《脈沖培訓(xùn)班講》PPT課件.pptVIP

脈沖參數(shù)計(jì)量 第一章脈沖參數(shù)基礎(chǔ)知識 第一節(jié)脈沖測量基本概念第二節(jié)脈沖參數(shù)表述第三節(jié)脈沖幅度確定方法第四節(jié)脈沖信號的頻譜分析第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 第二章示波器的基本原理 第一節(jié)示波器的發(fā)展與分類第二節(jié)示波器計(jì)量參數(shù)介紹第三節(jié)模擬示波器的組成及工作原理第四節(jié)數(shù)字存儲示波器 第三章示波器檢定 第一節(jié)示波器檢定裝置第二節(jié)模擬示波器的計(jì)量檢定第三節(jié)數(shù)字存儲示波器的計(jì)量檢定第四節(jié)示波器檢定的測量不確定度 第四章脈沖信號發(fā)生器檢定 第一節(jié)脈沖發(fā)生器的基本組成及工作原理第二節(jié)脈沖發(fā)生器的計(jì)量檢定第三節(jié)其它類型的脈沖發(fā)生器 第五章脈沖參數(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn) 第一節(jié)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的組成第二節(jié)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性與穩(wěn)定性考核第三節(jié)測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定第四節(jié)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞 第一章脈沖參數(shù)基礎(chǔ)知識 在無線電測量領(lǐng)域中 脈沖信號應(yīng)用十分廣泛 對脈沖參數(shù)測量的準(zhǔn)確度有更高的要求 脈沖測量的速度擴(kuò)展到皮秒量級 脈沖測量領(lǐng)域中相關(guān)的測量儀器的測量功能 技術(shù)指標(biāo)也有了極大的提高 脈沖測量使用最多的示波器的技術(shù)性能有了一個(gè)飛躍 數(shù)字存儲示波器正在取代傳統(tǒng)的模擬示波器 性能與技術(shù)指標(biāo)已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了模擬示波器 第一節(jié)脈沖測量基本概念 一 脈沖波形定義 自第一額定狀態(tài)出發(fā) 到達(dá)第二額定狀態(tài) 最終又回到第一額定狀態(tài)的一種波 二 脈沖測量技術(shù) 脈沖技術(shù)是無線電電子學(xué)中的基礎(chǔ)技術(shù) 脈沖技術(shù)應(yīng)用十分廣泛 通信方面 早期的電報(bào) 先進(jìn)的數(shù)據(jù)通信 數(shù)字通信軍用和民用各種雷達(dá) 如目標(biāo)定位雷達(dá) 導(dǎo)航雷達(dá) 警戒雷達(dá) 照射雷達(dá)等計(jì)算機(jī)利用脈沖信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸電視 核物理研究 電子醫(yī)療設(shè)備無線電信號特性的測量 可分為四類 時(shí)域測量 頻域測量 數(shù)據(jù)域測量 調(diào)制域測量 一 時(shí)域測量 時(shí)域測量是指電信號幅度與時(shí)間關(guān)系特性的測量 時(shí)域測量中使用最多的是示波器 二 頻域測量 測量一個(gè)信號的能量相對于頻率的函數(shù)關(guān)系 稱之為頻域測量 其本質(zhì)就是頻譜分析 頻譜分析儀是頻域測量的典型測量儀器 三 數(shù)據(jù)域測量 數(shù)據(jù)域測量是從數(shù)據(jù)域觀測數(shù)字信號的特性 數(shù)字信號的信息不是載于個(gè)別的脈沖信號波形 而是載于信號電平的高低及其不同的組合 即邏輯真值的變化中 研究的關(guān)鍵不僅在于無失真地顯示數(shù)字信號波形 更重要的是準(zhǔn)確地識別電平的高低 各通道數(shù)據(jù)信號的時(shí)序 以及邏輯狀態(tài)的變化 邏輯分析儀是數(shù)據(jù)域測量中的最常用儀器 四 調(diào)制域測量 調(diào)制域測量是新提出的一個(gè)概念與測量方法 它測量信號頻率 時(shí)間間隔 相位與時(shí)間的關(guān)系 可直接觀測到信號中載頻的變化 可測量頻率隨時(shí)間變化 應(yīng)用 捷變頻發(fā)射機(jī)的跳頻特性蜂窩電話各基站之間的轉(zhuǎn)換性能調(diào)頻信號的載頻信號與時(shí)間的關(guān)系振蕩器的開機(jī)特性鎖相過程中VCO的頻率變化 第二節(jié)脈沖參數(shù)表述 一 單脈沖特性參數(shù) 一 單脈沖特性參數(shù) 一 基線 底 指脈沖由一個(gè)額定狀態(tài) 第一個(gè)額定狀態(tài) 出發(fā)經(jīng)另一個(gè)額定狀態(tài) 第二個(gè)額定狀態(tài) 而最終又回到的第一額定狀態(tài)的脈沖波形的第一額定狀態(tài)稱之為基線 二 頂線脈沖波形中表示脈沖第二額定狀態(tài)部分稱之為頂線 一 單脈沖特性參數(shù) 三 頂量值據(jù)脈沖頂線定義 按規(guī)定算法得到的脈沖頂部量值為頂量值 四 底量值據(jù)脈沖底線定義 按規(guī)定算法得到的脈沖底部量值為底量值 五 脈沖幅度脈沖幅度指頂量值與底量值的代數(shù)差 脈沖轉(zhuǎn)換時(shí) 指基線以上的電壓電平 一 單脈沖特性參數(shù) 六 過渡時(shí)間 脈沖前后沿時(shí)間 脈沖信號的電平轉(zhuǎn)換時(shí)所需時(shí)間 1 前過渡時(shí)間 上升時(shí)間tr 一般指脈沖從脈沖幅度的10 到90 所占用時(shí)間 2 后過渡時(shí)間 下降時(shí)間tf 一般指脈沖從脈沖幅度的90 到10 所占用時(shí)間 一 單脈沖特性參數(shù) 七 脈沖寬度一般指脈沖前沿和后沿中點(diǎn) 50 幅度量值點(diǎn) 之間的時(shí)間間隔 持續(xù)時(shí)間 duration 又稱為固定沿脈沖寬度 以前沿起始拐角到后沿的起始拐角計(jì)算之間的時(shí)間間隔來定義脈沖寬度的 稱為可變沿脈沖寬度 一 單脈沖特性參數(shù) 八 重復(fù)頻率 1 重復(fù)周期 簡稱周期 連續(xù)的脈沖波中的兩個(gè)相鄰波形相同點(diǎn)之間的時(shí)間間隔 基本單位是秒 s 常用分?jǐn)?shù)單位為毫秒 ms 微秒 s 納秒 ns 皮秒 ps 2 重復(fù)頻率周期的倒數(shù)是頻率 單位是赫茲 Hz 常用倍數(shù)單位為千赫茲 kHz 兆赫茲 MHz 一 單脈沖特性參數(shù) 九 開關(guān)比on offratio開關(guān)比一般指周期的脈沖序列中脈沖波形持續(xù)時(shí)間T1與脈沖間隔T2之比 表示式為 一 單脈沖特性參數(shù) 十 空度比空度比一般指周期性的脈沖序列中脈沖波形的持續(xù)時(shí)間與脈沖重復(fù)周期之比 表示式為 二 單過渡參數(shù) 一 階躍Step一個(gè)電信號從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)快速變化到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的過程 二 單過渡參數(shù) 二 斜坡Ramp一個(gè)電信號不間斷的單向變化的過程 可以有正負(fù) 三 脈沖波形失真參數(shù) 三 脈沖波形失真參數(shù) 1 前沖 預(yù)沖 脈沖波形前過渡時(shí)間之前的幅度量值起伏 用脈沖幅度的百分?jǐn)?shù)表示 2 過沖 上沖 脈沖波形在前過渡時(shí)間之后的幅度量值起伏 用脈沖幅度的百分?jǐn)?shù)表示 三 脈沖波形失真參數(shù) 3 下沖脈沖波形后過渡時(shí)間之后的幅度量值起伏 用脈沖幅度的百分?jǐn)?shù)表示 4 圓弧 圓頂 在所要求或希望的斜率突變處出現(xiàn)的圓弧特征形式的失真 三 脈沖波形失真參數(shù) 5 尖峰在本來是規(guī)則的或所要求的脈沖形式上疊加一個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的脈沖波形 這種失真叫尖峰 6 振鈴 減幅振蕩 脈沖波形疊加的阻尼振蕩形式的失真 這種失真通常發(fā)生在過渡時(shí)間之后 三 脈沖波形失真參數(shù) 三 脈沖波形失真參數(shù) 7 穩(wěn)定時(shí)間 建立時(shí)間 上沖 圓頂和振鈴達(dá)到特定的脈沖幅度 電平 量值所需時(shí)間 從脈沖前沿的 前過渡時(shí)間 90 幅度點(diǎn)開始計(jì)算 測量 8 線性Linearity 非線性 從脈沖幅度10 和90 兩量值點(diǎn)相連的直線到前沿過渡曲線之間的最大垂直峰值偏差或最大相對誤差 三 脈沖波形失真參數(shù) 9 傾斜 下垂 Tilt在整個(gè)脈沖頂或脈沖底上總斜率通常是不為零的常數(shù) 脈沖頂或脈沖底的這種失真叫傾斜 傾斜極性可正可負(fù) 傾斜是脈沖頂部傾斜或者底部傾斜相對于脈沖幅度的比值 三 脈沖波形失真參數(shù) 10 抖動 晃動 Jitter是脈沖序列里脈沖波形的時(shí)間特性 一般為時(shí)間間隔或持續(xù)時(shí)間相對于參考時(shí)間的不穩(wěn)定性 最大的晃動值稱為峰值抖動 也有使用脈沖寬度的晃動和周期 延遲的晃動來表示脈沖抖動特性的 三 脈沖波形失真參數(shù) 11 波動Fluctuation脈沖序列里 脈沖波形的脈沖幅度或其他量值特性相對于參考脈沖幅度或參考量值的不穩(wěn)定性 一般用峰 峰值表示 四 復(fù)合波形參數(shù) 1 雙脈沖DoublePulse可作為單個(gè)特征看待的 時(shí)間相鄰極性相同的兩個(gè)脈沖波形 四 復(fù)合波形參數(shù) 2 雙極性脈沖BipolarPulse可作為單個(gè)特征看待的 時(shí)間相鄰極性相反的兩個(gè)脈沖波形 四 復(fù)合波形參數(shù) 3 階梯波Staircase一般是等量值同極性階躍的一種周期性有限序列 第三節(jié)脈沖幅度確定方法 脈沖幅度的確定是脈沖波形測量 確定脈沖參數(shù)的基礎(chǔ) 脈沖波形的許多參量都與上 下穩(wěn)態(tài)電平 第一 二額定狀態(tài) 的數(shù)值有關(guān) 如脈沖的上升時(shí)間 下降時(shí)間 預(yù)沖 過沖 振鈴等 因此測量脈沖幅度首先要確定脈沖上 下穩(wěn)態(tài)電平 脈沖的上 下穩(wěn)態(tài)電平由于脈沖波形的不規(guī)則很難確定 一般采用密度分布統(tǒng)計(jì)平均法或密度分布眾數(shù)法來確定上 下穩(wěn)態(tài)電平 頂部值 底部值 一 密度分布統(tǒng)計(jì)平均法 基本方法是測定脈沖波形出現(xiàn)在某一電平上的密度分布的平均數(shù) 將脈沖波形置于一方格圖中 然后從高度為 m的每一個(gè)水平元素中查出脈沖波形通過的小方格數(shù) 由不同水平元素和波形相交的方格數(shù)畫出相應(yīng)的量值分布圖 由量值分布圖中的兩個(gè)最大值確定脈沖上 下穩(wěn)態(tài)電平 一 密度分布統(tǒng)計(jì)平均法 一 密度分布統(tǒng)計(jì)平均法 每一個(gè)電壓ui對應(yīng)一行方格 每一個(gè)小方格為一個(gè)單元 每一行中與波形相交的單元數(shù)稱為頻數(shù)用pi表示 脈沖幅度的頂值由頂部的各電壓值的頻數(shù)加權(quán)計(jì)算得到的 頂值ut可由下式計(jì)算得到 式中 A 選取電壓值所占的單元個(gè)數(shù) ui 在頂值附近部分選取的電壓值 單位為V Pi A 所選取的各點(diǎn)電壓的權(quán) 二 密度分布眾數(shù)法 以測定脈沖波形瞬時(shí)頂值出現(xiàn)的概率眾數(shù)為基礎(chǔ) 取波形上位置出現(xiàn)概率最大的點(diǎn)作為底部量值與頂部量值 即測出pt pi的眾數(shù)的量值 作為頂量值和底量值 在底部與頂部持續(xù)時(shí)間較長的情況 這種方法和密度分布統(tǒng)計(jì)平均法的測量結(jié)果十分接近 用目測觀察測量所顯示被測脈沖幅度時(shí) 使用密度分布眾數(shù)法分析比較方便 密度分布統(tǒng)計(jì)平均法適合于取樣統(tǒng)計(jì)計(jì)算的場合 在大部分的數(shù)字示波器里采用密度分布統(tǒng)計(jì)平均法計(jì)算脈沖幅度值 第四節(jié)脈沖信號的頻譜分析 脈沖信號的頻譜是指在頻域中觀察脈沖信號 測量脈沖信號包含的頻率分量的幅度分布情況 了解常見脈沖波形的頻譜分析結(jié)果 從而深入理解脈沖在傳輸或變換中的各種特性和現(xiàn)象 有助于提高時(shí)域測量的準(zhǔn)確度 一 周期信號的頻譜分析 用傅立葉分析方法 可以把任意一個(gè)周期信號分解為許多頻率 幅度 相位不同的正弦波 余弦波 這些正弦波 余弦波的頻率必定是基波頻率f0的整數(shù)倍 基頻信號f0稱為基波 nf0的信號稱為n次諧波 任何一個(gè)周期信號都可以展開成三角函數(shù)組合的無窮級數(shù) 稱為傅立葉級數(shù) 設(shè)周期函數(shù)為f t 其重復(fù)周期為T 角頻率為 0 2 T 則f t 可展開為傅立葉級數(shù) 在表達(dá)式中 是周期信號的基波分量 是三次諧波分量 是五次諧波分量 當(dāng)然還有七次 九次諧波等更高次諧波分量 一 周期信號的頻譜分析 對稱方波的傅立葉級數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中 U0 方波振幅 單位為V 0 基波角度頻率 單位為rad 一 周期信號的頻譜分析 也可以將基波 三次諧波 五次諧波等各次奇諧波疊加成為一個(gè)對稱方波 一 周期信號的頻譜分析 a 中疊加波形的過渡時(shí)間大于b 中疊加波形的過渡時(shí)間 疊加波形中所含諧波次數(shù)越高 脈沖的過渡時(shí)間愈短 當(dāng)然所占帶寬就愈寬 被傳輸脈沖波形的過渡時(shí)間越短 則要求傳輸網(wǎng)絡(luò)的頻帶寬度越寬 基波和三 五 七 九次諧波疊加產(chǎn)生的脈沖波形 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 一 脈沖上升時(shí)間與頻帶寬度在脈沖信號的分析中 信號的上升時(shí)間與頻帶寬度有一定的對應(yīng)關(guān)系 脈沖上升時(shí)間愈短 包含的頻譜分量愈豐富 諧波次數(shù)愈高 對應(yīng)的頻帶寬度愈寬 一般情況脈沖的上升時(shí)間與頻帶寬度對應(yīng)關(guān)系如下式 當(dāng)頻率響應(yīng)特性為RC積分網(wǎng)絡(luò)時(shí)k 0 35 當(dāng)頻率響應(yīng)特性為高斯型響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)k 0 34 通常在實(shí)際應(yīng)用中 模擬示波器中的放大器一般可認(rèn)為是RC積分網(wǎng)絡(luò) 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 二 脈沖信號通過級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上升時(shí)間的合成脈沖信號上升時(shí)間的測量結(jié)果與通過脈沖信號的部分存在一種級聯(lián)關(guān)系 當(dāng)階躍信號通過n個(gè)級聯(lián)脈沖響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí) 其總的脈沖響應(yīng) 上升時(shí)間 式中 tr 脈沖通過n個(gè)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)后的上升時(shí)間 單位為s tri 第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間 單位為s 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 當(dāng)n個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有相同脈沖響應(yīng)時(shí) 其單個(gè)網(wǎng)絡(luò)上升時(shí)間為tf 則級連網(wǎng)絡(luò)的上升時(shí)間 一般激勵(lì)信號是一個(gè)有一定上升時(shí)間的快沿脈沖 可以認(rèn)為此脈沖是由理想階躍脈沖通過具有相同上升時(shí)間的網(wǎng)絡(luò)而形成的 三 上升時(shí)間測量時(shí)的誤差修正在脈沖上升時(shí)間測量時(shí) 由于測量系統(tǒng)帶寬的限制 使測得結(jié)果產(chǎn)生誤差 如用示波器測量某脈沖上升時(shí)間 由屏幕上讀出上升時(shí)間為 式中 tro 屏幕上觀察到的上升時(shí)間 單位為s trp 被測脈沖真實(shí)的上升時(shí)間 單位為s trs 示波器自身的建立時(shí)間 單位為s 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 示波器測量脈沖上升時(shí)間不加修正引入多大的誤差 設(shè)n為被測脈沖上升時(shí)間與示波器建立時(shí)間之比 倍數(shù) 則 相對誤差 n取不同值時(shí) 如果不進(jìn)行修正 測量誤差值如下表中所列 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 取不同n值時(shí)的測量誤差值n123456789 t trp 41 411 85 43 0821 3810 780 62 從計(jì)算結(jié)果看 除非所使用的示波器建立時(shí)間遠(yuǎn)小于被測脈沖上升時(shí)間 否則應(yīng)按下式修正 在一般的測量中 要求示波器的建立時(shí)間應(yīng)小于被測脈沖上升時(shí)間的1 3 此時(shí)測量誤差為5 4 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 四 下垂量與低頻截止頻率的關(guān)系顯示波形出現(xiàn)下垂的原因可能是 示波器輸入耦合為交流方式 示波器瞬態(tài)響應(yīng)特性不良 輸入耦合為交流方式引起的波形下垂 式中 td 脈沖持續(xù)時(shí)間 單位為s f 3db 低頻截止頻率 單位為Hz sd 脈沖持續(xù)時(shí)間為td時(shí)的百分比下垂量 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 例 示波器輸入耦合方式置ac耦合 輸入持續(xù)時(shí)間為1ms的矩型脈沖 下垂量6 3 示波器低頻截止頻率f 3dB由下式求出 即示波器低頻截止頻率f 3dB等于10Hz 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 五 脈沖波形上沖與網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)特性關(guān)系網(wǎng)絡(luò)頻帶寬度與其對傳輸脈沖信號的建立時(shí)間有一對應(yīng)關(guān)系 用快沿脈沖來研究示波器的垂直通道傳輸特性 可以分析出脈沖波形上沖與傳輸網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)態(tài)特性的關(guān)系 脈沖信號通過具有不同穩(wěn)態(tài)頻率特性網(wǎng)絡(luò)時(shí)的響應(yīng)結(jié)果不同 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)特性為高斯形狀時(shí) 不產(chǎn)生失真 只引起脈沖前沿變慢 在示波器垂直放大器中 頻帶達(dá)不到要求時(shí) 可用高頻補(bǔ)償來擴(kuò)展放大器通頻帶 當(dāng)補(bǔ)償過度引起通頻帶內(nèi)高端增益過大時(shí) 出現(xiàn)下圖所示情況 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 第五節(jié)脈沖參數(shù)間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 脈沖幅度的定義是什么 脈沖波形參數(shù)主要有幾項(xiàng) 脈沖上升時(shí)間 下降時(shí)間的定義是什么 脈沖寬度的定義是什么 脈沖上升時(shí)間與頻帶寬度之間的關(guān)系 如何對上升時(shí)間測量結(jié)果進(jìn)行修正 思考題 第二章示波器的基本原理 無線電電子學(xué)中的信號大都是時(shí)間變量 可以用時(shí)間函數(shù)來描述 示波器是用來記錄和描述時(shí)間函數(shù)電信號 將一給定時(shí)間內(nèi)所發(fā)生的物理現(xiàn)象表現(xiàn)為可見圖象的一種裝置 第一節(jié)示波器的發(fā)展與分類 一 示波器的發(fā)展示波器是綜合性電信號特性測量儀器 能測量信號的幅度 也能樣測量信號的周期 頻率和相位 而且還能測量調(diào)制信號參數(shù) 特別適用于測量快速脈沖信號 配有高增益放大器 錄敏度高 可觀測微弱信號 配有寬頻帶輸入衰減器 具有觀測信號的幅度范圍大 過載能力強(qiáng) 輸入阻抗高等特點(diǎn) 利用它的顯示技術(shù)能組成各種專用測量儀器 如晶體管特性圖示儀 阻抗圖示儀 頻率特性測量儀 自動網(wǎng)絡(luò)分析儀等 還可以通過各種傳感器來測量各種非電量參數(shù) 一 示波器的發(fā)展 示波器在脈沖測量技術(shù)中是應(yīng)用最廣泛的觀測儀器 示波器發(fā)展到今天已有100多年的歷史 1958年電子管示波器的帶寬已達(dá)到了100MHz 60年代進(jìn)入了晶體管示波器階段 1969年 模擬示波器帶寬到300MHz 取樣示波器帶寬到18GHz 70年代開始了集成化示波器階段 集成化電路技術(shù)使示波器的小型化 高性能 高可靠性成為可能 1971年微處理器誕生 出現(xiàn)了初期智能化的示波器 某些參數(shù)可以由數(shù)字顯示 1971年模擬示波器帶寬已達(dá)到500MHz 1979年達(dá)到了1GHz 1972年 出現(xiàn)了第一臺數(shù)字存貯示波器 隨后數(shù)字存貯示波器發(fā)展極其快速 取樣率由開始的每秒數(shù)十兆點(diǎn) 發(fā)展到20Gsa s 實(shí)時(shí)頻帶寬度達(dá)到6GHz 目前 取樣率發(fā)展到40Gsa s 實(shí)時(shí)頻帶寬度達(dá)到13GHz 一 示波器的發(fā)展 二 示波器的分類 一 模擬示波器中低檔模擬示波器帶寬在100MHz以下 高檔其帶寬可達(dá)1GHz 帶寬受放大電路與顯像管制造技術(shù)的限制 二 取樣示波器出現(xiàn)在1969年 帶寬達(dá)到18GHz 只能測量重復(fù)信號 應(yīng)用范圍受限制 由于觸發(fā)不穩(wěn) 觀測信號不方便 穩(wěn)定性差 目前采用了數(shù)字取樣技術(shù) 響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到皮秒量級 功能有了很大增強(qiáng) 帶寬已達(dá)到50GHz 三 高靈敏度示波器屬于模擬示波器 特點(diǎn) 頻帶寬度較窄 通常為1MHz 垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)可到10 V div 可以觀測微弱低頻信號 輸入端采用差分輸入 可以避免大幅度共模信號干擾 對于醫(yī)學(xué) 生物學(xué)研究是很有用的測量設(shè)備 四 記憶示波器借助記憶示波管及有關(guān)電路實(shí)現(xiàn)波形記憶的示波器 主要用于記錄單次瞬變信號 二 示波器的分類 五 數(shù)字存貯示波器 數(shù)字示波器 數(shù)字存貯示波器采用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)波形存貯 利用A D變換器把模擬信號變換為數(shù)字信號 存貯于半導(dǎo)體存貯器中 經(jīng)過變換 在屏幕上重新建立波形顯示 數(shù)字存貯示波器與模擬示波器相比有極其明顯的優(yōu)點(diǎn)和更廣泛的用途 其一問世就以每年超過百分之二十的增長速度發(fā)展 目前 已在很大程度上取代了模擬示波器 二 示波器的分類 數(shù)字存貯示波器有如下特點(diǎn) 1 可長期存貯波形2 可以實(shí)現(xiàn) 無限余輝 顯示 3 可以自動進(jìn)行多種波形參數(shù)的自動測量與處理 4 有多種靈活的觸發(fā)方式 如前置觸發(fā) 后觸發(fā) 字觸發(fā) 狀態(tài)觸發(fā) 寬度觸發(fā) 毛刺觸發(fā)等等 5 可與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)進(jìn)行采集信號的數(shù)字處理 如頻譜分析 誤差計(jì)算等等 6 可以對顯示波形用打印機(jī)或繪圖儀硬考貝 7 省去價(jià)格昂貴的高頻顯像管 示波器頻帶寬度不斷提高 價(jià)格大幅度下降 二 示波器的分類 六 特種示波器特種示波器是滿足特殊用途或具有特殊裝置的專用示波器 矢量示波器高壓示波器邏輯示波器 二 示波器的分類 第二節(jié)示波器計(jì)量參數(shù)介紹 一 與誤差有關(guān)的參數(shù) 一 垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)誤差示波器垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù)所給出的允許誤差限 u 由下式給出 式中 Ki 平均偏轉(zhuǎn)因數(shù) 即在80 的檢驗(yàn)工作面內(nèi)輸入電壓與偏轉(zhuǎn)高度之比 單位為V div K0 偏轉(zhuǎn)因數(shù)的額定值 單位為V div 一 與誤差有關(guān)的參數(shù) 二 時(shí)間因數(shù)誤差示波器給出的時(shí)間因數(shù)允許誤差限 其中 Kt 平均時(shí)間因數(shù) 即掃描光點(diǎn)移動時(shí)間與對應(yīng)長度之比 單位為s div Kto 時(shí)間因數(shù)的額定值 單位為s div 3 掃描線性誤差在檢驗(yàn)工作面的80 內(nèi)所測得的平均時(shí)間偏轉(zhuǎn)因數(shù)與兩邊緣10 區(qū)域內(nèi)任一端所測得的平均偏轉(zhuǎn)時(shí)間因數(shù)所產(chǎn)生的相對誤差 tc 由下式求取兩者較大者 或其中 Ka 80 檢驗(yàn)工作面內(nèi)實(shí)測平均時(shí)間偏轉(zhuǎn)因數(shù) 單位為s div Kb 檢驗(yàn)工作面內(nèi)左邊10 邊緣處的實(shí)測平均時(shí)間偏轉(zhuǎn)因數(shù) 單位為s div Kc 檢驗(yàn)工作面內(nèi)右邊10 邊緣處的實(shí)測平均時(shí)間因數(shù) 單位為s div 一 與誤差有關(guān)的參數(shù) 一 垂直 水平 偏轉(zhuǎn)水平 垂直 系統(tǒng)處于可工作狀態(tài) 當(dāng)信號輸入到垂直 水平 輸入端時(shí) 光點(diǎn)的偏移 1 垂直 水平 偏轉(zhuǎn)因數(shù)所加電壓與由此電壓產(chǎn)生的垂直 水平 偏轉(zhuǎn)的長度之比 2 垂直 水平 偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展一般為提高放大器增益使示波器的顯示屏上所顯示信號被放大 如垂直偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展 5時(shí) 原來1V div變成了200mV div 則波形的幅度顯示增大了5倍 掃描 水平 擴(kuò)展則使得水平掃速加快 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 二 光點(diǎn)位置的不穩(wěn)定性漂移 使光點(diǎn)隨時(shí)間緩慢和連續(xù)的偏移長期漂移 光點(diǎn)在1h內(nèi)的最大偏移短期漂移 在1小時(shí)總的記錄時(shí)間內(nèi) 光點(diǎn)在最不利的1分鐘內(nèi)最大漂移周期漂移 由于各種原因引起的周期哼聲 紋波等性質(zhì)的不希望的偏移 當(dāng)無信號時(shí)它顯示在屏幕上 有信號時(shí)它疊加在輸入信號的顯示上 零點(diǎn)偏移 不加信號時(shí) 由于特定影響量的變化 所產(chǎn)生光點(diǎn)或光跡的移動 零點(diǎn)偏移通常不是瞬時(shí)的 偏移量的最大值 應(yīng)在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)測定 噪聲 隨機(jī)偏移 由于各種原因引起電子不規(guī)則隨機(jī)運(yùn)動現(xiàn)象 通常以它的幅度換算成輸入等效電壓的峰峰值表示 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 三 穩(wěn)態(tài)特性1 頻率響應(yīng)不平坦度當(dāng)示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號時(shí) 在屏幕上所顯示的幅度是隨頻率變化的函數(shù) 通常以其所顯示幅度的最小值與最大值之比來表示 通常用dB表示 f 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 2 頻帶寬度示波器輸入不同頻率的等幅正弦信號時(shí) 屏幕上顯示的幅度隨頻率變化 當(dāng)顯示幅度與基準(zhǔn)頻率顯示幅度相比下跌3dB時(shí) 此時(shí)的頻率稱為上 下 限頻率 其下限到上限頻率的范圍稱為頻帶寬度 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 四 瞬態(tài)響應(yīng) 1 上升時(shí)間示波器屏幕上顯示的階躍信號波形從脈沖幅度的10 到90 所經(jīng)歷的時(shí)間間隔 通常以tr表示 2 上沖屏幕上顯示的矩形脈沖信號 前沿部分高于脈沖幅度平頂?shù)淖畲笾礲與脈沖幅度A的百分比 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 3 衰減振蕩 阻尼振蕩 屏幕上顯示的矩形脈沖信號 在10tr時(shí)間內(nèi) 除上沖外 衰減振蕩的最大幅度C1或C2 取二者較大者 與脈沖幅度A的百分比 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 4 直流特性 對頻率響應(yīng)從直流開始的示波器 檢驗(yàn)放大器直流增益的熱過渡特性 當(dāng)輸入直流電平由零電平突然到達(dá)一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)后 其幅值的偏移g或h與穩(wěn)定后的幅值A(chǔ)的百分比 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 五 其它1 通道隔離度用于確定示波器任意兩通道間相互影響的一個(gè)量 用下式表示通道隔離度I 式中 K1 干擾通道的偏轉(zhuǎn)因數(shù) 單位為V div K2 被干擾通道的偏轉(zhuǎn)因數(shù) 單位為V div A1 干擾通道的顯示幅度格數(shù) 單位為div A2 被干擾通道的顯示幅度格數(shù) 單位為div 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 2 通道延遲時(shí)間差當(dāng)相同信號加于多蹤示波器任意兩輸入端時(shí) 它的兩個(gè)顯示波形之間的時(shí)間差3 X Y相位差當(dāng)相同相位信號加于具有X Y顯示的示波器兩輸入端時(shí) 屏幕上顯示的相位差 它是一個(gè)與頻率有關(guān)的量值 二 與垂直 水平 偏轉(zhuǎn)有關(guān)的參數(shù) 4 共模抑制比把一電壓加于示波器的兩個(gè)差分輸入端之間測得的某一偏轉(zhuǎn)量高度 再將一電壓加于示波器兩輸入端 兩輸入端并接后與接地點(diǎn)之間測得同一偏轉(zhuǎn)高度 第二次與第一次輸入電壓之比 即為共模抑制比 測量方法 在單端加一個(gè)小電壓 測得一高度為a 然后將示波器的兩輸入端短路 加一個(gè)信號使其在屏幕顯示的高度也為a 這時(shí)二個(gè)輸入電壓之比 即為共模抑制比 5 視在信號延遲時(shí)間 td 從掃描出現(xiàn)的瞬間到信號軌跡達(dá)到脈沖幅度10 所經(jīng)過的時(shí)間 1 時(shí)基電路能使光點(diǎn)隨時(shí)間位移的電路 由時(shí)基產(chǎn)生的光點(diǎn)的位移稱為掃描 2 釋抑電路是時(shí)基電路的一部分 作用是使光點(diǎn)恢復(fù)到原有靜止位置 電路完全恢復(fù)以前 防止被重新觸發(fā)掃描 3 掃描時(shí)間因數(shù)光點(diǎn)在X軸方向移動單位長度所需要的時(shí)間 4 雙時(shí)基工作狀態(tài)指延遲掃描和被延遲掃描同時(shí)工作的示波器工作狀態(tài) 5 延遲掃描電路在雙時(shí)基電路中 除能單獨(dú)工作外還可用來產(chǎn)生延遲掃描的電路 三 與時(shí)基有關(guān)的參數(shù) 1 觸發(fā)是一種觸發(fā)掃描的工作方式 能使每次掃描開始時(shí)均對應(yīng)于被觀測信號上予定電平點(diǎn)而獲得穩(wěn)定顯示 2 觸發(fā)值 觸發(fā)靈敏度 使圖象獲得穩(wěn)定顯示所需的觸發(fā)同步信號最小數(shù)值 3 觸發(fā)同步頻率范圍在規(guī)定的觸發(fā)同步電壓值下 可獲得穩(wěn)定顯示的工作頻率范圍 4 時(shí)基晃動所顯示波形的位置 或它的一部分 平行于掃描方向的一種抖動5 掃描延遲晃動比在采用延遲掃描和被延遲掃描電路中 表示被延遲掃描的晃動和掃描延遲時(shí)間之比 四 與顯示有關(guān)的參數(shù) 五 與取樣示波器有關(guān)的參數(shù) 1 順序取樣取樣點(diǎn)在時(shí)間上相對于觸發(fā)識別點(diǎn)是依次滯后的 提前的 一種取樣過程 2 隨機(jī)取樣信號與取樣動作之間有顯著的時(shí)間間隔不確定性 用這種隨機(jī)取樣構(gòu)成相關(guān)顯示過程 五 與取樣示波器有關(guān)的參數(shù) 3 等效時(shí)間取樣在輸入信號的被顯示部分出現(xiàn)時(shí) 取出一個(gè)取樣點(diǎn)的過程 其掃描的實(shí)際持續(xù)時(shí)間等于輸入信號重復(fù)若干次所需的時(shí)間 4 等效時(shí)間與等效時(shí)間取樣過程所形成的顯示相對應(yīng)的時(shí)間刻度 5 實(shí)時(shí)取樣在輸入信號被顯示部分每出現(xiàn)一次時(shí) 能取出一個(gè)以上取樣點(diǎn)的取樣過程 6 實(shí)時(shí)與實(shí)時(shí)取樣過程所形成的顯示相對應(yīng)的時(shí)間刻度 六 數(shù)字存儲示波器的有關(guān)參數(shù) 1 數(shù)字化速率 取樣速率 單位時(shí)間內(nèi)對模擬輸入信號的取樣次數(shù) 常用MSa s 兆取樣點(diǎn) 秒 表示 現(xiàn)在用GSa s表示 2 變換時(shí)間數(shù)字化速率的倒數(shù) 3 記錄長度表示數(shù)字存儲示波器存儲信號的容量 一般習(xí)慣上表示為為103 4 103 3 104等 4 垂直分辨力一般指所使用的A D變換器的位數(shù) bit 一般有8位 10位 12位不等 六 數(shù)字存儲示波器的有關(guān)參數(shù) 5 水平分辨力是取樣速率和記錄長度的函數(shù) 常以每格的點(diǎn)數(shù) 點(diǎn) 格 表示 6 存儲帶寬 1 有效存儲帶寬在所采用的取樣速率條件下進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣時(shí) 利用最少的顯示點(diǎn)數(shù)能夠測量的最大帶寬 2 等效存儲帶寬對于被取樣的重復(fù)信號 采用取樣技術(shù) 所能達(dá)到的帶寬叫等效存儲帶寬 六 數(shù)字存儲示波器的有關(guān)參數(shù) 7 滾動顯示滾動顯示是數(shù)字存儲示波器觀察慢信號時(shí)特有的工作方式 顯示時(shí)最新數(shù)據(jù)連續(xù)不斷地從屏幕右邊推出 8 奈奎斯特頻率定義為輸入到A D變換器的被抽樣輸入信號的最高頻率分量的兩倍 低于此頻率的輸入信號經(jīng)取樣后能再現(xiàn)原波形 而高于此頻率的輸入信號則不能再現(xiàn)原波形 9 混迭當(dāng)輸入到A D變換器的被抽樣輸入信號的高頻分量高于奈奎斯特頻率時(shí) 會出現(xiàn)輸入信號和取樣頻率的差拍波形 而不是原來的波形 第三節(jié)模擬示波器的組成及工作原理 模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)可分為三大部分 主機(jī) 顯示部分 高低壓電源 垂直 Y 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)水平 X 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 第三節(jié)模擬示波器的組成及工作原理 一 模擬示波器的垂直通道 重直偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 垂直通道 簡稱Y通道 是被測信號的主要傳輸通道 它使顯示的Y軸坐標(biāo)正比于信號的瞬時(shí)值 Y通道同時(shí)提供一個(gè)內(nèi)觸發(fā)信號 使鋸齒掃描信號與被測信號同步 Y通道主要包括 輸入電路 輸入衰減器等 前置放大器 延遲線 后置放大器 又稱輸出放大器 內(nèi)觸發(fā)放大器等 Y通道必須有足夠的頻帶寬度 帶內(nèi)頻響應(yīng)基本平坦 下限頻率最好能擴(kuò)展到直流 以便能觀察速度很慢的信號 帶內(nèi)的相位 頻率特性盡可能是線性的 以保證低的相位失真 常用時(shí)域瞬態(tài)特性來表征Y通道的性能 它應(yīng)有足夠小的脈沖響應(yīng)時(shí)間 上沖應(yīng)小于2 5 輸入衰減器的作用是壓縮輸入信號幅度變化范圍 以使前置放大器工作在正常電壓范圍內(nèi) 調(diào)節(jié)衰減器則改變示波器的偏轉(zhuǎn)因數(shù) 衰減器的基本要求是要有足夠的調(diào)節(jié)范圍和寬頻帶 準(zhǔn)確的分壓系數(shù) 高而恒定的輸入阻抗 示波器的輸入衰減器大都采用電阻 電容補(bǔ)償式衰減器 一 輸入衰減器 一 輸入衰減器 衰減器的分壓比在直流或低頻時(shí)為電阻分壓 當(dāng)交流信號的頻率很高時(shí) 分壓比趨于電容分壓 一 輸入衰減器 當(dāng)在低頻或直流的電阻分壓比和高頻時(shí)的電容分壓比相等時(shí) 輸入衰減器有平坦的頻率響應(yīng) 此時(shí)分壓比與輸入頻率無關(guān) R1C1 R2C2 是衰減器實(shí)現(xiàn)最佳補(bǔ)償?shù)臈l件 當(dāng)輸入為矩形方波時(shí) 可以獲得最佳補(bǔ)償 使輸出波形不失真 一 輸入衰減器 當(dāng)R1C1 R2C2時(shí) 出現(xiàn)過補(bǔ)償 R1C1 R2C2時(shí) 出現(xiàn)欠補(bǔ)償 如圖所示 一 輸入衰減器 模擬示波器最主要的用途是無失真地在屏幕上顯示信號幅度與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系 基本的水平通道系統(tǒng)應(yīng)由觸發(fā)電路 掃描電路和水平放大器等組成 二 模擬示波器的水平通道 觸發(fā)電路包括觸發(fā)輸入耦合電路 觸發(fā)放大器 觸發(fā)整形電路 它提供一個(gè)受控的脈沖去啟動掃描電路 1 觸發(fā)方式選擇觸發(fā)方式可由控制開關(guān)選擇 分為內(nèi)觸發(fā) 外觸發(fā) 電源觸發(fā)等 2 觸發(fā)信號耦合方式選擇觸發(fā)信號可以通過 直流 DC 交流 AC 低頻抑制 LFREJ 高頻抑制 HFREJ 等耦合方式加到觸發(fā)輸入放大 整形電路 一 觸發(fā)電路 3 觸發(fā)極性和觸發(fā)電平觸發(fā)脈沖決定了掃描的起點(diǎn) 與之對應(yīng)的是觸發(fā)輸入放大器輸出電壓的瞬時(shí)值 即觸發(fā)電路的觸發(fā)電平 為了任意選擇被顯示信號的起始點(diǎn) 應(yīng)在觸發(fā)電路中設(shè)置兩種控制 其一是調(diào)節(jié)觸發(fā)點(diǎn)的電平 其二是改變觸發(fā)極性 所謂觸發(fā)極性 有時(shí)也稱觸發(fā)斜率 是指觸發(fā)信號的上升沿或下降沿 前者為正極性 后者為負(fù)極性 它和觸發(fā)電平組合調(diào)節(jié)可獲得下面幾種工作狀態(tài) 一 觸發(fā)電路 調(diào)節(jié)觸發(fā)電平 改變觸發(fā)極性 觸發(fā)點(diǎn)就會發(fā)生變化 這時(shí)掃描起點(diǎn)不同 屏幕上顯示的波形也就不同 一 觸發(fā)電路 4 觸發(fā)方式觸發(fā)方式通常有常態(tài) 自動和高頻三種 常態(tài)觸發(fā) 在有觸發(fā)信號并且產(chǎn)生有效觸發(fā)時(shí) 掃描發(fā)生器才工作 屏幕上才有掃描線 通過觸發(fā)極性和觸發(fā)電平的調(diào)節(jié) 可以任意地選擇觸發(fā)點(diǎn) 自動觸發(fā) 就是無觸發(fā)輸入信號時(shí) 掃描系統(tǒng)仍然有掃描輸出 屏幕上仍能顯示掃描線 而當(dāng)系統(tǒng)中加入觸發(fā)信號時(shí)又能進(jìn)行觸發(fā)掃描 高頻觸發(fā) 一般為自動工作方式 整形電路工作于高頻率的自激狀態(tài) 可用高頻觸發(fā)信號去同步 一 觸發(fā)電路 第四節(jié)數(shù)字存儲示波器 模擬示波器的功能由數(shù)字存儲示波器可以完全實(shí)現(xiàn) 數(shù)字存儲示波器具有許多模擬示波器所不具備的先進(jìn)性能 都帶有微處理器 可對儀器內(nèi)部工作狀態(tài)進(jìn)行管理 并可以對采集波形的數(shù)字化信息進(jìn)行運(yùn)算 處理 分析加工 在屏幕上顯示測量波形 計(jì)算測量結(jié)果 可以進(jìn)行程控操作獲取信息 通過RS232 GP IB等各種形式接口將所獲取的信息送到計(jì)算機(jī)或其他外設(shè)進(jìn)行分析處理 數(shù)字存儲示波器的使用更加方便 靈活 容易組成自動測量系統(tǒng) 一 數(shù)字存儲示波器的取樣存儲原理 1 實(shí)時(shí)取樣取樣點(diǎn)是通過響應(yīng)示波器的一次觸發(fā)而獲得的 一次觸發(fā)采集可完成一個(gè)波形的全部取樣點(diǎn) 當(dāng)數(shù)字示波器工作在實(shí)時(shí)方式或單次模式時(shí) 它的取樣方式均為實(shí)時(shí)取樣 一 數(shù)字存儲示波器的取樣存儲原理 2 非實(shí)時(shí)取樣非實(shí)時(shí)取樣也稱等效時(shí)間取樣 示波器經(jīng)過多個(gè)觸發(fā)脈沖采集所需數(shù)量的取樣點(diǎn) 數(shù)字存儲示波器用等效時(shí)間取樣時(shí) 它可以捕獲示波器模擬帶寬內(nèi)的任何信號而與取樣率無關(guān) 要求輸入信號必須是重復(fù)的 非實(shí)時(shí)取樣與實(shí)時(shí)取樣的區(qū)別 非實(shí)時(shí)取樣不是在一個(gè)信號周期內(nèi)完成取樣的全部過程 取樣點(diǎn)取自若干個(gè)信號波形的不同位置 即每個(gè)信號周期取樣一次 取樣信號每次延遲 t 每次延遲的時(shí)間 t不同時(shí) 稱為 隨機(jī)取樣 每次延遲的時(shí)間 t是固定值時(shí) 稱為 順序取樣 一 數(shù)字存儲示波器的取樣存儲原理 一 數(shù)字存儲示波器的取樣存儲原理 數(shù)字存儲示波器由以下幾部分組成 CRT顯示部分采集電路輸入電路A D變換器 D A變換器I O電路 GP IB控制接口CPU控制硬拷貝 串行通訊接口等 一 數(shù)字存儲示波器工作原理 一 數(shù)字存儲示波器工作原理 1 極好的頻帶寬度模擬示波器頻帶寬度最高為1GHz 數(shù)字示波器的實(shí)時(shí)帶寬已達(dá)13GHz 數(shù)字取樣示波器帶寬高達(dá)70GHz 2 可以長期存儲波形存儲波形可以長期保存 數(shù)字示波器還有軟驅(qū) 可以將信號存入磁盤 送到計(jì)算機(jī)處理 送入打印機(jī) 繪圖儀進(jìn)行硬拷貝 3 極好的信號處理能力利用現(xiàn)代的數(shù)字信號處理技術(shù) 對存儲器中的信號進(jìn)行計(jì)算分析處理 例如 最大值的獲取 平均值的計(jì)算 直接給出的上升時(shí)間 下降時(shí)間 顯示包絡(luò) 進(jìn)行多次信號的平均計(jì)算等 還可以對信號進(jìn)行FFT分析 可以在示波器上形成信號的頻譜圖形 數(shù)字存儲示波器特點(diǎn) 4 極高的顯示置信度數(shù)字示波器借助高速的A D變換器 將數(shù)據(jù)采集下來 存在存儲器中可觀察到顯示波形中的噪聲與晃動 5 具有極強(qiáng)的觸發(fā)功能數(shù)字示波器可以進(jìn)行前置觸發(fā) 予觸發(fā) 后置觸發(fā) POSTTRIG 信號中部觸發(fā) MIDTRIG 圖形觸發(fā) 字觸發(fā) 事件延遲觸發(fā) RUNT脈沖觸發(fā)等方式 6 測量準(zhǔn)確度高掃描速率指標(biāo)可以達(dá)到0 001 不存在掃描線性誤差 水平分辨力可達(dá)到12bit 4096 點(diǎn) 甚至更高 一般A D變換是8位 采用多次平均技術(shù)顯示時(shí) 垂直分辨力可達(dá)到12bit以上 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了模擬示波器 數(shù)字存儲示波器特點(diǎn) 1 最高取樣速率反映了示波器在單位時(shí)間內(nèi)能夠進(jìn)行多少次取樣變換的能力 取樣速率的高低和示波器捕捉信號能力有直接關(guān)系 一般受到A D變換器的轉(zhuǎn)換速率限制 采用不同的A D變換技術(shù) 最高取樣速率會有所區(qū)別 掃描時(shí)間為 t div 時(shí) 取樣速率 fs 的計(jì)算公式為 式中 n 每格的取樣點(diǎn)數(shù) 單位為Sa T 每格的時(shí)間 單位為s 例如 掃描時(shí)間為10 s div 每格取樣點(diǎn)數(shù)為400個(gè) 則取樣速率為40MSa s 一 數(shù)字存儲示波器技術(shù)特性 測量分辨力是數(shù)字示波器對被存儲的信號波形細(xì)節(jié)分析能力的評價(jià) 包括電壓測量分辨力 垂直分辨力 時(shí)間測量分辨力 或水平分辨力 1 垂直分辨力垂直 電壓 分辨力是指一個(gè)取樣點(diǎn)的模擬量所對應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)字的位數(shù) 反映了對信號所能識別的電壓細(xì)節(jié)的大小 A D變換器位數(shù)決定分辨力高低 例如一個(gè)八位的A D變換器 垂直方向上可分成256個(gè)電平級別 電壓的分辨力為1 256 0 391 2 測量分辨力 用A D的位數(shù)去除輸入信號幅度可以得到一個(gè)理論上的電壓分辨力 例如 峰峰值為1V的信號 A D變換器為6位 則測量電壓的增量為 15 9mV是最高有效位分辨力 一般在測量電壓時(shí)的分辨力D可以按下式給出 A D變換器的位數(shù)并不是決定分辨力的唯一因素 提高A D變換器的位數(shù)也并不一定能得到更高的垂直分辨力 數(shù)字存儲示波器能達(dá)到的分辨力與A D變換器的孔徑時(shí)間 機(jī)內(nèi)噪聲電平 線性度及被測信號電平的高低等有關(guān) 2 測量分辨力 例如 一個(gè)12位的A D變換器 理論分辨力均為1 4096 當(dāng)示波器設(shè)置為10V div時(shí) 可以分辨的最小電壓是2 44mV 如果設(shè)置到10mV div時(shí) 可以分辨的最小電壓應(yīng)該是2 44 V 若在這時(shí)內(nèi)部噪聲電平為8個(gè)最小量化單位 即8 2 44 V 19 52 V 它會淹沒小于它的信號分量 即小于8 1 4096 1 512的信號無法分辨 也就是說此時(shí)實(shí)際分辨力只有1 512 相當(dāng)于一個(gè)9位A D變換器的理論分辨力 利用對信號平均處理技術(shù) 提高實(shí)際的分辨力 一般數(shù)字示波器垂直分辨力為8bit即1 256 約為0 4 經(jīng)示波器內(nèi)部對信號多次平均處理 垂直分辨力可達(dá)14bit 約為0 03 2 測量分辨力 2 水平分辨力水平分辨力表示模擬信號在時(shí)間坐標(biāo)軸上的分辨能力 以位數(shù)或每格的顯示點(diǎn)數(shù) 相鄰數(shù)據(jù)點(diǎn)的時(shí)間間隔等表示 它由存儲器容量和取樣速率決定 如1字節(jié)的存儲容量為1024個(gè)字 水平分級數(shù)為1024 相當(dāng)于10位的分辨力 若水平方向?yàn)?0div 則分辨力為1024 10 102 4點(diǎn) 格 此指標(biāo)也反映了水平方向?qū)π盘杽澐旨?xì)微的程度 增加數(shù)字示波器的記錄長度可以提高水平分辨力 數(shù)字示波器的水平分辨力還受到取樣速率限制 2 測量分辨力 在模擬示波器中 水平分辨力取決于屏幕的尺寸及電子束光點(diǎn)的大小與形狀 一般可以分辨的光點(diǎn)為一格的1 25到1 50 且能分辨半根光跡寬度 按水平10格計(jì)算 水平分辨力為1 500至1 1000 這是指理想情況 但實(shí)際上很難達(dá)到 數(shù)字示波器水平分辨力由存入存貯器的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)和測量時(shí)間增量大小決定 數(shù)字示波器有10k以上的存貯量 水平分辨力比一般模擬示波器高很多 但如果用單次數(shù)據(jù)采集方式 不用光標(biāo)和擴(kuò)展測量功能 則所得到的水平分辨力 也會受到限制 達(dá)不到所應(yīng)達(dá)到的水平分辨力 2 測量分辨力 幅度測量誤差來源 a 放大器直流增益誤差b A D變換器的分辨力c 線性度與噪聲 3 幅度測量誤差 例如 一臺數(shù)字示波器技術(shù)指標(biāo) 直流增益誤差為滿度的0 25 分辨力為滿度的0 025 線性度為0 1 噪聲為滿度值的0 02 假設(shè)輸入信號直流為2V 在1V div檔顯示 滿度值為10V 最大測量誤差 V為 V 0 0025 10V 0 00025 10V 0 001 2V 0 0002 10V 37 5mV最大相對誤差 如果輸入信號仍為2V 垂直偏轉(zhuǎn)改為0 5V div 滿度值為5V 電壓測量誤差約15mV 相對誤差小于1 在測量信號電平時(shí) 一般應(yīng)盡量使信號有較大的偏轉(zhuǎn)格數(shù) 以減小幅度測量誤差 3 幅度測量誤差 這里討論的只是從數(shù)字示波器原理上引起的定時(shí)測量誤差例如 某一臺數(shù)字示波器給出的技術(shù)指標(biāo) 時(shí)間間隔測量誤差 實(shí)時(shí)取樣 0 2 取樣間隔 0 007 時(shí)標(biāo) 等效取樣 30ps 0 007 時(shí)標(biāo) 這里沒有考慮數(shù)字示波器實(shí)際測量引起的某些誤差 如頻帶寬度引起的上升時(shí)間變化 觸發(fā)電平誤差等 數(shù)字示波器時(shí)間測量誤差取決于在輸入信號上的取樣點(diǎn)數(shù) 如果沒有內(nèi)插器 最小取樣間隔限制了分辨力 采用內(nèi)插技術(shù)可以提高分辨力 4 時(shí)間測量誤差 測時(shí)誤差還取決于被測信號的類型及內(nèi)插的種類 測量脈沖信號的時(shí)間間隔 寬度等 最好選用線性內(nèi)插顯示方式 這種內(nèi)插工作方式引起的測量誤差可以很小 如在輸入信號的上升時(shí)間上取樣三個(gè)點(diǎn) 采用線性內(nèi)插工作方式測量 其測量誤差優(yōu)于當(dāng)時(shí)取樣間隔時(shí)間的 5 這樣當(dāng)屏幕上顯示波形有500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí) 測時(shí)最大允許誤差為滿度值的 0 01 測量正弦波周期或相位 應(yīng)選用正弦內(nèi)插工作方式 在每周輸入信號上取樣2 5次 就可以精確的顯示出不失真的正弦信號 采用正弦內(nèi)插工作方式減小了測時(shí)誤差 最佳情況測時(shí)誤差優(yōu)于點(diǎn)取樣間隔時(shí)間的 0 5 對于具有500個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的顯示 誤差為滿刻度值的 0 001 4 時(shí)間測量誤差 頻帶寬度用來描述一個(gè)數(shù)字存貯示波器顯示正弦波的能力 在點(diǎn)顯示方式下 顯示一個(gè)正弦波信號至少應(yīng)有25個(gè)取樣點(diǎn) 用下式給出采用點(diǎn)顯示方式下的有效存貯帶寬 內(nèi)插的作用是在原始取樣點(diǎn)之間增加數(shù)據(jù)字 采用線性內(nèi)插時(shí) 在所有數(shù)據(jù)之間按矢量連接 但仍存在包絡(luò)誤差 對于線性內(nèi)插器 有效存貯帶寬用下式表示 5 數(shù)字示波器的頻帶寬度 為了進(jìn)一步改善觀測正弦波的能力 采用正弦內(nèi)插顯示方式 有效帶寬表示公式如下 高取樣率數(shù)字示波器規(guī)定的帶寬 與取樣率無關(guān) 它只是受到數(shù)字示波器輸入端電路及濾波器的限制 不考慮取樣率對帶寬的的影響 如TDS684B數(shù)字示波器 取樣率5GHz 帶寬1GHz 這時(shí)取樣率已高于1GHz帶寬時(shí)的正弦內(nèi)插2 5個(gè)取樣點(diǎn)的要求 5 數(shù)字示波器的頻帶寬度 前面講過 模擬示波器的上升時(shí)間與帶寬的關(guān)系為 對于數(shù)字示波器 如果用線性內(nèi)插來測量脈沖的上升時(shí)間 可能顯示的上升時(shí)間從0 8到1 6取樣間隔之間變化 這取決于取樣點(diǎn)落在所測量脈沖上升時(shí)間的哪個(gè)部位 6 數(shù)字示波器上升時(shí)間 6 數(shù)字示波器上升時(shí)間 可以看出 最大測量誤差是由取樣點(diǎn)的所處位置決定的 數(shù)字示波器的有效上升時(shí)間tru定義為 tru 最小取樣間隔 1 6例如 線性內(nèi)插方式 100MHz最高取樣率 最小取樣間隔為10ns 用1 6乘以最小取樣間隔10ns 有效上升時(shí)間為16ns 在正弦內(nèi)插工作方式測量脈沖上升時(shí)間時(shí) 得到的測量結(jié)果可能會更快一些 但在輸入階躍上只有幾個(gè)取樣點(diǎn)時(shí)會引起預(yù)沖和過沖 6 數(shù)字示波器上升時(shí)間 數(shù)字示波器的有效上升時(shí)間與模擬示波器的上升時(shí)間不同 不能用有效上升時(shí)間和測量出的上升時(shí)間反推被測信號的上升時(shí)間 有效上升時(shí)間是測量時(shí)的最壞情況 實(shí)際測量時(shí) 根據(jù)取樣點(diǎn)的位置不同 測量結(jié)果的誤差也不同 與有效上升時(shí)間對應(yīng)的有效帶寬參數(shù) 數(shù)字示波器與模擬示波器也是不同的 模擬示波器的帶寬與上升時(shí)間和示波器的掃速改變沒有關(guān)系 數(shù)字示波器帶寬與上升時(shí)間隨掃速開關(guān)設(shè)置不同而變化 有效上升時(shí)間和有效帶寬給出了一個(gè)數(shù)字示波器可捕捉最快信號的指標(biāo) 有些數(shù)字示波器 取樣率很高 其上升時(shí)間主要受示波器的前置放大器與濾波器限制 這與模擬示波器的上升時(shí)間相似 6 數(shù)字示波器上升時(shí)間 一般認(rèn)為數(shù)字示波器存貯長度只關(guān)系到數(shù)據(jù)信號的記錄長度 如果存貯長度大 能記錄較長時(shí)間的信號波形 反之則記錄信號波形的時(shí)間較短 實(shí)際上 數(shù)字示波器存貯長度與其某些工作特性有很重要的關(guān)系 它決定了數(shù)字示波器的單次信號取樣頻帶寬度 水平放大倍數(shù)等等 所以存貯長度在數(shù)字示波器中是一個(gè)很重要的特性指標(biāo) 選取合適的存貯長度 可以保證數(shù)字示波器工作在一個(gè)最佳狀態(tài) 因此有必要對其有關(guān)問題進(jìn)行了解 6 數(shù)字示波器存貯長度 a 存貯長度與取樣率的關(guān)系 記錄時(shí)間 取樣速率及存貯長度有如下關(guān)系 記錄時(shí)間 存貯長度 取樣率記錄時(shí)間 掃描速率 t div 10 水平顯示有10個(gè)格 由上式得到 掃描速率 10 存貯長度 取樣率由上式得到 取樣率 存貯長度 掃描速率 10 可以看出當(dāng)存貯長度不變時(shí) 掃描速度變慢時(shí) 取樣率會相應(yīng)減低 例如 一數(shù)字示波器存貯長度為1k 當(dāng)掃描速率為50 s div時(shí)取樣率 1000 50 s 10 2Msa s如果存貯長度增加至50k 掃描時(shí)間保持不變 則 取樣率 50000 50 s 10 100Msa s可見 如二臺數(shù)字示波器有相同的最高取樣率 在同一掃速下工作 存貯長度大的示波器有更高的取樣率 a 存貯長度與取樣率的關(guān)系 數(shù)字示波器是在內(nèi)部的前置放大器電路后 通過取樣電路 模數(shù)變換器把被測信號變成一組離散的數(shù)據(jù)點(diǎn) 存入存貯器進(jìn)行后續(xù)的數(shù)字處理與顯示 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí) 根據(jù)奈奎斯特取樣定理 采集速率必須高于被采集信號的最高頻率的兩倍以上 否則會產(chǎn)生混淆現(xiàn)象 實(shí)際數(shù)字示波器在取樣時(shí) 取樣速率一般不應(yīng)小于5倍被測信號重復(fù)頻率 特別是在對脈沖信號來說 希望有更多的取樣點(diǎn) 以減小所顯示的被測波形的失真 存貯長度會直接影響示波器的取樣速率 也會間接影響頻帶寬度 比較長的存貯長度能保持比較寬的頻帶寬度 b 存貯長度與頻帶寬度的關(guān)系 數(shù)字示波器顯示波形的放大擴(kuò)展能力取決于對被測信號進(jìn)行數(shù)字化后存貯的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)多少 例如 一臺數(shù)字示波器存貯長度1k 如果屏幕水平顯示分辨力為500點(diǎn) 那么對于顯示波形來講只能擴(kuò)展二倍 如果勉強(qiáng)再擴(kuò)展至5倍 水平分辨力變?yōu)?00點(diǎn) 觀察信號就會帶來失真 影響觀察與測量 當(dāng)存貯長度增加到25k時(shí) 如果仍然維持500點(diǎn)的水平分辨力 那么可以對信號擴(kuò)展50倍 而不影響顯示波形的水平分辨力 由此看出 存貯長度越大 顯示波形的擴(kuò)展能力越強(qiáng) c 長的存貯長度可以提高波形的擴(kuò)展顯示能力 數(shù)字示波器大多有脈沖參數(shù)的自動測量功能 根據(jù)脈沖參數(shù)定義 在測量給出脈沖信號的各個(gè)參數(shù)之前 必須先測出脈沖的頂值 底值兩個(gè)參數(shù) 以這二個(gè)值為依據(jù)再做其它參數(shù)測量計(jì)算 從理論上講數(shù)據(jù)點(diǎn)越多 統(tǒng)計(jì)結(jié)果誤差越小 如果數(shù)據(jù)點(diǎn)過少 則會因分辨力降低而影響統(tǒng)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性 d 長的存貯長度可以提高脈沖波形的測量準(zhǔn)確度 較長的存貯長度使得分段記錄數(shù)據(jù)成為可能 這樣可以靈活地將存儲器分為多段 記錄測量結(jié)果 即利用示波器的觸發(fā)功能 對每一段存儲器設(shè)定一個(gè)特定的觸發(fā)條件 當(dāng)滿足對應(yīng)的觸發(fā)條件時(shí) 則在此段存儲器中記錄數(shù)據(jù) e 數(shù)據(jù)存貯可分段進(jìn)行 思考題 1 模擬示波器的輸入衰減器電路形式是什么 畫出在脈沖狀態(tài)下幾種不同補(bǔ)償情況的波形圖 2 何為示波器的水平 垂直 偏轉(zhuǎn)擴(kuò)展 3 決定數(shù)字存儲示波器的垂直分辨力的因素有哪幾項(xiàng) 4 數(shù)字示波器的存儲長度指標(biāo)對對測量信號有何影響 第三章示波器檢定 示波器是無線電測量領(lǐng)域中應(yīng)用極其廣泛的一種測量儀器 使用示波器校準(zhǔn)儀直接對示波器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)量檢定 示波器校準(zhǔn)儀是檢定示波器主要技術(shù)指標(biāo)的專用標(biāo)準(zhǔn)測量儀器 它產(chǎn)生的各種標(biāo)準(zhǔn)測量信號能滿足檢定示波器各項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)的要求 第一節(jié)示波器檢定裝置 一 示波器檢定裝置的特性1 標(biāo)準(zhǔn)幅度方波信號用于檢定示波器的垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù) 幅度測量等項(xiàng)指標(biāo) 方波頻率可變 模擬示波器一般利用1kHz方波測量垂直偏轉(zhuǎn)因數(shù) 2 標(biāo)準(zhǔn)直流信號用于檢定數(shù)字示波器直流增益 直流偏置誤差 幅度測量誤差等 3 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號用于檢定示波器的水平偏轉(zhuǎn)因數(shù) 時(shí)間間隔測量誤差 時(shí)標(biāo)信號波形可以是方波 三角波 尖脈沖或正弦波 一 示波器檢定裝置的特性 4 快前沿脈沖用于檢定示波器垂直系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng) 如上升時(shí)間 過沖等 對快沿脈沖的要求是上升時(shí)間小 盡可能小的波形失真 目前示波器校準(zhǔn)儀快沿脈沖上升沿做到100ps左右 最快可達(dá)到25ps 5 穩(wěn)幅正弦波信號用于檢定示波器垂直系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)頻響 內(nèi)外觸發(fā) 同步 特性 穩(wěn)幅正弦波的頻響特性一般應(yīng)好于0 5dB 此外示波器校準(zhǔn)儀還可以檢定示波器的輸入電阻與輸入電容 產(chǎn)生其它的一些專用測量信號等 示波器校準(zhǔn)儀大致可分為三種類型 第一類用于檢定頻帶寬度100MHz以下的模擬示波器的校準(zhǔn)儀 有國產(chǎn)SO3 SO3A SO4 NH4600 NF4608型 國外生產(chǎn)的192 6125B等型號的校準(zhǔn)儀 第二類用于檢定頻帶寬度350MHz以下模擬示波器的校準(zhǔn)儀 有國產(chǎn)SO6 NH4601 NF4609 NH4602等型號 第三類是程控示波器校準(zhǔn)儀 有國產(chǎn)NH4602 POC 1 POC 2等 國外生產(chǎn)的有6125C CG5001 CG5011 5500 5800 5820A 9500等 近期國外生產(chǎn)的示波器校準(zhǔn)儀各項(xiàng)指標(biāo)的準(zhǔn)確度大大提高 測量功能增加 一 示波器檢定裝置的特性 示波器需要