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1、part1第六章第六章 时域测量时域测量第六章第六章 时域测量时域测量本章要点：本章要点：示波器的功用、分类、组成和波形显示原理示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、信号采集处理技术、特性与功能特性与功能本章开始将介绍几种本章开始将介绍几种图示式仪器图示式仪器，从三个方面去进行研究，即，从三个方面去进行研究，即时域时域(Time Domain)(Time Domain)反映的幅度反映的幅度U U与时间与时间T T的关系

2、的关系(如如示波器示波器)、频域频域(Frequency Domain)(Frequency Domain)反映的幅度反映的幅度U U与频率与频率F F的关系的关系(如频如频谱仪谱仪)及调制域及调制域(Modulation Domain)(Modulation Domain)。下面将分三章介绍。下面将分三章介绍三三种图示式仪器种图示式仪器：时域时域示波器示波器、频域频域频谱仪和数据域频谱仪和数据域逻辑分析仪逻辑分析仪。T T图图6.1 6.1 调频波频谱图调频波频谱图F FU U调制域调制域频域频域时域时域概述概述 6.1.16.1.1 示波器的功用示波器的功用1.1.示波器是一种基本的、示波

3、器是一种基本的、应用最广泛应用最广泛的时域测量仪器。的时域测量仪器。2.2.是一种是一种全息仪器全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。仪器难以胜任的。3.3.示波器从早期的示波器从早期的定性观测定性观测，已发展到可以进行，

4、已发展到可以进行精确测量精确测量。4.4.示波器是其它示波器是其它图式仪器的基础图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪以及医用分析仪以及医用B B超等各种图示仪器就容易理解了。超等各种图示仪器就容易理解了。6.1.2 6.1.2 示波器的分类示波器的分类一、当前常用的示波器从技术原理上可分为：一、当前常用的示波器从技术原理上可分为：（1 1）模拟式模拟式通用示波器通用示波器（采用单束示波管实现显示，当前（采用单束示波管实现显示，当前 最通用的示波器）。最通用的示波器）。（2 2）数字式数字式数字存储示波器数字存储示波器（采用（采用A/DA/D、DSPDSP等技术实

5、现等技术实现的数字化示波器）。的数字化示波器）。（1 1）中、低档示波器，带宽在中、低档示波器，带宽在60MHz60MHz以下以下。（2 2）高档示波器，带宽在高档示波器，带宽在60MHz60MHz以上，大多在以上，大多在300MHz300MHz以下。以下。更高档的有更高档的有1GHz1GHz2GHz2GHz以上。以上。从性能上，按示波器的带宽可分为：从性能上，按示波器的带宽可分为：.MHzBWstr3506.1.36.1.3 示波器的组成示波器的组成 Y Y（垂直）通道（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和输出放大器组成，实质上是个多级宽频带

6、、高增益放大器，输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。量灵敏度。X X（水平）通道（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏显示屏：主要由阴极射线管组成，：主要由阴极射线管组成，常以常以CRT(Cathode Ray Tube)CRT(Cathode Ray Tube)表示，通常称为示波管。当前以表示，通常称为示波管。当前以光

7、点和光栅方式作显示屏的主要光点和光栅方式作显示屏的主要采用示波管。另外，平板显示屏采用示波管。另外，平板显示屏是后起之秀，发展很快，尤其是是后起之秀，发展很快，尤其是液晶显示屏（液晶显示屏（LCDLCD）已经应用于）已经应用于示波器了。示波器了。Y(Y(垂直垂直)通通 道道X(X(水平水平)通通 道道电源电源图图6.2 6.2 示波器的基本组成示波器的基本组成显示屏显示屏6.26.2 示波管（示波管（CRTCRT）示波管属于电真空器件，又称为示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（阴极射线管（CRTCRT）。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后

8、加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管Z Z轴轴-E+EFKG1G2A1A2辉辉度度聚聚焦焦辅辅助助聚聚焦焦Y Y偏偏转转板板X X偏偏转转板板荧荧光光屏屏电电子子枪枪偏偏转转系系统统荧荧光光屏屏6.2.16.2.1 电子枪电子枪电子枪的作用是电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成：它由以下几部分组成：1.1.灯丝灯丝FF在交流低压在交流低压(如如6.3V)6.3V)下使钨丝烧热下使钨丝烧热,用于加热阴极。用于加热阴极。2.2.阴极阴极KK是一个表

9、面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属的金属 KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管3.3.第一栅极第一栅极G1G1调节调节G1G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。面板上供使用。当控制信号加于当控制信号加于G1G1，其，其亮度亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的可随之改变，则可以传递信息，称为示

10、波器的Z Z轴轴电路。电路。4.4.第二栅极第二栅极G2G2隔离开隔离开G1G1和和A1A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管5.5.第一阳极第一阳极A1A1与第二阳极与第二阳极A2A2构成一个电子透镜，对电子束起构成一个电子透镜，对电子束起聚焦聚焦作用。作用。6.6.第二阳极第二阳极A2A2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与是个更大的同轴圆筒，其

11、上电压较高，它主要与A1A1构成构成电子透镜。电子透镜。7.7.第三阳极第三阳极A3A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速后加速阳极阳极。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦聚焦UA1辅助聚焦后加速极后加速极A315KV电子枪电子枪偏转系统偏转系统荧光屏荧光屏Y1真空玻璃管真空玻璃管图6.3 阴极射线示波管 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。KG1G2A1A21V2VE12VV1212E1V2V12VV2121K1G2G

12、1A2A6.2.2 6.2.2 偏转系统偏转系统1 1静电偏转静电偏转-光点法光点法-用于示波器用于示波器2.2.磁偏转磁偏转-光栅法光栅法-用于电视机、计算机显示器及示波器。用于电视机、计算机显示器及示波器。2yyyaLsyUh UbU图图6.4 6.4 电子束的偏转电子束的偏转L LS SY YU Uy yU Ua a屏幕屏幕电子束电子束A A2 22yyyaLsyUh UbU比例系数称为示波管的偏转比例系数称为示波管的偏转因数，单位为因数，单位为cm/Vcm/V，它的倒，它的倒数数DDy y1 1h hy y称为示波管的偏称为示波管的偏转灵敏度，单位为转灵敏度，单位为V/cmV/cm。偏

13、。偏转灵敏度是示波管的重要参转灵敏度是示波管的重要参数数。6.2.36.2.3 荧光屏荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。轰击动能转变为光能，产生亮点。余辉时间余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的的1010，所延续的时间称为余辉时间，所延续的时间称为余辉时间 小于小于10s10s的为极短余辉；的为极短余辉；不同荧光材

14、料余辉时间不一样：不同荧光材料余辉时间不一样：10s10s1ms1ms为短余辉（通常是为短余辉（通常是蓝色蓝色，便于摄影感光）；，便于摄影感光）；1ms1ms0.1s0.1s为中余辉（通常为为中余辉（通常为绿色绿色，眼睛不易疲劳）；，眼睛不易疲劳）；0.1s0.1s1s1s为长余辉（通常是为长余辉（通常是黄色黄色）；）；大于大于1s1s为极长余辉（通常是为极长余辉（通常是黄色黄色）。）。6.36.3波形显示原理波形显示原理6.3.1 6.3.1 显示随时间变化的图形显示随时间变化的图形 1.1.光点扫描显示原理光点扫描显示原理 光点位置控制：光点位置控制：u uy yY Y1 1Y Y2 21

15、 12 23 34 40 0t t1 13 30 02 2 4 4(a)(a)(b)(b)t tX X2 2X X1 10 00 0u ux xT Ts sT Tn n+-+光点在合力作用下移动光点在合力作用下移动.2.2.信号与扫描电压的同步信号与扫描电压的同步u uy y1 12 23 34 40 0t tT Ts su ux xu uy yu ux xX X1 1X X2 2Y Y1 1Y Y2 21 12 23 34 40 0t t0 0T Tn n1 12 23 34 40 0图图6.6 6.6 扫描过程扫描过程u uy yT Ts sT Tn nt t0 01 13 35 57 7

16、9 910108 86 64 42 20,80,81,91,95 53 37 7210210 4124126 68 81 1t tu ux x2 25 57 79 91 12 23 33 34 44 45 56 66 67 710108 8图图6.7 6.7 扫描电压与被测信号同步扫描电压与被测信号同步同步同步：T Tn n/T/TS S=n=nN=1N=1，2 2，波形稳定波形稳定3.3.连续扫描和触发扫描连续扫描和触发扫描连续扫描连续扫描：一开机就有扫描线，一开机就有扫描线，来信号同步后波形来信号同步后波形才稳定。才稳定。触发扫描触发扫描：一开机没有扫描线，一开机没有扫描线，来信号触发后波

17、形来信号触发后波形才稳定。才稳定。T Ts st tt tt tt tu uy yu ux xu ux xu ux xT Tn nT Tn n图图6.9 6.9 连续扫描和触发扫描的比较连续扫描和触发扫描的比较1mS1mS1S1S1显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：(a)Ux=0、Uy=0(b)Ux=0、Uy=常量 1显示随时间变化的图形（续）(c)Ux=常量、Uy=0(d)Ux=常量、Uy=常量7.2.2 波形显示的基本原理1显示随时间变化的图形（续）（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：Uy0123401324Uy-UytUx012340132

18、4Ux-UxtUy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Uxt0123401234uytux01234。t0123401234uytux01234024。/xxxSkth t cmsuyTyTxuxtt t015(6)234789012345678uytuxTy54xyTT101110911TsT=Tstt(a)被测脉冲(b)连续扫描，且T=Ts不能观测到脉冲细节5连续扫描和触发扫描（续）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。Tstt(a)被测脉冲(c)连续扫描，且T=T=脉冲得到展宽，但波形显示暗，而时基线太亮Tstt(a)被测脉冲(d)触发扫描扫描

19、等待能较好地观测脉冲t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty6.3.4 6.3.4 平板显示原理平板显示原理 上述显示是基于电真空器件上述显示是基于电真空器件CRTCRT内进行的，这种方式优点多多内进行的，这种方式优点多多缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。缺点不少，引发世人发明多种方案欲取而代入。显示器总汇与发展历程简介：显示器总汇与发展历程简介：被动发光被动发光平板显示器平板显示器 （FPDFPD）等离子等离子PDPPDP（紫外线（紫外线+荧光粉）荧光粉）背光源背光源+液晶板液晶板阴极射线管阴极射线管 （CRTCRT）主动发光主动发光电致发光电致发光ELEL板板荧光荧光VFDVFD显示屏显示屏发光二极管发光二极管LEDLED显示屏显示屏场致发射场致发射FEDFED表面传导电子表面传导电子（像素点电子源（像素点电子源+荧光粉）荧光粉）显显 示示 器器