第7章波形顯示與測量(電子測量技術(shù)課件)

1、第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 第第7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.1 示波器的功能與分類示波器的功能與分類7.2 示波顯示的基本原理示波顯示的基本原理7.3 模擬示波器模擬示波器7.4 取樣示波器取樣示波器7.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器7.6 示波器的應(yīng)用示波器的應(yīng)用思考題思考題7第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.1 示波器的功能與分類示波器的功能與分類7.1.1 示波器的功能示波器是一種電子圖示測量儀器，它可以用來觀察和測量隨時間變化的電信號圖形，可以定性地觀察電路的動態(tài)過程，如觀察電壓、電流的變化過程，還可以定量測量各種電參數(shù)，例如測量脈沖幅

2、值、上升時間、重復(fù)周期或峰值電壓等。由于示波器能夠直接對被測電信號的波形進(jìn)行顯示、測量，并能對測量結(jié)果進(jìn)行運(yùn)算、分析和處理，功能全面，加之具有靈敏度高、輸入阻抗高和過載能力強(qiáng)等一系列特點，因此在生產(chǎn)、維修、教學(xué)、科學(xué)研究等領(lǐng)域中得到了極其廣泛的應(yīng)用。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.1.2 示波器的分類從示波器的性能和結(jié)構(gòu)出發(fā)，可將示波器分為模擬示波器、數(shù)字示波器、混合示波器和專用示波器。 1 模擬示波器 （1） 通用示波器： 采用單束示波管的示波器。這類示波器采用單束示波管，有單蹤型和多蹤型，能夠定性、定量地觀測信號，是最常用的示波器。多蹤示波器是采用單束示波管而帶有電子開關(guān)

3、的示波器，它能同時觀測幾路信號的波形及其參數(shù)，或?qū)蓚€以上的信號進(jìn)行比較。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （2） 多束示波器：采用多束示波管的示波器。與通用示波器的疊加或交替顯示多個波形不同，其屏上顯示的每個波形都由單獨的電子束產(chǎn)生，能同時觀測、比較兩個以上的波形。 （3）取樣示波器：它根據(jù)取樣原理將高頻傳號轉(zhuǎn)換為低頻傳號，然后再用通用示波器顯示其波形。這樣，被測信號的周期被大大展寬，便于觀察信號的細(xì)節(jié)部分，常用于觀測300 MHz以上的高頻信號及脈沖寬度為納秒級的窄脈沖信號。目前已被數(shù)字存儲示波器或數(shù)字取樣示波器所取代。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2 數(shù)字示波

4、器（1）數(shù)字存儲示波器（DSO，Digital Storage Oscilloscope）： 它能將電信號經(jīng)過數(shù)字化及后置處理后再重建波形，具有記憶、存儲被觀測信號的功能，可以用來觀測和比較單次過程和非周期現(xiàn)象、低頻和慢速信號以及在不同時間或不同地點觀測到的信號。它往往還具有豐富的波形運(yùn)算能力，如加、減、乘、除、峰值、平均、內(nèi)插、FFT、濾波等，并可方便地與計算機(jī)及其它數(shù)字化儀器交換數(shù)據(jù)。 （2）數(shù)字熒光示波器（DPO，Digital Phosphor Oscilloscope）： 采用先進(jìn)的數(shù)字熒光技術(shù)，能夠通過多層次輝度或彩色顯示長時間信號，具有傳統(tǒng)模擬示波器和現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器的雙重特點

5、。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3 混合示波器混合信號示波器是把數(shù)字示波器對信號細(xì)節(jié)的分析能力和邏輯分析儀對多通道的定時測量能力組合在一起的儀器。4.專用示波器不屬于以上幾類、能滿足特殊用途的示波器稱為專用示波器或特殊示波器。例如監(jiān)測和調(diào)試電視系統(tǒng)的電視示波器，主要用于調(diào)試彩色電視中有關(guān)色度信號幅度和相位的矢量示波器等等。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.2 示波顯示的基本原理示波顯示的基本原理 7.2.1 陰極射線示波管典型的示波器利用陰極射線示波管CRT作為顯示器，CRT是示波器的重要組成部分，其作用就是把電信號轉(zhuǎn)換為光信號而加以顯示。其構(gòu)造與電視機(jī)顯像管相

6、同，主要由電子槍、偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和熒光屏三大部分組成，三大部分均封裝在密閉呈真空的玻璃殼內(nèi)，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖7.1所示（圖中省略了玻璃外殼）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.1 陰極射線示波管結(jié)構(gòu)示意圖陰極K發(fā)第一陽極A1射電子槍聚焦燈絲FRP1輝度RP2聚焦輔助聚焦RP3第二陽極A2Y1Y2偏轉(zhuǎn)板偏轉(zhuǎn)板X2X1偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)熒光屏第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 1.電子槍電子槍的作用是發(fā)射電子并形成聚束的高速電子流。它主要由燈絲F、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2和后加速陽極A3組成。除燈絲外，其余電極的結(jié)構(gòu)均是金屬圓筒，且它們的軸心都保持在同一軸線上。

7、 2.偏轉(zhuǎn)系統(tǒng) 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的作用是使電子束產(chǎn)生在垂直和水平方向上的位移。 偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)位于第二陽極之后，由兩對相互垂直且平行的金屬板X、Y偏轉(zhuǎn)板（水平、垂直偏轉(zhuǎn)板）組成，其中心軸線均與示波管的中心軸線重合，分別控制電子束在水平方向、垂直方向的偏轉(zhuǎn)。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3.熒光屏熒光屏是示波器的顯示部分，為圓形曲面或矩形平面，其內(nèi)壁涂有熒光物質(zhì)，形成熒光膜。當(dāng)熒光物質(zhì)受到電子槍發(fā)射的高速電子束轟擊時就能產(chǎn)生熒光亮點，亮點的亮度取決于電子束中電子的數(shù)目、密度和速度。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.2.2 示波管顯示原理1. 顯示隨時間變化的圖形1) 掃描的概

8、念若 想 觀 測 一 個 隨 時 間 變 化 的 信 號 ， 例 如f(t)=Umsint，那么只要把被觀測的信號轉(zhuǎn)變成電壓加到Y(jié)偏轉(zhuǎn)板上，電子束就會在Y方向上隨信號的規(guī)律變化，任一瞬間的偏轉(zhuǎn)距離正比于該瞬間Y偏轉(zhuǎn)板上的電壓。但是如果水平偏轉(zhuǎn)板間沒加電壓，則熒光屏上只能看到一條垂直的直線，如圖7.2（a）所示。時間基線（簡稱時基線），如圖7.2（b）所示。被測信號隨時間變化的波形，如圖7.2（c）所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.2 掃描過程(a） 只加信號電壓; (b） 時間基線的獲得; (c） 信號波形在時間軸上展開 UyTs012Y130 213t(a)Y2(b

9、)(c)012 3Y1UyY2X1UxX200X1UxTnX2t第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 信號與掃描電壓的同步圖7.3為掃描電壓與被測信號同步時的情況。如果沒有這種同步關(guān)系，則后一掃描周期描繪的圖形與前一掃描周期描繪的圖形不重合，如圖7.4所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.3 掃描電壓與被測信號同步123456789105tUyTs1,90,82 10 4 12 673UxTnt00第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.4 掃描電壓與被測電壓不同步01234567891010TsUxt12t012483760Uy9 50Tn第第

10、7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3） 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描 連續(xù)掃描與觸發(fā)掃描的比較如圖7.5所示。其中圖7.5（a）為被測脈沖，若用連續(xù)掃描來顯示它，掃描信號的周期有兩種可能的選擇： (1) 選擇掃描周期Tn等于脈沖重復(fù)周期Ts，這種情況如圖7.5（b）所示。不難看出，屏幕上出現(xiàn)的脈沖波形集中在時間基線的起始部分，即圖形在水平方向被壓縮，以致難以看清脈沖波形的細(xì)節(jié)，例如很難觀測它的前后沿時間。(2) 選擇掃描周期Tn等于脈沖底寬。為了將脈沖波形在水平方向展寬，必須第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.5 連續(xù)掃描和觸發(fā)掃描的比較tt被測脈沖連續(xù)掃描觸發(fā)掃描0UyTsUx

11、t(Ts Tn)TnUxTn連續(xù)掃描(Tn)tUx000(a)(b)(c)(d)第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 4） 掃描過程的增輝 在以上的討論中假設(shè)了掃描回程時間接近于零，但實際上回掃是需要一定時間的，這就對顯示波形產(chǎn)生了一定的影響。圖7.6仍是掃描周期等于兩倍信號周期的情況，只是掃描電壓有一定的回掃時間（圖中7-8段）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.6 掃描回程對顯示波形的影響412356780910t781034567Uy1,90,8Ux0TntTs2123456第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 顯示任意兩個變量之間的關(guān)系如果這兩

12、個信號初相相同，則可在熒光屏上畫出一條直線； 若X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，這條直線與水平軸呈45，如圖7.7（a）所示。如果這兩個信號初相相差90，則在熒光屏上畫出一個正橢圓；若X、Y方向的偏轉(zhuǎn)距離相同，則在熒光屏上畫出一個圓，如圖7.7（b）所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.7 兩個同頻率信號構(gòu)成的李沙育圖形 (a) Uy與Ux同相位； (b) Uy超前Ux 901t1301234Uy02340,2,4UXt(a)01234210312Uy34t0,4Uxt(b)第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.3 模擬示波器模擬示波器7.3.1 模擬示波器的基本組

13、成 通用模擬示波器主要由示波管、垂直（Y軸）通道、掃描（鋸齒波）信號發(fā)生器、水平(X軸）通道以及電源等部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖7.8所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.8 通用模擬示波器的基本結(jié)構(gòu)框圖X 軸輸入Y軸通道X軸通道鋸齒波發(fā)生器電源 掃描水平內(nèi)同步外同步同步輸入示波管第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 1. 示波管2. Y軸通道1） 輸入電路輸入電路主要包括探極、耦合方式轉(zhuǎn)換開關(guān)、衰減器、阻抗變換及倒相放大器等部分，如圖7.9所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.9 Y通道輸入電路框圖阻抗變換及倒相放大器衰減器偏轉(zhuǎn)靈敏度探極Y前置放

14、大器DCACGND被測信號耦合方式第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (1) 探極。無源探極的結(jié)構(gòu)如圖7.10所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.10 無源探極的結(jié)構(gòu)C9 M輸入R探極RdZiCiRi1 M示波器第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 具體做法是將示波器標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器產(chǎn)生的方波加到探極上，用螺絲刀左右旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償電容C，直到調(diào)出如圖7.11（a）所示正確的方波（即正確補(bǔ)償）為止。否則，會產(chǎn)生如圖7.11（b）、（c）所示電容過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償?shù)牟ㄐ巍５诘? 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.11 探極的補(bǔ)償結(jié)果(a)(b)(c)第第7

15、7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (2) 耦合方式選擇開關(guān)。(3) 衰減器。 (4) 阻抗變換及倒相放大器。 2） 前置放大器3） 延遲級4） 輸出放大器3. X軸通道 X軸通道由觸發(fā)電路、掃描電路和X軸放大器組成。其組成框圖如圖7.12所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.12 X軸通道組成框圖掃描閘門掃描電壓產(chǎn)生電路比較和釋抑電路水平放大器掃描信號發(fā)生器X偏轉(zhuǎn)板放大整形電路觸發(fā)耦合方式選擇觸發(fā)源選擇觸發(fā)電路第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 1） 觸發(fā)電路觸發(fā)電路的作用在于選擇觸發(fā)源并產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的觸發(fā)信號，以觸發(fā)掃描發(fā)生器產(chǎn)生穩(wěn)定的掃描電壓。其組成框圖如

16、圖7.13所示，主要由觸發(fā)源選擇、耦合方式選擇開關(guān)、觸發(fā)電平與斜率選擇器、放大整形電路等組成。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.13 觸發(fā)電路組成框圖放大整形電路觸發(fā)電平及斜率選擇器S3觸發(fā)電平HFC3AC(H)C2ACC1S2DCS1內(nèi)外電源第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (1) 觸發(fā)源選擇。(2) 觸發(fā)耦合選擇。(3) 觸發(fā)方式選擇。(4) 觸發(fā)電平及斜率選擇。觸發(fā)電平及觸發(fā)極性可以直接從顯示波形上進(jìn)行判斷，如圖7.14所示。(5) 放大整形電路。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.14 不同觸發(fā)電平、觸發(fā)極性下的波形(a) 被測正弦信號

17、； (b) 零電平正極性觸發(fā)； (c) 正電平正極性觸發(fā)；(d) 正電平負(fù)極性觸發(fā)；(e) 負(fù)電平負(fù)極性觸發(fā)； (f) 負(fù)電平正極性觸發(fā)Uy01234(a)(b)01(c)(d)(e)( f )234t第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 掃描信號發(fā)生器現(xiàn)代示波器通常用掃描發(fā)生器環(huán)來產(chǎn)生掃描信號，常由積分器、掃描閘門及比較和釋抑電路組成，如圖7.15所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.15 掃描信號發(fā)生器組成框圖掃描電壓產(chǎn)生電路掃描閘門比較和釋抑電路送 X軸 放大器觸發(fā)連續(xù)觸發(fā)脈沖第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3）X軸放大器4. 電源部分

18、7.3.2 示波器的多波形顯示1. 多線示波多線示波是指采用多線示波管（又稱為多束示波管）制成的多線示波器來顯示多路波形。多線示波管內(nèi)裝有多個（一般有兩個）獨立的電子槍，每個電子槍能同時發(fā)出一束電子束，每一電子束都有各自獨立的偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)各自控制電子束的偏轉(zhuǎn)，共用一個熒光屏顯示。多線示波器各通道間相互獨立，交叉干擾小，測量準(zhǔn)確度高，但它制造困難，成本高， 所以較少使用。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 多蹤示波多波形顯示常用的方法是多蹤示波。其組成及原理與單蹤示波器類似，是在單蹤示波器的基礎(chǔ)上增加了電子開關(guān)而形成的。它也采用單束示波管，其內(nèi)只有一個電子槍、一套Y偏轉(zhuǎn)板，

19、通過在Y通道上增設(shè)的電子開關(guān)來高速控制幾個被測信號輪流地接入Y偏轉(zhuǎn)板而在熒光屏上顯示出多個波形，即采用了時分復(fù)用技術(shù)，這一技術(shù)充分利用了電子開關(guān)的高速轉(zhuǎn)換特性和人眼的視覺惰性。它具有實現(xiàn)簡單、價格低的優(yōu)點，因而得到了廣泛應(yīng)用。最常用的是雙蹤示波器，即能夠顯示兩個波形的多蹤示波器，其簡要原理框圖如圖7.16所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.16 雙蹤示波器的簡要原理框圖Y1輸入電路Y1前置放大器Y1門電路電子開關(guān)Y2輸入電路Y2前置放大器Y2門電路延遲線Y后置放大器Y1輸入控制信號Y2輸入第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (3) “疊加（CH1+CH2）”：

20、兩通道同時工作，Y1、Y2通道的信號在公共通道放大器中進(jìn)行代數(shù)相加后送入垂直偏轉(zhuǎn)板，顯示兩路信號疊加后的波形。(4) “交替（ALT）”： 若通道1輸入正弦波，通道2輸入同頻率的三角波，則屏上顯示的波形如圖7.17（a）所示。 (5) “斷續(xù)（CHOP）”： 這樣顯示出的波形是由許多線段組成的，只要轉(zhuǎn)換頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于被測信號的頻率, 這些線段及其間隔就很短，看起來顯示的波形好像是連續(xù)的，如圖7.17（b）所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.17 交替和斷續(xù)時顯示的波形（a） 交替; （b） 斷續(xù)(a)(b)1357911108642第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測

21、量 7.3.3 通用模擬示波器的主要技術(shù)性能指標(biāo)通用模擬示波器的主要技術(shù)性能指標(biāo)有： （1） 頻帶寬度BW： 通常指Y通道的工作頻率范圍，即Y通道輸入信號上、下限頻率之差?，F(xiàn)代示波器的下限頻率都已延伸至0 Hz，因而示波器的頻帶寬度可用上限頻率來表示。通常要求： BW3fmax （7-1） 式中fmax為被測信號的最高頻率。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （2） 輸入靈敏度： （3） 輸入阻抗： （4） 掃描速度： （5） 時域響應(yīng)： 當(dāng)輸入理想的矩形脈沖波后，從示波器顯示的波形中可看出上升時間tr、下降時間tf、上沖、反沖、平頂?shù)涞让}沖參數(shù)。頻帶寬度BW與上升時間t之間一般

22、有確定的內(nèi)在關(guān)系，即（7-2）max3fBW 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.3.4 YB4365型雙蹤示波器 1. 主要特點 （1） 屏幕顯示設(shè)定狀態(tài)，多種參數(shù)均可在屏幕上以字符形式顯示。 （2）具有光標(biāo)卡尺線，可對光標(biāo)線之間的U、T、1/T等參數(shù)進(jìn)行測量。 （3）可自動設(shè)定最佳掃描速度，并跟隨輸入信號自動設(shè)定掃速。 （4） 采用先進(jìn)的表面貼裝工藝，體積小，可靠性高。 （5） 開關(guān)電源供電，確保儀器在市電壓90260 V之間正常使用。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 技術(shù)指標(biāo) （1）帶寬： DC100 MHz（-3 dB）。 （2）Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度： 2

23、mV/div5 V/div，按1-2-5進(jìn)制，分11擋，5%。（3）頻帶響應(yīng)： 5 mV/div時，DC100 MHz（-3 dB）。（4）上升時間： 3.5 ns。（5）最高安全輸入電壓： 400 V（DC+AC峰值），1 kHz。 （6） 掃描速度： 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （7） 掃描線性誤差： 5%。（8） 擴(kuò)展后線性誤差： 15%。（9） 光標(biāo)讀出： 4位數(shù)字顯示。 （10） 校正輸出：方波，0.5 UP-P2%，1kHz10%。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.4 取樣示波器取樣示波器7.4.1 取樣的概念1. 取樣原理取樣示波器與普通示波器

24、的主要區(qū)別在于取樣示波器運(yùn)用了取樣技術(shù)。欲觀察一個波形，可以把這個波形在示波器上連續(xù)顯示，也可以在這個波形上取很多的點，把連續(xù)波形變換成離散波形，只要取樣點數(shù)足夠多，這些離散點也能夠反映原波形的形狀。這種從被測連續(xù)波形上取得一系列樣點(也就是獲取一系列離散時刻對應(yīng)的信號幅值)的過程就是取樣，又稱采樣。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.18 取樣原理p(t)T0tSRCuouiO第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 實時取樣與非實時取樣取樣分為實時取樣和非實時取樣兩種。從信號波形一個周期中取得大量取樣點來表示一個信號波形（也就是取樣脈沖的周期遠(yuǎn)小于輸入信號的周期

25、），并且取樣持續(xù)的時間等于輸入信號的一個周期或多個周期或輸入信號實際經(jīng)歷的時間，這種取樣方式稱為實時取樣，如圖7.19（a）所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.19 實時與非實時取樣示意圖(a) 實時取樣； (b) 非實時取樣1234567熒光屏上顯示的波形取樣點12345678910取樣脈沖fs輸入信號uit2t3t(a)(b)第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 步進(jìn)間隔t與信號最高頻率fh間應(yīng)滿足取樣定理： （7-3）7.4.2 取樣示波器的工作原理 相比較而言，取樣示波器與通用示波器主要有以下區(qū)別： （1） 取樣示波器延遲級放在取樣門前面，以便在內(nèi)觸發(fā)時

26、提前提取一部分被測信號作為觸發(fā)信號，這樣觀測時不會丟掉信號的陡峭前沿。（2） 取樣示波器X通道產(chǎn)生時基掃描信號，是利用每一個t步進(jìn)延遲脈沖去觸發(fā)階梯波形成電路，使它的輸出增長一級，掃描信號是線性階梯波。hft21第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 延遲線取樣門取樣門脈沖信號源放大器延長門延長門脈沖信號源掃描信號發(fā)生器時基單元觸發(fā)電路Y輸入取樣脈沖t步進(jìn)延遲脈沖mTtmT內(nèi)外圖7.20 取樣示波器的原理框圖第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （3） 通用示波器中，每觸發(fā)一次，能產(chǎn)生一個完整的掃描信號； 而取樣示波器中，每觸發(fā)一次，只能獲得一個樣點。（4） 取樣示波器顯示的波形

27、由許多點組成，波形反映被測信號包絡(luò)，但波形是經(jīng)過變換的，波形經(jīng)歷時間遠(yuǎn)大于被測信號的實際經(jīng)歷時間。7.4.3 取樣示波器的主要參數(shù)取樣示波器除了具有通用示波器的性能指標(biāo)外，還具有其本身的技術(shù)參數(shù)，主要有： （1） 取樣示波器的帶寬。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 取樣示波器的頻帶寬度為 （7-4）（2） 取樣密度。取樣密度是指電路掃描時，在示波管屏幕X軸上每格顯示的被測信號所對應(yīng)的取樣點數(shù)，常用每厘米的光點數(shù)來表示。 64. 044. 03dBf第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （3）等效掃描速度。通用示波器的掃描速度是指單位時間內(nèi)電子束在水平方向上的位移。 （4）

28、取樣頻率。取樣頻率即取樣脈沖的重復(fù)頻率。取樣頻率越高，越能反映被測信號的特性。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.5 數(shù)字存儲示波器數(shù)字存儲示波器7.5.1 數(shù)字存儲示波技術(shù)簡介 數(shù)字存儲示波采用數(shù)字電路，先經(jīng)過A/D 變換器，模擬輸入信號波形被變換成數(shù)字信息，存儲于數(shù)字存儲器中；需要顯示時，再從存儲器中讀出，通過D/A 變換器，將數(shù)字信息變換成模擬波形顯示在示波管上。數(shù)字存儲示波的基本原理框圖如圖7.21所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.21 數(shù)字存儲示波的基本原理框圖預(yù)調(diào)整(預(yù)放大)A/D轉(zhuǎn)換存儲裝置D/A轉(zhuǎn)換垂直輸出放大觸發(fā)數(shù)據(jù)處理時鐘,時基水平

29、輸出放大D/A轉(zhuǎn)換CRT第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 1. 數(shù)字存儲示波器的主要特點 與模擬示波器相比，數(shù)字存儲示波器有以下優(yōu)點： （1） 波形可長期保存、多次顯示。 （2） 支持負(fù)延時觸發(fā)。 （3） 便于觀測單次過程和突發(fā)事件。 （4） 具有多種顯示方式。 （5） 便于進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理。 （6） 具有多種輸出方式，便于進(jìn)行功能擴(kuò)展和自動測試。 （7） 集成度高，體積小，重量輕。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 信號采樣模擬信號在數(shù)字存儲示波器內(nèi)首先要進(jìn)行采樣變成數(shù)字信號，然后才能進(jìn)行進(jìn)一步的處理。1） 采樣方式在實時采樣中，一個信號的所有采樣點在一個單一的

30、信號獲取段中取得，見圖7.22（a）。等效時間采樣又大體分為兩類： 序列采樣和隨機(jī)性采樣，見圖7.22（b）、（c）。隨機(jī)采樣技術(shù)的另一個衍生的采樣法是多點隨機(jī)采樣，即在每個獲取的信號周期中采樣若干個點，見圖7.22（d）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.22 數(shù)字存儲顯示技術(shù)中的各種采樣技術(shù)單一周期第一周期第二周期第三周期最后一個周期第一次采樣第二次采樣(a)(b)最后一次采樣(c)第一周期第二周期第三周期(d)第三次采樣第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 采樣速率采樣速率又稱為數(shù)字化速率，對它的描述方式通常有三種： (1) 用采樣次數(shù)來描述，表示為單位

31、時間內(nèi)采樣的次數(shù)，如20106次/s(20 MS/s）。(2) 用采樣頻率來描述，如20 MHz。 (3) 用信息率來描述，表示為每秒鐘存儲多少位（比特）的數(shù)據(jù)，如每秒鐘存儲160兆位的數(shù)據(jù)，這對于一個8位的A/D轉(zhuǎn)換器來說，就相當(dāng)于20106次/s的采樣速率。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 實際上，一個儀器的采樣速率是隨時基設(shè)置的不同而改變的。二者之間的關(guān)系是： （7-5）例如，一個儀器有1024個波形記錄寄存單元，掃描長度為10個單位刻度，而時基設(shè)置為10s/div，那么采樣速率為掃描長度時基單位所記錄波形的長度采樣速率sMSMHzsSr/24.1024.10/24.101

32、0101024或第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3. 波形顯示技術(shù)1） 點顯示技術(shù)點顯示就是在屏幕上以有間隔的點的形式將被獲取的信號波形顯示出來。 2） 數(shù)據(jù)點插入技術(shù)在波形顯示技術(shù)中，常常使用插入器將一些數(shù)據(jù)補(bǔ)充給儀器，插在所有相鄰的采樣點之間。 簡要介紹幾種常用插入技術(shù)。(1) 向量式顯示（線性插入）。某些視覺誤差可以通過對顯示點選加一個向量（按信號規(guī)律事先計算好的一系列點）的方法來進(jìn)行糾正。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (2) 正弦插入。這種方法專用于信號波形的復(fù)現(xiàn)。一般情況下，每個周期使用2.5個數(shù)據(jù)字就足以構(gòu)成一個較完整的正弦波形。但是，正弦插入法有時

33、會對階躍波形產(chǎn)生作用。(3) 改進(jìn)型正弦插入。改進(jìn)型正弦插入可以避免對階躍波形的不良影響，方法是引入一個前置數(shù)字濾波器，它與插入器相配合，使信號波形的重新組合結(jié)果能產(chǎn)生一個良好的外觀。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (4) SineX/X插入。這種技術(shù)的原理是： 在采樣點之間插入曲線段而使顯示波形平滑。但是，有時由于過于依賴曲線的平滑性而使用很少的采樣點（有時少達(dá)每周期4個），因而噪聲容易混入數(shù)據(jù)中。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.5.2 數(shù)字存儲示波器的技術(shù)性能指標(biāo)數(shù)字存儲示波器主要有以下技術(shù)性能指標(biāo)： （1） 采樣速率。 （2） 有用存儲帶寬。 （7-6）（

34、3） 有用上升時間。如圖7.23所示，兩種不同的采樣位置竟造成了波形中出現(xiàn)上升時間分別為0.8倍和1.6倍采樣間隔的差別，這種顯示上升時間完全取決于采樣發(fā)生在輸入信號波形的哪一個部位。 最大采樣速率CB1第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.23 采樣點位置不恰當(dāng)造成的上升時間誤差.采樣輸入信號重構(gòu)波形0%10%90%100%0%10%90%100%0.8倍采樣間隔1.6倍采樣間隔第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 為此，定義一個DSO的有用上升時間UTR作為判斷采樣間隔是否滿意的標(biāo)志： UTR =1.6最小采樣間隔時間 （7-7） （4） 測量分辨率。 測量分辨率通常

35、用A/D轉(zhuǎn)換器的M進(jìn)制位數(shù)表示，位數(shù)越多，分辨率越高，測量誤差和波形失真越小。（5） 存儲容量。存儲容量又稱為存儲長度，通常定義為獲取波形的取樣點數(shù)目，用數(shù)據(jù)存儲器存儲容量的字節(jié)數(shù)表示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 DSO還有一些其他的重要性能和特征，在選用時必須注意(1) 當(dāng)使用DSO進(jìn)行模擬顯示時，應(yīng)注意它的模擬能力。(2) 各種復(fù)雜的觸發(fā)能力，如延時觸發(fā)、邏輯觸發(fā)等(3) 包絡(luò)顯示能力，指示波形的最大值和最小值等。(4) 閃爍/峰尖捕捉能力。(5) 與繪圖儀、PC機(jī)的連接口問題。(6) 協(xié)助噪聲濾波的均值計算等。(7) 波形的數(shù)學(xué)計算、分析及信號加工能力。 第第7 7章章

36、 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.5.3 模擬/ 數(shù)字示波器一個實際的帶有計算機(jī)接口的模擬/數(shù)字示波器的典型框圖示于圖7.24。在此儀器中，作為模擬示波器所需要的所有基本單元模塊（如同步衰減器、鉗制放大器、觸發(fā)電路、延時線、垂直和水平輸出放大器、Z軸電路等）都包括在如下附加電路中： (1) 微處理器及相關(guān)電路； (2) 數(shù)字時基； (3) 數(shù)字獲取存儲器； (4) 數(shù)字顯示； (5) 向量發(fā)生器； (6) 存儲形成電路； (7) 通信接口。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖 7.24 模擬/數(shù)字示波器原理框圖至處理器PC(RS-232或IEEE-488)通道1通道2通道1,2衰

37、減器及前置放大器延時垂直放大觸發(fā)脈沖發(fā)生器掃描電壓發(fā)生器及顯示邏輯水平放大數(shù)字時基通信接口存儲獲取數(shù)字顯示向量計算器數(shù)字獲取記憶裝置微處理器與ROMCRT1234567第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 TEK2232型示波器各部分的主要技術(shù)指標(biāo)如下： (1） 數(shù)字存儲系統(tǒng)： 最高取樣速率： 100 MS/s（每個通道）。 有效取樣速率： 2 GS/s（重復(fù)存儲方式時)，單通道： 0.5 s/div以及更快的掃速, 雙通道： 0.2 s/div以及更快的掃速。 垂直分辨率： 8 bit（每格25級）； 12 bit（在平均方式時）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 水平

38、分辨率：10 bit（每格100個點）；9 bit（雙通道使用時）。 記錄長度：4 KB或1 KB（單通道使用時）；2 KB或512 KB（雙通道使用時）。 前/后觸發(fā)： 可設(shè)定1/8、1/2或7/8觸發(fā)點。 峰值檢測： 捕捉毛刺的最小寬度為10 ns。 累計峰值檢測。 平均（平均次數(shù)為1256，可選擇）。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （2） 垂直系統(tǒng)（兩個通道）： 垂直工作方式： 通道1、通道2、通道2反向、相加、交替、繼續(xù)（500 kHz）、X-Y。 頻帶寬度： 100 MHz，-3 dB（035）；80 MHz，-3 dB（3550或2 mV/div時）。 上升時間： 小

39、于3.5 ns（035）； 小于4.4 ns（3550或2 mV/div時）。 Y軸偏轉(zhuǎn)靈敏度和準(zhǔn)確度： 2 mV/div5 V/div，按125進(jìn)制，分11擋；2%（1535），3%（050）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 共模抑制比： 大于10 1（在50 MHz時）。 輸入阻抗： 1 M/20 pF。 最大輸入電壓： 400 V（DC+AC峰值）； 800UPP (峰值)。 通道隔離度： 100 1(在50 MHz時)。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （3） 水平系統(tǒng)： 掃描速度： A掃描0.05 s/div0.5 s/div, 按125進(jìn)制, 分21擋

40、，擴(kuò)展10（最快掃速為5 ns/div）； B掃描0.05 s/div0.05 ms/div，按125進(jìn)制，分19擋； 在存儲狀態(tài)時, A掃描0.05 s/div5 s/div, 按125進(jìn)制, 分24擋, 擴(kuò)展10（最快掃速為5 ns/div）。 掃描準(zhǔn)確度: 非存儲狀態(tài)時，1擋2%（1535）, 10擋3%（1535）,1擋3%（050）, 10擋4%（050）; 存儲狀態(tài)時, 0.1%（10格）。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 水平工作方式: 非存儲狀態(tài)時，A掃描、交替掃描（B加亮A和B）、B掃描； 存儲狀態(tài)時： A掃描、B加亮A、B掃描、4 K COMPRESS。 延遲晃

41、動: 5000 1。 延遲時間準(zhǔn)確度： 1%（1535)。 （4） 觸發(fā)系統(tǒng)： 觸發(fā)靈敏度： 內(nèi)觸發(fā)： 0.35 div（10 MHz），1.5 div（100 MHz）； 外觸發(fā)： 40 mV（10 MHz）， 150 mV（100 MHz）。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 觸發(fā)工作方式：A觸發(fā)方式：峰-峰、自動（TV行同步）、常態(tài)、TV場同步、單次； B觸發(fā)方式： 延遲啟動、延遲觸發(fā)。 觸發(fā)源： A觸發(fā)： 垂直方式、通道1、通道2、電源、外； B觸發(fā)： 垂直方式、通道1、通道2。 觸發(fā)耦合方式： 內(nèi)觸發(fā)： AC（交流，觸發(fā)方式為峰-峰、自動、電視行、電視場）； DC（直流，觸

42、發(fā)方式為常態(tài)、單次）；外觸發(fā)： AC、DC、DC/10。 可變釋抑：10 1。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （5）X-Y工作方式： 偏轉(zhuǎn)靈敏度與垂直系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)靈敏度相同。 頻帶寬度：X軸：非存儲工作方式時為2.5 MHz，存儲工作方式時與垂直系統(tǒng)的頻帶寬度相同; Y軸： 與垂直系統(tǒng)的頻帶寬度相同。 相位差： 3(0150 kHz)。6） 顯示系統(tǒng)： 顯示屏幕： 8 cm10 cm。 Z軸： 5 V（DC至20 MHz）。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （7） 其他： 游標(biāo)功能和準(zhǔn)確度：U: 3%; T： 1顯示間隔(5 s/div1 s/div)，2顯示間隔+

43、500 ps(0.5 s/div0.05 s/div)。 X-Y繪圖輸出： 繪圖輸出整個顯示波形，數(shù)字讀出以及坐標(biāo)格。 外時鐘輸入： 滾動方式： DC1 kHz； 記錄方式： DC100 kHz。 可連接的接口：GPIB、IEEE-488.1、RS-232C。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7.6 示波器的應(yīng)用示波器的應(yīng)用7.6.1 示波器的選用1. 示波器的選擇1） 根據(jù)被測信號的特性來選擇(1) 定性觀察頻率不高的一般周期性信號，可選用普通示波器或簡易示波器。(2) 觀察非周期信號、寬度很小的脈沖信號，應(yīng)選用具有觸發(fā)掃描或單次掃描的寬帶示波器。(3) 觀察快速變化的非周期性信

44、號，應(yīng)選用高速示波器。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (4) 觀察頻率很高的周期性信號，可以選用取樣示波器。(5) 觀察低頻緩慢變化的信號，可選用長余輝、慢掃描示波器。(6) 需要對兩個信號進(jìn)行比較時，應(yīng)選用雙蹤示波器； 需要對兩個以上信號比較時，則選用多蹤示波器或多束示波器。(7) 若被測信號為一次性過程或復(fù)雜波形，需將被測信號存儲起來，以便進(jìn)一步分析、研究，可選用存儲示波器。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 根據(jù)示波器的性能來選擇(1) 頻帶寬度和上升時間。如果示波器的頻帶寬度不夠，則輸入信號中的高頻分量將被極大地衰減。如將一個50 MHz的方波加至一個頻

45、寬150 MHz的數(shù)字示波器上，將得到如圖7.25（a）所示的波形； 若加至一個頻寬500 MHz的數(shù)字示波器上，得到的波形將如圖7.25（b）所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.25 50 MHz方波在不同頻寬示波器上顯示的波形 (a) 頻寬150 MHz; （b） 頻寬500 MHz(a)(b)第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 (2) 垂直偏轉(zhuǎn)靈敏度。(3) 輸入阻抗。(4) 掃描速度。2. 示波器的使用要點示波器在使用時應(yīng)注意以下幾點： (1） 選擇合適的電源，并注意機(jī)殼接地。使用前要預(yù)熱幾分鐘再調(diào)整各旋鈕。 (2） 經(jīng)過探極衰減后的輸入信號切不可超過

46、示波器允許的輸入電壓范圍，并應(yīng)注意防止觸電。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （3） 根據(jù)需要，選擇合適的輸入耦合方式。（4） 輝度要適中，不宜過亮，且亮點不能長時間停留在同一點上，特別是暫時不觀測波形時，更應(yīng)該將輝度調(diào)暗，以免縮短示波管的使用壽命。 （5） 聚焦要合適，不宜太散或過細(xì)。 （6）測量前要注意調(diào)節(jié)“軸線校正（TRACE ROTATION”）旋鈕，使熒光屏刻度軸線與顯示波形的軸線平行。（7） 盡量在熒光屏有效尺寸內(nèi)進(jìn)行測量。（8） 探極要與示波器配套使用，不能互換，且使用前要校正。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （9） 波形不穩(wěn)定時，通常按“觸發(fā)源”、“

47、觸發(fā)耦合方式”、“觸發(fā)方式”、“掃描速度”、“觸發(fā)電平”的順序進(jìn)行調(diào)節(jié)。7.6.2 示波器測量應(yīng)用1. 直流電壓的測量測量步驟如下： （1） 置“掃描方式”開關(guān)于“AUTO”位置，選擇掃描速度，以使掃描不發(fā)生閃爍現(xiàn)象。 （2） 視所測電壓的大小，置“V/div”到適當(dāng)位置，將“微調(diào)”調(diào)至“CAL”位置。 （3） 置“交流-地-直流”開關(guān)于“GND”位置。此時的掃描垂直位置即為零伏基準(zhǔn)線。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （4） 將被測電壓加至輸入端后，將“交流-地-直流”開關(guān)置于“DC”位置，此時所顯示的直線位置即為所測電壓值。若直線位于零伏基準(zhǔn)線之上，則所測電壓為正； 若直線位于

48、零伏基準(zhǔn)線之下，則所測電壓為負(fù)。 （5） 若所測電壓超出顯示范圍，應(yīng)增大“V/div”； 若所測電壓數(shù)值過小，應(yīng)減小“V/div”后重新測量，由此可得圖7.26所示的直流電壓為2.8 V（圖中V/div=1 V/div）。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.26 直流電壓的測量(a） “交流-地-直流”開關(guān)置 GND； (b） “交流-地-直流” 開關(guān)置DC(a)(b)1 V/div1 V/div第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2. 交流電壓的測量測量步驟如下： （1） 置“交流-地-直流”開關(guān)于“GND”位置。調(diào)節(jié)垂直“位移”旋鈕，使該掃描線準(zhǔn)確地落在水平刻度線

49、上。 （2） 視被測電壓的大小，置“V/div”到適當(dāng)位置，將“微調(diào)”調(diào)至“CAL”位置。 （3） 將被測電壓加至輸入端后，將“交流-地-直流”開關(guān)置于“AC”位置，此時所顯示的波形即為所測交流電壓，如圖7.27所示。 （4） 在圖7.27中，“V/div”的位置為50 mV/div，波形的峰值與谷值之間為3.6個格，由此可算出所測交流電壓的峰-峰值為180 mV。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.27 交流電壓的測量50 mV/div第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 3. 時間、周期與頻率的測量1） 周期的測量2） 時間間隔的測量3） 頻率的測量(1) 測周期法

50、。(2) 李沙育圖形法。當(dāng)李沙育圖形穩(wěn)定后，設(shè)熒光屏X軸方向與圖形的切線交點數(shù)為Nx，Y軸方向與圖形的切線交點數(shù)為Ny，則已知頻率fx與待測頻率fy有如下關(guān)系： 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 （7-11） 即圖7.28所示的李沙育圖形及式（7-12）即可測出被測信號的頻率。 yNNffxyxyxxyNNff（7-12） 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.28 幾種常用的李沙育圖形045901351801xyff12xyff13xyff23xyff第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 4. 相位的測量1） 雙蹤示波器測時間間隔法利用雙蹤示波器按前述的方法

51、測出兩路信號的周期T和其時間間隔t，利用下式即可求出其相位差： （7-13） 在圖7.29中，u1與u2的周期為5格， u1與u2之間的相位差為1.65格，由此可得，u2超前u1為1.65/522/3，即u2超前u1的相位角為120。360Tt第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.29 u1與u2的相位差測量u2u1第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 李沙育圖形法測量原理同李沙育圖形測頻法。測量時，u1接示波器X軸輸入， u2接Y軸輸入， u1與u2相位不同，熒光屏上就會出現(xiàn)不同的圖形。在圖7.30中，u1與u2滯后角，李沙育圖形為一斜橢圓，其中，a表示t1（u2

52、過零）時刻u1的幅值，b表示在t2時刻u1的峰值，則a=bsin （7-14）可求得 )(sin1ba（7-15）第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.30 用李沙育圖形法測量相位差Xb000Yau1t1t2tt1t2u2t第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 5. 調(diào)幅系數(shù)的測量1) 直線掃描法直線掃描法測量調(diào)幅系數(shù)時，將被測信號加到示波器Y軸輸入端，調(diào)整示波器有關(guān)的開關(guān)旋鈕，得到如圖7.31所示的調(diào)幅波波形，測出A、B的長度，代入下式計算得出調(diào)幅系數(shù)： %100BABAma（7-16）第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.31 直線掃描法測量調(diào)幅系數(shù)AB

53、第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 2） 梯形圖法 梯形圖法測量調(diào)幅系數(shù)時，示波器工作于X-Y方式，將調(diào)幅波、調(diào)制信號分別加至示波器X、Y軸輸入端，在熒光屏上顯示出圖7.32所示的梯形圖，測出A、B的長度，利用式（7-16）計算即可。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.32 梯形法測量調(diào)幅系數(shù)BA第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 6. 脈沖測量在脈沖和數(shù)字電路中，實際的脈沖（或方波）可能存在各種不完美的情況，如圖7.33所示。第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.33 脈沖的不完美情況上升時間下降時間t建立時間U90%10%U過沖前沖tU1%U衰減尖脈沖ttO(a)(b)OOO(c)(d)第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 7. 頻率響應(yīng)的測量如圖7.34所示，示波器以X-Y方式工作，掃頻信號發(fā)生器輸出的掃頻正弦波連接到被測電路的輸入端，被測電路的輸出端被接到示波器的垂直信道。用這種方法可將電路的全部頻率響應(yīng)迅速地顯示在示波器上，如圖7.35所示。 第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.34 示波器掃頻法測頻率響應(yīng)掃頻信號發(fā)生器輸出掃描電壓標(biāo)志輸出電路Z軸輸入XY第第7 7章章 波形顯示與測量波形顯示與測量 圖7.35 示波器掃頻法顯示的頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)