測控技術第六章

1、測控技術第六章第1頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四一、引言1、顯示信號的必要性 直觀、多用途 2、示波器的分類 按示波器的用途和特點，可將其分為以下幾類：（1）通用示波器：能在屏幕上同時觀察一個到多個信號波形，可對信號進行定性觀察和定量測量。（2）取樣示波器：利用取樣技術，將被測信號化為包絡與其相似的低頻信號，再借助于通用示波器的原理進行顯示。（3）存儲示波器：可對信號進行存儲，并進行顯示和測量。（4）特殊示波器 是指能滿足某種特殊需要的示波器。 第2頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四3、示波器的現(xiàn)狀及發(fā)展 1948年，美國Tek公司制造出了5

2、11型示波器，其頻寬為10MHz，靈敏度為0.25Vcm，首次采用了觸發(fā)掃描，x軸的精度達5，可對脈沖信號進行測量。 進入七十年代后，通用示波器向著高頻、高靈敏度、多用、小型、集成化、數(shù)字化、自動化等方面以更高的速度發(fā)展。目前，出現(xiàn)了靈敏度為1v的高靈敏度低漂移低噪聲的示波器，取樣示波器的帶寬已達18GHz。 第3頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 1957年，美國休斯飛機公司首先制成帶有記憶功能的記憶示波器，使示波器不但具有測試能力，而且具有存儲信息的能力，從而大大擴展了示波器的應用范圍。 上世紀80年代末期出現(xiàn)了基于數(shù)字存儲技術的存儲示波器。這種示波器的信息存儲時間

3、幾乎是無限的。隨著標準接口總線的提出和微處理器的研制成功，使示波器的自動化程度發(fā)展到一個嶄新的階段智能示波器階段。 第4頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 目前，示波器中應用微處理器有兩種類型。一種是微處理器不作用于波形的顯示過程，引入微處理器來代替使用者的部分操作和計算工作，智能化程度不高。 另一種是經(jīng)過微處理器數(shù)字化，這種示波器的智能化程度較高、精確度較高、測量功能也較多，例如可進行微分和積分、求平方根、n點平均值、計算上升時間、頻率、有效值和負峰值等，所有這些功能都是預先編好程序的，使用時用戶只需按下鍵盤上有關的功能鍵，儀器即可按指定程序自動地進行測量計算，然后用

4、字符把測試結果連同波形一起顯示在示波器屏幕上。 第5頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 示波器將進一步向高技術性能、高可靠性以及多功能、自動化等方面發(fā)展。（1）向高頻方向發(fā)展：隨著計算機及編碼調制通信系統(tǒng)的發(fā)展，要求示波器的頻帶寬度要進一步擴展。需要研究新型的放大器和新型的示波器，頻寬上限將突破1GHz。 （2）向高靈敏度發(fā)展 ：目前在研制高靈敏度的示波器方面，出現(xiàn)了靈敏度為1Vdiv，帶寬為25MHz的高靈敏度示波器。 （3）向高可靠性發(fā)展 ：采用集成電路和微處理器技術，從而使示波器的可靠性可以大大提高。 第6頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四

5、（4）向低頻方向發(fā)展：要求能夠觀察并準確地測量出0.01Hz 20kHz的頻率范圍的信號。 （5）向自動化方向發(fā)展 ：（6）向計算化方向發(fā)展 ：將微處理器引入示波器，使示波器能夠自動進行計算，并將各種計算結果顯示。（7）向綜合測試系統(tǒng)發(fā)展 ：要求示波器具有多種測試功能，成為一種綜合的測試系統(tǒng)。（8）向小型化、標準化、積木化和系列化方向發(fā)展 ：（9）向平面顯示發(fā)展 第7頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四美國力科 LS140 100MHz 4通道 200MSa/s 第8頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四LS140 特性參數(shù)Portable Digit

6、al Storage 100 MHz Oscilloscope4 Full Channels (RIS)Simultaneous Channels: Channels 1 and 2 or Channels 3 and 4ADC: Two 8-bit FlashBandwidth: 100MHz (at probe tip), 10 mV/div - 10 V/divVertical Resolution: 8 BitsInput Impedance: 1 M 1.0%Input Coupling: AC, DC, or GNDMaximum Input: 400 V, DC + peak A

7、CSampling Rate: 200 MS/s maxRepetitive (RIS) Sampling Rate: 8 GS/s maxSensitivity: 2 mV - 10 V/div fully variableDC Gain Accuracy: (1.5% +0.5% of full scale) 第9頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四美國力科 WavePro 7300A 第10頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四WavePro 7300A 特性 帶寬: 3 GHz 上升時間(典型值):150ps 通道數(shù)量: 4 標配內存長度: 2

8、 M樣點/通道 最大記錄長度: 48 M樣點/2通道 - 24 M樣點/通道 最大取樣速率(通道數(shù)量): 20 GS/s (2通道) 重復取樣(RIS)速率: 200 GS/s 顯示器: 彩色10.4英寸平板TFT-LCD，帶有高清觸摸屏 單次取樣速率: 10 GS/s 分析工具: 測量和數(shù)學運算成套工具, 小直方圖, 參數(shù)數(shù)學運算, 用戶定制第11頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 單次取樣速率: 20 GS/s (2通道) - 10 GS/s (4通道) 高級顯示: 模擬和顏色等級余輝 用戶接口: 前面板旋鈕/按鈕或觸摸面板或鼠標 網(wǎng)絡連接: 100BaseT 帶寬

9、限制: 25 MHz; 200 MHz 輸入阻抗: 50歐姆 +/-1.50%; 1兆歐 +/-1.25% 輸入耦合: DC 50歐姆; 1兆歐上為DC, AC, Gnd 垂直分辨率: 8位; 在采用增強分辨率(ERES)時達到11位 靈敏度 (mv - V):1兆歐: 2 mV - 2 V/div; 50歐姆: 2 mV - 1 V/div 抖動本底噪聲: 1 ps RMS 觸發(fā)器和內插器抖動: 3 ps RMS典型值 最大輸入電壓: 50歐姆: 5VRMS; 1兆歐: 100VMAX (DC-10kHz) 第12頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四安捷倫 DSO813

10、04B第13頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四安捷倫 DSO81304B特性采樣率高達40 GSa/s的13 GHz帶寬實時示波器 在40 GSa/s采樣率時高達2 Mpts的MegaZoom深存儲器，在4 GSa/s采樣率時達到64 Mpts 的MegaZoom深存儲器， 存儲器可以升級 13 GHz系統(tǒng)帶寬（典型值）的InfiniiMax II 1169A探測系統(tǒng) 業(yè)界最低的本底噪聲：5 mV/div時，為419uV 觸發(fā)抖動低于500 fs rms 業(yè)界最豐富的應用軟件套件 XGA觸摸屏，可顯示256個強度等級 無與倫比的InfiniiMax探測附件支持點測、焊接

11、、插接和SMA使用模式 第14頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四二、信號顯示的基本原理 1、 示波器基本原理概述 （1）示波管 示波管是示波器的核心，它的主要作用是在屏幕上形成光點，并在垂直信號和水平信號偏轉的作用下，將輸入信號以圖像形式顯示出來。 示波管一般分為靜電式和電磁式兩大類，在示波器中的示波管大都是靜電偏轉式，被稱為靜電式陰極射線示波管(CRT)。 第15頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 一般示波管由電子槍、偏轉系統(tǒng)和熒光屏(屏幕)三部分組成，如圖所示 ， 電子槍由燈絲F、陰極K、控制柵極G1和G2、第一陽極A1、第二陽極A2組成。它

12、的作用是產(chǎn)生一束極細的高速電子射線以轟擊屏幕產(chǎn)生光點。 第16頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 偏轉系統(tǒng)由兩對位置彼此垂直的偏轉板構成?？拷娮訕尩囊粚榇怪逼D板；另一對為水平偏轉板。利用靜電場使電子射線產(chǎn)生偏轉，屏幕上的光點將隨電場的變化而移動。如果僅在Y偏轉板間加電壓，則電子束將根據(jù)所形成的電場的強弱與極性在垂直方向上運動；同理，如果僅在X偏轉板間加電壓，則電子束將根據(jù)所形成的電場的強弱與極性在水平方向上運動，電子束最終的運動情況取決于水平方向和垂直方向電壓的共同作用。 第17頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（2）波形顯示原理第18頁，

13、共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 當fy = n fx（n是整數(shù)）時，屏幕上就能顯示n個周期的清晰波形; 如果fy與fx之間不是整數(shù)倍的關系，波形就不能完全重疊，不易看出完整、清晰的波形。 要想使fy與fx保持整數(shù)倍關系是困難的，解決這個問題的辦法，并不是使fx保持絕對穩(wěn)定，而是用待測信號同時控制鋸齒波發(fā)生器，使鋸齒波的頻率fx能跟隨fy作些微小的變化，以保持fy與fx成整數(shù)倍的關系。當fy是fx的整數(shù)倍時，即可謂達到了同步。同步時，屏幕上的波形穩(wěn)定不動；在沒有達到同步時，波形是不穩(wěn)定的。 第19頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（3） 對掃描作用

14、的要求 要對被測信號進行準確的顯示，掃描電壓必須滿足以下要求： 周期性 ：為了顯示連續(xù)信號，作用在X偏轉板上的掃描電壓必須是周期性的。實際中的掃描電壓并不是理想的鋸齒波，而是有一定的下降時間的，如圖所示。掃描電壓分掃描正程和回程。掃描電壓正向斜升過程對應于電子束沿水平方向從左到右的運動。 第20頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四線性： 掃描電壓的正程必須是線性變化的。由于掃描電壓的正程表征被測信號的時間，是測量時間的基準，所以稱通常示波器中的掃描（電壓正程）為時基，產(chǎn)生掃描電壓的電路稱為時基電路。同步性： 在測量連續(xù)信號時，每次掃描正程的起點必須與被測信號同步。同步是通

15、過用被測信號產(chǎn)生觸發(fā)脈沖去啟動掃描發(fā)生器實現(xiàn)的。 第21頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四2、通用示波器的基本原理（1）通用示波器的基本組成 第22頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四主機部分：主要包括示波管、z通道、電源和校準信號發(fā)生器等。垂直偏轉系統(tǒng)（垂直通道，Y通道）：主要包括Y通道輸入電路、延時電路、Y通道放大器、輸出放大器等。為了觀測多個波形，多蹤示波器還具有通道轉換能力。水平偏轉系統(tǒng)（X通道）：由掃描發(fā)生器（時基電路）、觸發(fā)同步電路、水平放大器及增輝電路（Z通道）等單元組成。電源：對示波器的各系統(tǒng)、各電路提供高壓、低壓及燈絲等電源。此外

16、，示波器一般都具有時標和校幅兩個附屬電路，分別用來測量信號的時間參數(shù)和信號的幅度，或用來校準時基及垂直偏轉因數(shù)。第23頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（2）示波器的主要技術指標 Y通道的帶寬和上升時間： 當屏幕上顯示的正弦波幅度相對于基準頻率下降3dB時，其高端頻率和低端頻率之差定義為Y通道的帶寬或稱示波器的帶寬，其表示式為： BW = fh - fl 通常示波器帶寬主要取決于Y通道的上限頻率。 上升時間是指示波器對理想階躍信號的響應時間。 Y通道的上升時間受帶寬的限制，對于具有一級RC電路的Y通道而言，其上升時間tr和帶寬BW的關系為 trBW = 0.35 第24

17、頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四偏轉靈敏度和偏轉因數(shù)： 示波器的偏轉靈敏度定義為：在單位輸入信號電壓的作用下屏幕上光點在垂直方向的偏轉距離，其單位為cm/V(或cm/mV )。 偏轉靈敏度的倒數(shù)稱為偏轉因數(shù)，其單位為V/cm或mV/cm，有的示波器把熒光屏上的刻度格（div）作為長度單位，通常1div = 0.8cm。 偏轉靈敏度或偏轉因數(shù)表征Y通道對被測信號的響應能力。示波器的靈敏度要受到帶寬、噪聲、漂移等因素限制，目前最高偏轉靈敏度達10V/div。 第25頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四輸入方式和輸入阻抗 輸入方式是指被測信號從示波器的

18、輸入接線端至Y通道輸入電路的連接方式，大體上分為直流（DC）和交流（AC）兩種方式。輸入阻抗是指示波器輸入接線端對被測信號源呈現(xiàn)的阻抗，通常等效為輸入電阻和電容和并聯(lián)，輸入阻抗越大，示波器對被測電路的影響就越小。掃描速度、時基因數(shù)和掃描頻率 掃描速度就是光點在水平方向移動的速度，其單位是cm/s或div/s。掃描速度的倒數(shù)就是時基因數(shù)，它表示光點水平移動單位長度（cm或div）所需的時間，掃描頻率表示水平掃描的鋸齒波的頻率。 第26頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四掃描方式 產(chǎn)生時間基線的各種方式稱為掃描方式，通常有觸發(fā)掃描、連續(xù)掃描或稱自激掃描、單次掃描以及雙時基掃描

19、。觸發(fā)特性 示波器的觸發(fā)特性是指觸發(fā)脈沖的取得方式，通常有如下幾種：由被測信號產(chǎn)生的內觸發(fā)方式；由與被測信號相關的外信號產(chǎn)生的外觸發(fā)方式等。示波管性能 第27頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四3、掃描電路（）掃描電壓的產(chǎn)生 掃描電壓是由掃描發(fā)生器環(huán)產(chǎn)生的。圖6.5是掃描發(fā)生器環(huán)的電路框圖，它是一個具有反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，由時基閘門、掃描發(fā)生器、電壓比較器及釋抑電路等組成，輸出線性掃描電壓Uo。 第28頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四第29頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 環(huán)路中時基閘門電路是一個典型的施密特電路，它是雙穩(wěn)態(tài)

20、觸發(fā)電路，當輸入電平（a點電位）低于下觸發(fā)電平時，輸出（b點電位）為高；當輸入電平高于上觸發(fā)電平時其輸出為低；若輸入在上、下觸發(fā)電平之間，其輸出狀態(tài)不會發(fā)生變化。 掃描發(fā)生器是一個鋸齒波發(fā)生器，通常采用密勒積分器或用恒流源對電容器的充電電路，它在時基閘門的控制下產(chǎn)生掃描的正程及回程。只有當其輸入Ub為高電平時，才輸出斜升的鋸齒波電壓Uc（即Uo的正程）；當輸入為低電平時，立即停止斜升過程進入掃描的回程，輸出電壓一直下降到原來的起點電平，而后進入等待期（如Uc所示）。第30頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 電壓比較器將掃描發(fā)生器的輸出電壓與基準電壓Ur進行比較，當超過r

21、時比較器就有變化的輸出，其變化規(guī)律和掃描發(fā)生器輸出的完全相同。 釋抑電路的作用是在掃描回程期間，電壓比較器的輸出以較慢的速度放電。由于該電路的RC要比掃描發(fā)生器的放電時間常數(shù)大得多，因此當它下降到起點位置時，掃描發(fā)生器的輸出電壓早已回到起始電位，以便下次掃描仍從該電位開始，這樣可以在屏幕上獲得起點固定的掃描基線。 第31頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（2）觸發(fā)掃描和自激掃描 觸發(fā)掃描是在外觸發(fā)信號的作用下產(chǎn)生掃描電壓。自激掃描是指掃描發(fā)生器環(huán)在沒有觸發(fā)脈沖的情況下也能自行輸出掃描電壓。 第32頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（3）單次掃描

22、單次信號必須采用單次掃描，而且掃描必須由單次信號本身，或與單次信號有關的事件觸發(fā)產(chǎn)生，每次觀測只進行一次掃描過程。通常的方法是斷開圖6.5釋抑電阻R上的開關S，在掃描回程時釋抑電容C無放電通路，使整個掃描電路處于抑制狀態(tài)，不再重復產(chǎn)生掃描電壓。只有再次接通開關S，使釋抑電路解除抑制狀態(tài)，才可以重新產(chǎn)生掃描輸出。 第33頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四4、觸發(fā)特性 觸發(fā)特性包括觸發(fā)源的選擇、觸發(fā)信號耦合方式選擇等。（1）觸發(fā)源 觸發(fā)信號有3種來源。內觸發(fā)：內觸發(fā)信號來自于示波器內的Y通道觸發(fā)放大器，它位于延遲線前，當需要利用被測信號觸發(fā)掃描發(fā)生器時，采用這種方式。外觸發(fā)

23、：用外接信號觸發(fā)掃描，該信號由觸發(fā)“輸入”端接入。當被測信號不適合作觸發(fā)信號或為了比較兩個信號的時間關系時，可用外觸發(fā)。電源觸發(fā)：來自50Hz交流電源產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖，用于觀察與交流電源頻率有關時間關系的信號，例如，整流濾波的紋波電壓等波形。 第34頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（2）觸發(fā)耦合方式 為了適應不同的信號頻率，示波器設有四種觸發(fā)耦合方式，可用開關進行選擇?！癉C”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的信號，或頻率較低并且有直流成分的信號，一般用“外”觸發(fā)或連續(xù)掃描方式?！癆C”交流耦合：觸發(fā)信號經(jīng)電容接入，用于觀察由低頻到較高頻率的信號，用內或外觸發(fā)均可。“H

24、F”高頻耦合：用于觀察大于5MHz的信號。第35頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（3）觸發(fā)方式 示波器的觸發(fā)方式通常有常態(tài)、自動和高頻三種方式，這三種方式控制觸發(fā)整形電路，以產(chǎn)生不同形式的掃描觸發(fā)信號，形成不同形式的掃描電壓。常態(tài)觸發(fā)方式：是將觸發(fā)信號經(jīng)整形后，產(chǎn)生足以觸發(fā)掃描電壓電路的觸發(fā)脈沖，它的觸發(fā)極性是可調的，上升沿觸發(fā)即為正極性觸發(fā)，下降沿觸發(fā)即為負極性觸發(fā)，另外還可調節(jié)觸發(fā)電平。第36頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四自動觸發(fā)方式：自動觸發(fā)方式時，整形電路為自激多諧振蕩器，振蕩器的固有頻率由電路時間參數(shù)決定，該自激多諧振蕩器的輸出經(jīng)

25、變換后去驅動掃描電壓發(fā)生器，所以，在無被測信號輸入時，仍有掃描，一旦有觸發(fā)信號且其頻率高于自激頻率時，則自激多諧振蕩器內觸發(fā)信號同步而形成觸發(fā)掃描，一般測量均使用自動觸發(fā)方式。高頻觸發(fā)方式：其觸發(fā)方式原理同自動觸發(fā)方式，不同點是自激振蕩頻率較高，當用高頻觸發(fā)信號在與它同步時，同步較為穩(wěn)定。高頻觸發(fā)方式常用于觀測高頻信號。第37頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四三、示波器中采用的其它顯示技術 1、光柵顯示原理 第38頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四波形的形成和顯示 第39頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 例如在光柵增輝式

26、掃頻儀中，鋸齒波發(fā)生器輸出頻率Fy = 18.5kHz的鋸齒波，三角波發(fā)生器產(chǎn)生頻率為Fx = 0.0130Hz（可調）的三角波電流。設Fx = 1Hz，則三角波正程或回程期間形成的光柵條數(shù)為 Fy / 2 Fx = 18500 / (21) = 9250 （條）即使Fx = 30Hz，光柵條數(shù)也有近308條。由此可見，光柵是非常密的。 第40頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四2、 平板顯示 平板顯示器件主要有電致發(fā)光（EL）顯示板、等離子體（PDP）顯示板和液晶（LCD）顯示板，它們都是在正高的條狀電極之間放置某種物質，使之生產(chǎn)光效應。第41頁，共72頁，2022年，

27、5月20日，11點55分，星期四（1）液晶顯示原理第42頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 如圖為扭曲向列型液晶顯示原理圖。在液晶盒兩側分別放置光的起偏器和檢偏器，并互相垂直放置。當自然光通過時，由于扭曲向列型液晶分子具有旋光性，進入液晶盒的垂直偏振光可以順利地通過水平檢偏器到達反射極，再將光按原路線折回至光的輸入端，于是從圖左端看去呈白色。如果在液晶盒的兩個電極施加方波電壓，由于電場的作用使這些液晶分子失去了旋光性，垂直偏振光不能通過水平檢偏器，以致沒有反射光，就不再呈現(xiàn)白色。如果加以適當信號，從左端看去就出現(xiàn)白底黑字，達到顯示的目的。 第43頁，共72頁，2022年

28、，5月20日，11點55分，星期四（2） 液晶顯示器的驅動平板顯示的驅動原理 第44頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四四、示波器性能的提高1、多波形顯示 常見的方法有多線顯示、多蹤顯示及雙掃描顯示等。 在屏幕上同時顯示多個波形的方法有兩種，即多線（束）顯示和多蹤顯示。多線示波管有多個相互獨立的電子束。雙線（雙束）示波器的示波管的電子束可產(chǎn)生兩個電子束，并有兩套X、Y偏轉系統(tǒng)。其中兩對X偏轉板上往往采用相同的掃描電壓，但兩個Y通道常接入不同的信號，并可分別調節(jié)兩通道的靈敏度、位移、聚焦、輝度等。 第45頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 多蹤示波器

29、與多線示波器不同，它的組成與普通示波器類似，只不過在電路中多了一個電子開關并具有多個垂直通道。電子開關在不同的時間里，分別把兩個垂直通道的信號輪流接至Y偏轉板，使其可在屏幕上顯示多路波形。 第46頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 雙蹤示波器有兩種不同的時間分割方式，即交替方式和斷續(xù)方式。交替方式是每一次掃描接通一個被測信號。比如第一次掃描接通信號 Uia，第二次掃描接通Uib，依次輪流； 斷續(xù)方式是在一次掃描過程中輪流接通信號Uia和Uib，如果多諧振蕩器的周期遠小于掃描周期，在一次掃描過程中有多次分別接通兩個信號，屏幕上顯示的兩個波形盡管被分成許多小段，但看起來仍有

30、一種連貫性。交替方式適于觀測高頻信號，斷續(xù)方式適于觀察低速信號。第47頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四雙掃描示波顯示 雙掃描示波系統(tǒng)（或稱雙時基系統(tǒng)）有兩個獨立的觸發(fā)和掃描電路，同時產(chǎn)生兩個掃描時基：一個是慢掃描，稱為A掃描；另一個是快掃描，稱為B掃描。 第48頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四雙掃描示波器的波形示意圖第49頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 為了同時能觀測脈沖串的全貌及其中某一部分的細節(jié)，在X通道中設有電開關，把兩套掃描電路的輸出交替地接入X放大器。電子開關還控制光跡分離電路，在兩種掃描時給Y放大器施加

31、不同的直流電位，使兩種掃描顯示的波形上下分開。由于熒光屏的余輝和人眼的殘留效應，使人感到“同時”顯示了兩種波形。電子開關通常用掃描回程來控制。 第50頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四2、 寬帶示波器的實現(xiàn) （1）寬帶示波器的實現(xiàn)要求 現(xiàn)代的寬帶示波器的帶寬范圍大多是從直流開始直至其頻率上限，通常認為帶寬在60MHz以上的示波器為寬帶示波器。* 對垂直通道的要求 示波器垂直通道的帶寬BW取決于各組成級的帶寬，其關系為 第51頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 示波器的帶寬BW小于Y通道中任何一級放大器的帶寬。所以示波器Y通道放大器必須兼顧帶寬和增

32、益的要求。 示波器的帶寬指標隨著Y通道放大器級數(shù)的增多而變窄，相應地上升時間tr要加長。由于tr的增加，影響示波器對瞬態(tài)信號的測量結果。 第52頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四* 對掃描速度的要求 在寬帶示波器中，為了能將被測信號準確地顯示在屏幕上，不僅要求掃描電壓有良好的線性，而且要有很高的掃描速度。例如，帶寬為500MHz的示波器，要求在測量100MHz信號時水平坐標每2div顯示一個信號周期，如果水平方向有10div，這時相應的掃描速度計算如下：被測信號的周期：T = 1 /（100106）= 10 ns示波器的掃描速度為：2div /T = 2div /10n

33、s = 0.2 div/ns 則掃描的正程時間為 由此可見，在寬帶示波器中，為了滿意地顯示波形，必須有與之相應的掃描速度。 第53頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四3、取樣示波器（1）寬帶示波器中限制帶寬的因素 示波管的帶寬限制 , Y通道的帶寬受放大器中的限制 ,高速時基信號不易獲得 。（2）取樣示波器原理 將高頻（一般為1000MHz以上）的重復性的周期信號，經(jīng)過取樣（取樣速率可調節(jié)），變換成低頻的重復性周期信號，再運用通用示波器的原理進行顯示和觀測的示波器稱為取樣示波器。 在取樣示波器中采用的是非實時取樣，或稱等效取樣，是把一個高頻率信號經(jīng)過跨周期的取樣，形成一個

34、波形和相位完全相同、幅度相等或有嚴格比例關系的低頻（或中頻）信號。 第54頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四取樣示波器的組成框圖如下圖所示。第55頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 取樣電路的關鍵是取樣門，通常用二極管取樣門或用由二極管組成的橋式取樣門。 第56頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 取樣示波器的顯示過程是，在步進脈沖發(fā)生器的作用下產(chǎn)生了取樣脈沖和階梯波掃描電壓，被測信號Ui經(jīng)取樣電路后，變成窄脈沖，經(jīng)放大、展寬后形成量化的信號包絡，到達示波管的Y偏轉板，為了在屏幕上顯示出由不連續(xù)的亮點構成的取樣信號波形，必須

35、采用與取樣信號同步的階梯波作掃描電壓。當取樣點足夠密時，就能在屏幕上無失真地表現(xiàn)被測信號的波形。 取樣示波器是一種非實時取樣過程，它只能觀測重復信號，對非重復的高頻信號或單次信號，只能用高速示波器進行觀測。 第57頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四五、現(xiàn)代信號存儲和顯示技術 1、信號的模擬存儲 最常用的信號模擬存儲手段是示波管。這種示波管稱為記憶示波管，通常將具有這種示波管的示波器稱為記憶示波器。記憶示波器能夠用于觀測單次信號及重復頻率很低的窄脈沖信號。 （1）波形存儲 ：采用了具有二次電子發(fā)射特性的示波管。（2）可變余輝示波管： 第58頁，共72頁，2022年，5月2

36、0日，11點55分，星期四2、信號的數(shù)字存儲（1）數(shù)字存儲顯示的基本原理 第59頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四 數(shù)字存儲示波器在顯示波形的同時，能用數(shù)字顯示各種給定值和測量結果，此外，它還能對波形進行各種運算處理；對測量過程進行程控或遙控；可通過通用接口（GPIB）把波形數(shù)據(jù)送至計算機，進行數(shù)據(jù)處理或組成自動測試系統(tǒng)。 在數(shù)字存儲示波器中波形的存儲和顯示分開進行，因此與寬帶示波器相比，數(shù)字存儲示波器對其顯示功能的速度要求不高，只要選擇一個適合人們觀察的速度即可。對于變化極慢的信號，由于采用了合適的顯示速度，也不會給人以閃爍的感覺。 第60頁，共72頁，2022年，5

37、月20日，11點55分，星期四（2）數(shù)字存儲顯示的特點及發(fā)展前景 由于數(shù)字存儲示波器是以通用示波器為基礎，并采用計算機和LSIC等先進技術，因此具有如下特點：* 可以永久地存儲信息 * 測量精度高 * 信號處理和顯示分開進行 * 多種觸發(fā)方式 * 多種顯示方式 * 便于進行多波形的分析比較 * 便于波形數(shù)據(jù)的分析處理 第61頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（3）數(shù)字存儲示波器的主要技術指標* 最高采樣速率fs ：指單位時間獲得被測信號的樣點數(shù)，也稱數(shù)字化速率 。f s與時基因數(shù)Ft和單位長度的取樣點數(shù)M之間的關系為 fs = M / Ft * 存儲帶寬：用有效存儲帶寬

38、和等效存儲帶寬表示，有效存儲帶寬與采樣速率和顯示方式有關，定義為 BWa = fsmax / K 顯示方式有光點顯示（K=25）、線性內插顯示（K=10）和正弦內插顯示（K=2.5）。 等效存儲帶寬是采用等效取樣技術能夠測量的周期信號的最高頻率。第62頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四* 存儲長度（存儲容量）：表示一次采樣、存儲過程中獲取被測信號長度的能力 。 * 測量分辨力和測量精度 ：包括電壓分辨力和時間分辨力。電壓分辨力主要取決于ADC的位數(shù)，當測量的滿度值為10V時，8位ADC的測量分辨力V為 V = 10 / 28 40 mV 時間分辨力是指示波器X坐標上相鄰

39、兩樣點之間時間間隔t的大小，在X方向的點數(shù)取決于水平通道的DAC的位數(shù)，例如，用10位DAC時，X方向有210 =1024點。通常X總長度為10div，對于10位DAC來說，相當于1024/10100點/div，其測量分辨力達0.01/div。 第63頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（4 ）數(shù)字存儲示波器的主要部件及要求* 高速ADC和DAC* 存儲器高速大容量 高速數(shù)據(jù)的分路存儲原理框圖如圖所示。* 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)不僅要進行數(shù)據(jù)采集，還要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示、人機控制等功能。 因此現(xiàn)代數(shù)字存儲示波器出現(xiàn)多CPU系統(tǒng)，一個CPU為主CPU，具有相應的存儲器（RAM，

40、ROM）、I/O接口和外設，執(zhí)行管理整個儀器的軟件；其它為從CPU，在主CPU的管理之下完成某一部分工作。 第64頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（5 ）數(shù)字化波形處理系統(tǒng) 用低速器件來采集和存儲高速信號的問題。 * CCD器件和A/D相結合 首先對被測信號進行重復非實時取樣，實現(xiàn)從高頻到低頻的頻率搬移，并借助于電荷耦合器件（CCD）進行信號的模擬存儲；然后將CCD中的信號讀出并進行A/D轉換，其數(shù)字化結果存入RAM。 第65頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四* 數(shù)字化攝像系統(tǒng)和ADC相結合 利用掃描轉換攝像機來捕捉示波器上的波形，然后以圖像信號輸出的形式取出存儲信號，并經(jīng)ADC將數(shù)字化結果存入RAM。* 等效取樣和ADC相結合 采用等效取樣的方法將高速信號變?yōu)榈退傩盘?，在?shù)字存儲示波器中只須對此低速信號進行采集、存儲。* 多通道組合 被測信號同時作用于兩個采集通道的輸入端，在顯示時再將這些樣點依次交替讀出進行顯示。 第66頁，共72頁，2022年，5月20日，11點55分，星期四（6）波形顯示技術 在一個信號波形被采樣、數(shù)字化、存儲和處理后，有多種方法可以將它復現(xiàn)，所有的方法都需要用