稳定。触发扫描：开机没有扫描线，来信号触发后有波形并稳定。例：测量占空比较小的脉冲信号,不能观测到脉冲细节,24,选择扫描周期等于脉冲底宽时，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。,脉冲得到展宽，但波形显示

8、暗，而时基线太亮,25,触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。,能较好地观测脉冲,26,6.扫描过程的回扫 为了使回扫产生的波形不在荧光屏上显示，需在扫描正程期间给示波器增辉，扫描回程消隐。,若不增辉或消隐将产生如图所示的回扫线,0,1,2,3,4,5,6,7,8,27,二、通用示波器的组成,28,1.通用示波器的垂直通道,示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上。,1）探头（探极）与耦合,注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz带宽的示波器可能不到50MHz的效果。,29,2）输入电路：包括衰

9、减器和输入选择开关。（1）衰减器,能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。通常示波器的灵敏度都是按1、2、5步进。,30,（2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。,31,3）前置放大器 前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平衡的交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流

10、电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置。,32,4）延迟线,触发扫描时，扫描电压的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。,触发点,显示波形,33,延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。,触发点,34,5）Y 输出放大器Y 输出放大器是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得 Y 方向的满偏转。Y 放大器使示波器具有观

11、测微弱信号的能力。Y 输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真和对称输出的输出级。Y 输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益（面板上的“5”或“10”开关）。,35,通常把Y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。,主要按钮：垂直（Y）位移-调Y放大器直流电位，使水平基线上下移动。,寻迹-有时Y增益过大,基线跑出屏幕,按“寻迹”，使增益大大降低拉回基线,倍率-若把“倍率”置于“5”,则负反馈减小，增益增加5倍，这便于观测微弱信号。,36,2.通用示波器的水平通道,水平通道包括触发电路、时基发生器和水平放大器等

12、三部分，产生随时间线性变化的扫描电压，经放大至足够幅度后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏水平方向达到满偏转。,触发信号,触发电路,X放大器,37,触发电路 触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。,38,39,（2）触发耦合方式“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号。“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的交流信号。“AC低频抑制”耦合：用于观察含有低频干扰的信号。“HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦合方式。,40,（3）扫描触发方式选择（TRIG MO

13、DE）常态（NORM）触发方式：指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。自动（AUTO）触发方式：无论有无触发源信号，都有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。电视（TV）触发方式：是在原有放大、整形电路基础上插入电视同步分离电路实现的，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。,41,（4）触发极性选择和触发电平调节触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，即决定被显示信号的起始点。触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿（+极性）还是下降沿（-极性）。触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值（+电平或-电平）。,42,43,

14、（5）放大整形电路 放大整形电路的作用是对触发信号进行放大、整形，以满足触发信号的要求。整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。,44,时基发生器 时基发生器产生锯齿波扫描电压，主要由锯齿波发生器、扫描控制闸门及比较释抑电路三部分组成。,45,46,扫描发生器产生的锯齿波电压被送入X放大器中放大，再加至水平偏转板产生扫描电压。闸门电路产生快速上升或下降的闸门信号，闸门信号启动扫描发生器工作，产生锯齿波电压，同时把闸门信号送到增辉电路，以便在扫描正程加亮扫描的光迹。

15、释抑电路起到了稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发的作用，确保每次扫描都在触发源信号的同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。,47,（1）施密特触发器构成的闸门电路。,48,（2）积分电路 密勒积分器是通用示波器中应用最广的一种积分电路。,49,Uu0,密勒积分器,Uui,密勒积分器是通用示波器中应用最广的一种积分电路。,50,积分器产生的锯齿波电压被送入X放大器中放大，再加至水平偏转板。荧光屏上单位长度所代表的时间 为示波器的扫描速度（t/cm），x：光迹在水平方向偏转的距离；t：偏转x距离所对应的时间。在示波器中通常改变R或C值作为“扫描速度”粗调，用改变E值作为“扫描速度”微调。,51

16、,（3）比较和释抑电路,52,在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。比较和释抑电路与扫描门、积分器共同构成一个闭合的扫描电压发生器环。扫描门的输入接受三个方面的信号：“稳定度”电位器提供的直流电位；来自释抑电路的释抑信号；来自触发电路的触发脉冲。,53,1）触发扫描过程：,触发脉冲,抑制期,回扫期,释放,闸门输出,54,2）连续扫描过程在此扫描方式下，通过“稳定度”调节，使闸门电路的静态工作

17、电平高于上触发电平E1，则不论是否有触发脉冲，扫描闸门都将输出闸门信号。扫描闸门仍然受比较和释抑电路的控制，以控制扫描正程的结束，从而实现扫描电压和被测电压的同步。,55,水平放大器 其基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。X放大器的输入端置于“内”（时基工作方式）时，X放大器放大扫描信号；输入端置于“外”时（x-y方式），水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。,56,3.通用示波器的其他电路,高、低压电源 分别用于示波器的高、中压和直流供电。Z轴的增辉与调辉 增辉：放大闸门信号，使显示波形正程加亮。调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相

18、应地变化。校准信号发生器 可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源。,57,三、示波器的多波形显示,1.多线显示和多踪显示 多线示波 利用多枪电子管来实现多波形显示。测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度。多踪示波 在单枪电子管基础上，增加电子开关，利用分时复用的原理，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。,58,双踪示波器的Y通道工作原理 选择“Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和叠加方式（CH1+CH2）时都只显示一个波形。,控制信号,59,交替显示方式(ALT)：适合于观察频率较高的被测

19、信号。,60,断续显示方式(CHOP)：适用于被测信号频率较低的情况。,61,2.双时基扫描,双时基示波器有两个独立的触发和扫描电路，特别适用于在观察一个脉冲序列的同时，仔细观察其中一个或部分脉冲的细节。,实现双扫描的原理,62,为了能同时观测脉冲列的全貌及其中某一部分的细节，设立电子开关，把两套扫描电路的输出交替地接人X放大器。这称为A延迟B。把A、B扫描门产生的增辉脉冲叠加起来，形成合成增辉信号，用它来给A通道增辉，则A通道所显示的脉冲列中，对应B扫描期间的那个脉冲3被加亮，这称为B加亮A。包括上两种方式的，被称为自动双扫描。,63,Y输入,A增辉,B增辉,正极性、正电平,65,三、通用示

20、波器的应用,1、通用示波器的主要技术指标2、通用示波器的选用原则3、通用示波器的面板,66,1.示波器的主要技术指标,频带宽度BW和上升时间tr 示波器的频带宽度BW一般指Y通道电路和Y偏转系统的频带响应，由幅频特性决定。上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，表示Y通道的过渡特性，即由于示波器Y通道的频带宽度的限制，示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为：,67,扫描速度 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。扫描速度的倒

21、数称为“时基因素”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为s、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”分成很多档。,68,偏转因素 偏转因素指在输入信号作用下光点在荧光屏的垂直(Y)方向上移动1cm（即1格）所需加的电压值，单位为V/cm、mV/cm（或V/div、mV/div）等。偏转因素表示 示波器Y通道的放大/衰减能力。偏转因素的倒数称为示波器的“偏转灵敏度”，单位为“cm/V”、“cm/mV”。,69,输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗形成被测信号的等效负载。输入方式 也称输入耦合方式，有直流耦合（DC）、交流耦合（AC）和接地（GND

22、）三种，可以通过示波器面板选择。触发源选择方式 触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号的来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种。,70,2.通用示波器的选用原则（1）根据要显示的信号数量，选择单踪或双踪示波器。（2）根据被测信号的频率特点选择。（3）其它条件。,trx=10+3.5？因两独立变量应均方相加即：,选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的是带宽。,71,则,但这样测读太麻烦，最好,这要满足什么条件呢？经误差分析，,可得右图关系：,tx/tr=1时，屏幕读数相对误差,通常要求选用的示波器上升时间要,tx/tr=35,对于一般连续信号,

23、BW/fh=35,这里fh是被测信号中的最高频率分量。,72,利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测量。,1 观测一个10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？,2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？,3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？,4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？,“准则：示波器所需带宽=被测信号的最高频率成分35。”,30MHz,120MHz,20MHz,3000MHz,6MHz,38MHz,501000MHz,73,500MHz 示波器,50MHz的方波实际上看起来是什么样呢?,没有足够带宽的影响:波形上升时间慢幅度有衰减,74,3.通用示波器的面板

24、,75,3.通用示波器的面板示意图 垂直通道：（1）CH1（X）通道1：垂直输入端。（2）CH2（Y）通道2：垂直输入端。（3）位移：垂直方向位移调节开关。（4）VOLTS/DIV(微调)：输入衰减器(输入灵敏度微调)。（5）VERT MODE：垂直方式选择开关。（6）AC/DC：输入耦合方式选择开关。（7）5扩展：垂直扩展开关。,76,水平通道：（1）时基/X-Y：时基方式/X-Y方式选择开关。（2）位移：水平方向位移调节开关。（3）SOURCE：触发源选择开关（4）+、-极性：触发极性选择开关（5）+、-电平：触发电平调节开关（6）COUPLING：触发信号耦合方式开关。（7）TIME/D

25、IV：扫描时基选择开关（微调）。（8）SWEEP MODE：扫描方式选择开关。（9）EXT TRIG：外触发输入端。（10）5扩展：水平扩展开关。（11）寻迹：寻迹旋钮。,77,其他：（1）电源开关（2）辉度调节（3）聚焦（4）辅助聚焦（5）刻度照明（6）校准信号输出（7）z轴输入,78,3.3 取样示波器,一、取样的基本概念二、取样示波器显示原理三、取样示波器的组成原理四、取样示波器的主要技术参数,79,以上介绍的通用示波器是“实时示波器”，测量时间(一个扫描正程)=被测信号的实际持续时间，即：看到的就是正在发生的。,但有两点不足：BW 1500MHz周期重复信号难以实现取样单次、非周期信号

26、难以观测（拍照）存储,BW再提高受到下列因素的限制：（1）受到示波管的上限工作频率的限制。（2）受Y通道放大器带宽的限制；（3）受时基电路扫描速度的限制。,一、取样的基本概念,80,取样就是从被测波形上取得样点的过程,即以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。取样分为实时取样和非实时取样两种。从一个信号周期波形上取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法称为实时取样。从被测信号的n个相邻周期波形上取得样点来表示一个信号波形的方法称为非实时取样，或称为等效取样。,81,1.实时取样,82,2.非实时取样,83,两个取样脉冲的时间间隔为，由于波

27、形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示高频率信号。取样脉冲的步进间隔t与信号的最高频率fh应满足取样定理。,核心电路-取样保持器示意图,84,二、取样示波器显示原理 顺序取样示波器中水平扫描信号为阶梯波电压，阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。,输入信号,Y放大器输出,X放大器输出,（扫描阶梯波电压）,85,86,三、取样示波器的组成原理,取样示波器的基本框图,87,1.取样示波器的垂直通道 垂直通道由取样门、延长门和Y放大器等电路组成，产生正比于取样值的阶梯电压。下图为常用闭环取样电路组成框图。,88,第一个取样脉冲到来时，取样门闭合，输入的被测信号对取样电容Cs充电

28、；然后该电压被送到交流放大器A放大，在延长门闭合期间对保持电容Cm充电；最后保持电压经过反馈电路送回取样电容Cs，故取样电容Cs上最终得到的电压为（K为取样门的传输函数）。若kA=1，则取样电路的输出电压值正比于输入电压的取样值。,89,第二个取样脉冲到来时，取样门闭合，输入的被测信号与cs上的电压ui1之差给取样电容Cs充电，充电的电压值经过传递系数K和增益A后，将在保持电容上与前一次的输出信号叠加，得到uo2为:取样电路的输出是由离散的、与被测信号成正比的阶梯波构成的。,90,2.取样示波器的X通道 主要包括触发、放大、分频单元、快斜波发生器、比较器、阶梯波发生器和X放大器。,91,图示波

29、形说明了步进脉冲发生器的工作过程,92,3.4 数字存储示波器,一、数字存储示波器的组成原理二、信号采集处理技术三、波形显示技术 四、主要技术指标五、数字示波器的基本功能六、数字示波器的应用,93,特点：（1）波形的采样/存储与波形的显示是独立的,因而可以无闪烁地观测极慢变化信号。（2）能长时间地保存信号，便于观察单次出现的瞬变信号。（3）先进的触发功能,不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号。（4）测量准确度高,采用了晶振和高分辨率A/D转换器。（5）很强的数据处理能力，内含微处理器，能自动实现多种波形参数的测量、处理与显示；还具有自检与自校等多种自动操作功能。（6）外部数据通信接口

30、，可方便地将存储的数据传送至计算机或其他外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。,一、数字示波器的组成原理,数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope，缩写 DSO)。,95,96,多处理器数字示波器框图,97,三个处理器（主处理器、采集处理器和波形翻译器）,1)采集处理器,使用随机-重复采样，送入波形存储器的数据放置点是经过复杂计算的，采集处理器必须根据采样与触发信号的相对关系来确定它们的正确放置位置，以便重构波形。该采集处理器使用了先进技术实现了以极高的速率处理采样点的专用逻辑关系。,2)波形翻译器,波形翻译器也是一个专用的处理器集成电路，

31、将波形对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些波形的像素位置对应地送至像素存储器。,3)主微处理器使用常规微处理器系统作为控制示波器的硬件。由于采用了多处理器各负其责协同工作，使示波器性能大为改善，采样率大大提高，显示更新率可做到1500000 点/秒以上。,98,99,二、信号的采集处理技术,1.早期数字示波器的缺点,1)屏幕更新率低,更新率是指每秒钟在屏幕上描画扫迹的次数，也称波形捕获率，即每秒可以捕获的波形数目。,早期数字示波器不能进行实时测量，即不能及时反映被测信号变化。这是由于它只有一个微处理器无法满足实时处理的要求。,100,同时，更新率低造成显示

32、响应慢，屏幕上看到的不是正在发生的波形，而是从存储器里调出来的前几个周期的波形，这对用示波器作监视进行电路调试带来很多的不便。,例：右图调延迟时间T，要多次反复调整才行。,试验示波器更新率是否满足要求，一个简便的方法是用函数发生器信号加到示波器上，快速更换波形（如正弦波方波三角波），看屏幕上是否能快速跟上变化。,为此，现代数字示波器在提高更新率上作了很大的改进，如泰克（Tektronix）公司采用InstaVu技术已达到了400000W/S（波形/秒）以上，可以做到“模拟示波器的感觉，数字示波器的性能的效果。,101,2)有混迭失真,混迭失真也称频混、假像，是数字示波器使用中要防止的现象。造成

33、混迭失真的原因是欠采样，采样频率太低，违背了奈奎斯特取样定理，即未采到足够多的样点来重构波形而造成的假象。,避免混迭失真的措施：,A)过采祥，即提高采样速率，在各种情况下都满足奈奎斯特定理的要求；,B)峰值检测（包络检测），以峰值作为基本的采样点，再补上其它的采样点，则不会混迭失真。,上述两个缺点是现代DSO设计和使用中要防止的问题。,102,2.采样方式,数字示波器的采样方式分为实时采样和等效采样(非实时采样)，等效采样又可分为随机采样和顺序采样。,1)实时采样,实时采样是对每个采集周期的采样点按时间顺序进行简单的排列就能表达一个波形，,103,2)随机采样,由于实时采样DSO要求采样速率高

34、，例如带宽为100MHz就要求A/D器件的转换速度不能低于400MS/s，这样高速的A/D和采集数据存储器价格都比较高。因而目前高带宽并且记录长度长的实时采样DSO价格相当昂贵。,104,3)顺序采样,顺序采样方式主要用于数字取样示波器中，能以极低的采样速率（100 kHz200kHz）获得极高的带宽（高50GHz），并且垂直分辨率一般在10bit以上。这种示波器每个采样周期在波形上只取一个样点，每次延迟一个已知的t 时间。不能进行单次捕捉和预触发观察是它的缺点。,105,3.采样速率,采样速率又称数字化速率，描述方式通常有：,用采样次数来描述，表示单位时间内采样的次数。如20MS/s（201

35、06次/秒）。,用采样频率来描述，如20MHz。,用信息率来描述，表示每秒钟储存多少位（bit）的数据。如每秒钟储存160兆位（160Mb/s）的数据，对于一个8位A/D转换器来说，就相当于20MS/s的采样率。,采样速率高可以增大DSO的带宽，但事实上，DSO的采样速率还受到采集存储器容量的限制，一般在不同扫速时，要求采样速率是不一样的，防止采样点过多而溢出采集存储器。,106,4.采集器件,世界各大仪器公司都推出自已的高速A/D技术，有的转换速度已超过10GS/s以上。当前在DSO中主要采用下面两种类型A/D转换技术。,1)并联比较式 A/D转换器（也称flash闪烁或瞬间式）,并联比较式

36、 A/D转换器（及分级型和流水线式A/D转换器）,2)CCD+A/D技术,采用电荷耦合器件CCD（Charge Couple Device）作高速模拟存储，然后再慢速进行A/D数字化处理。当前这种单片模拟存储IC的采样速率可达2.5GS/s，并且价格相对便宜。四片这样的IC交叉复用，可达到10GS/s。但是由于制造技术上的原因，这种DSO的记录长度有限。,107,两路组合采集的原理,108,5.采样存储器,高速存储器：在DSO中每个新获取的采样数据都必须立即存入采样存储器，因此它必须具有与采样速率同步的连续接收数据的能力。,采用循环存储结构：采样存储器具有循环存储功能。先进先出，总是存放有最新

37、的nm个采样数据。,预采样：采用循环存储结构，主要是为了能观测触发之前的波形情况，采样过程必须预先进行，一开机就不断地采样。,109,6.触发功能,“触发”的概念来自模拟示波器。在DSO中也设置了触发功能。但这里触发信号只是在采样存储器选取信号的一种标志，以便可以灵活地选取采样存储器中某部分的波形送至显示窗口。,图中是观测振荡器起振的过程，选择触发电平介于零和稳定振幅之间的某一数值，触发极性选正（上升沿），负延迟5格，则可在屏幕上同时看到触发前后的情况，即显示了从起振到稳定的全过程。,110,正延时是指可以观测触发点以后的被测信号；负延时 可以观测触发点之前的信号。距离触发点的延迟时间可由程序

38、设定，给波形分析带来很大方便。延迟触发功能也是DSO检测故障的一种手段，可以设法利用故障形成触发信号，利用负延迟恰好能看到故障发生前后的情况。,触发源选择：内触发(可分别由通道1或通道2触发)、外触发、交流电源触发等。,触发模式选择：自动、正态、单次等。,触发类型：边缘触发、视频触发、脉冲触发、延迟触发及毛刺触发等。,111,触发类型的原理与用途,112,记录长度太短，不能完整记录一个较复杂的信号。只以一个显示窗口设计记录长度，采样点有5001000点也就够了，但仅1000个样点是难以显示一个较复杂波形的。否则水平方向分辨力很差，丢失波形中一些信息。,不便同时观测快慢信号。只以一个显示窗口设计

39、记录长度，在观测一个含有快慢信号的波形时，如一行电视信号时，若以慢信号行频调整扫速，可以看到一行完整的信号，但看不清楚其中电视信号的波形；若以其中快变的电视信调整扫速，则又看不到一行完整的信号。,7.采样速率与记录长度(即存储深度),采样速率fs(MS/s)数据点记录长度L（pts）高速存储器难度,113,采样率,1K记录长度,120K记录长度,1M记录长度,C,B,A,1GS/s,100MS/s,10MS/s,1MS/s,100KS/s,10KS/s,0.01KS/s,1KS/s,0.1KS/s,10ns,100ns,1s,10s,(500MS/s),100s,0.1s,1ms,10ms,1

40、s,10s,(t/div),100s,1ks,10ks,100ks,扫速,扫速、取样率和记录长度的关系曲线,结论：记录长度大的DSO，扫速在较大范围调节时，采样速率 不必跟着变化。,由于记录长度长，在此范围内改变扫速，采样率可不变,记录长度短超此小范围改变扫速则要降低采样率否则要溢出,降低扫速必须降低采样率,114,应当指出，增加记录长度后，一次捕捉的波形样点多了，不用改变扫速就可同时观测高速和低速两种信号。但是屏幕只有10格500点左右像素，若捕获100000点的波形，仅有500点显示在屏幕上，只能看到波形中的某一部分，其余99500点是在屏幕左右看不见的地方。为此，不少厂家又提出多种波形快

41、速缩放技术（如MegaZoom、QuickZoom、X-Stream等）和类似模拟示波器中的多时基显示技术，使用户通过左右移动或多次放大深层次的波形分析，既可看到波形的全貌又可看到局部细节。解决了长记录长度和快速显示处理之间的矛盾。,115,8.有效比特分辨率,模拟示波器的垂直分辨率以示波管良好聚焦情况下每格多少线来表示，而DSO的垂直分辨率是以比特数来表示的，所以叫比特分辨率。当前各公司给出DSO的比特分辨率都是DSO内A/D转换器的比特数，一般是8比特。实际上，A/D转换器的真正比特分辨率-即有效比特分辨率（EBR）与被转换的信号频率有关系。当输入信号频率提高时，其比特分辨率减小；并且不同

42、厂家生产的A/D，其比特分辨率减小的多少也是不一样的。例如同样是200MS/s、8bitA/D，AD770和CXA1076在输入100MHz满刻度信号时，前者不足5bit，而后者不到4bit。在DSO的整机中，通道噪声、非线性、时基抖动、代码丢失都会引起A/D转换器的有效比特分辨率降低。因此，简单地用A/D比特数来表示DSO的垂直分辨率是不科学的，目前还没有统一的DSO有效比特分辨率评价标准和测量方法。,116,DSO高速采集一个信号波形的数据后如何能在显示器上不失真的重构出来，这是要经过一整套复杂的数据处理之后才能实现的。,用采样率为1000MS观测频率为10Hz的正弦信号，则每个信号周期上

43、100106个采样点,用采样率为1000MSa观测频率为200MHz的正弦信号，则每个信号周期上只有5个采样点。,三、波形显示技术,117,1.样点抽取技术,2.样点内插技术,通常一个周期要有25个样点才能保证重构的波形失真较小。,DSP技术设计一个“信号重构模块”或称内插器,内插倍数=内插后总点数/原波形样点数,例如，原始采样数据中，一个周期只有4个采样点，示波器屏幕水平方向有480个像素点，若希望在屏幕上看到一个周期的波形，则要求内插倍数（480/4=120）为120倍，即将4个采样点的波形，内插成480个点。,118,3.矩阵像象素点显示技术（不用D/A把点数据还原成模拟电压）,要求将波

44、形对应的数据点相关的电压和时间值翻译成显示器上的垂直和水平像素位置，再将这些波形的像素位置对应地送至视频随机存取储存器（或称屏幕存储器、像素存储器、画面缓冲区，该存储器的存储单元与屏幕像素位置一一对应）相应的存储位置上。光栅-扫描显示器在波形翻译器控制下被视频随机存取储存器刷新，显示与波形对应的各像素。,119,4.有效存储带宽,DSO的有效存储带宽（USB，useful storage bandwidth）描述的是DSO观测正弦波信号最高频率的能力。,为了避免混淆现象发生，实时采样DSO的采样频率一般规定为带宽的 45 倍，同时还必须采用适当的内插算法才行。如果不采用内插显示，则采样速率应为

45、实时带宽的10倍。因此，在DSO中定义USB：,式中：fsmax最高采样速率,k正弦信号每周采样点数,允许每周采样点数要依据厂家采用的数据点内插技术而定。通常，纯点显示k=25，矢量内插k=10，正弦内插k=2.5。因此，USB的宽度与采样速率和波形重组的方法有关。,120,四、技术性能指标,1.带宽（BW）,当示波器输入不同频率的等幅正弦信号时，屏幕上对应基准频率的显示幅度随频率变化而下跌3dB时，其下限到上限的频率范围即频带宽度，单位一般是MHz或GHz。,在DSO中通常有两种带宽：,重复带宽（repeat BW）：是指用DSO测量重复信号时的 3dB带宽。由于一般使用了非实时等效采样（随

46、机采样或顺序 采样），故重复带宽（也称等效带宽）可以做得很宽，有的达 几十GHz。,单次带宽（single shot BW）：也称有效存储带宽（USB）。是用DSO测量单次信号时，能完整地显示被测波形的3dB带宽。实际上一般DSO模拟通道硬件的带宽是足够的，主要受到波形上采样点数量的限制。因此，单次带宽一般只与采样速率和波形重组的方法有关，上面6.21式给出了这种关系。,121,当DSO的采样速率足够高，即高于标称带宽的45倍以上时，它的单次带宽和重复带宽是一样的，称为实时带宽。,2.上升时间（Rise Time）,数字示波器的上升时间和模拟示波器一样按下式进行计算。,如果示波器的上升时间比被

47、测脉冲的上升时间快三倍以上，则测量结果的直接读数误差不大于5%，否则需要用公式6.8进行计算，这也和模拟示波器使用情况相同。,扫速不同，采样点间隔不同，则上升时间读数可能不同。因此，使用中应注意选择合适的扫速。,122,3.垂直灵敏度（Vertical Defection Coefficient）,也称垂直偏转因数，指示波器显示的垂直方向（Y轴）每格所代表的电压幅度值，常以V/div或V/cm表示。根据传统模拟示波器的习惯，DSO也以125步进方式进行垂直灵敏度调节，也可以进行细调。,垂直灵敏度参数表明了示波器测量最大和最小信号的能力。,4.扫速,或称水平偏转因数（Horizontal Def

48、lection Coefficient）、扫描时间因数、时基。指示波器显示的水平方向(X轴)每格所代表的时间值，以s/div、ms/div、s/div、ns/div、ps/div表示。沿用模拟示波器的传统习惯，数字化示波器也以125步进方式进行调节，也能进行细调。,123,五、基本功能,数字示波器有很多传统模拟示波器所不具备的功能，这些功能也是目前数字示波器所必须具备的，具有一定的代表性。,1.自动刻度(Auto Scan),这是一种通过软件自动调定示波器设置的功能。,只须按一下“自动刻度”键，软件就会对输入波形进行计算，使仪器调到合适的扫速、合适的垂直灵敏度、合适的垂直偏转和触发电平，从而得

49、到满意的波形显示。,124,2.存储/调出（Save/Recall）,这是一种存储或调出前面板设置的功能。,如需要多次重复使用某几套设置观测几个不同波形或对同一个波形在不同的设置条件下进行测量时，可以预先设置好几套面板参数存储起来。避免了每次测量所需的繁琐设置过程，特别适合于反复进行的测试程序，如生产线上的多种波形的重复测量。有的数字示波器可以存储十套面板设置。,1 10mv/cm 100ps/cm2 50mv/cm 0.5s/cm34510 1v/cm 10ms/cm,125,3.光标测量(V、T),数字化示波器具有同时显示两个电压光标和两个时间光标的能力。简单地利用前面板的转轮，调整这些光

50、标，能够测量波形上任何一点的绝对电平、离触发参考点的时间值或者直接读出波形上任意两点的电压差(U)、时间差(T)、以及电压与时间的相关特性等。,126,127,4.自动顶底(Auto Top-Base),在V菜单下，按“自动顶底”键，仪器的软件将用统计平均算法自动地把两个电压光标分别放在波形的顶部和底部。通过U的读数指示，可以立即准确读出波形幅度值或分别读出顶部或底部的绝对电平值。此外，U光标也能自动放在波形的10-90%、20-80%、50-50%(波形的中间)处，以便作为其它特殊测量使用。一个“自动顶底”的例子。,128,5.自动脉冲参数测量,能进行的自动脉冲参数测量包括频率f、周期T、占