第6章-时域测量《电子测量技术》课件.ppt

1、1 u6.1 概述u6.2 模拟示波器基本原理u6.3 数字存储示波器 u6.4 示波器的应用 u示波器：n利用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。u示波器可以测量很多电参数。n电压、电流、功率、频率、周期、相位、脉冲宽度、脉冲上升及下降时间等。u如果配上相应的传感器,示波器可以测量非电量n温度、压力、振动、密度、声、光、热、磁效应等。u示波器对电信号的分析是按时域法进行的,研究信号的瞬间幅度与时间的函数关系,具有捕获显示及分析时域波形的功能 u具有良好的直观性,能显示波形,能测量信号瞬时值。u灵敏度高,显示速度快,工作频带宽,可方便观察瞬变信号细节。u输入阻抗高(M级),对被测电路影

2、响小,这对测量精度是很重要的。u是一种信号比较器,可显示、分析任意两个量之间的函数关系。u当前常用的示波器从技术原理上可分为：n模拟式通用示波器(采用单束示波管实现显示,当前最通用的示波器)。n数字式数字存储示波器(采用A/D、DSP等技术实现的数字化示波器)。u从性能上,按示波器的带宽可分为：n中、低档示波器,带宽在60MHz以下。n高档示波器,带宽在60MHz以上,大多在300MHz以下。更高档的有1GHz2GHz以上。u3050年代：通用示波器的诞生和实用化n58年带宽达100MHz；57年研究成记忆示波器,59年生产出取样示波器。u60年代：示波器技术进一步得到提高，n通用示波器的带宽

3、69年跃至300MHz。n取样示波器的带宽达到了18GHz。u70年代以后：n71年带宽500MHz,79年达到1GHz。n74年就发表了带微处理器的示波器,开辟了示波器微机化的发展方向,示波器开始具备对信号的数字存储功能 uY(垂直)通道n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。uX(水平)通道n产生与被测信号相适应的扫描锯齿波u主机u阴极射线示波管(CRT)n将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示u示波管：n电子枪：发射电子并形成很细的高速电子束n偏转系统：决定电子束怎样偏转(X Y两对偏转板)n荧光屏：在偏转后的电子射线轰击下发光,从而显示出外加电信号的波形HeaterC

4、athodeGridFluorescent screenAnodeX-platesY-plates示波管属于电真空器件,又称为阴极射线管(CRT)。u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。它由以下几部分组成：n灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极n阴极K是一个表面涂有氧化钡的金属 n第一栅极G1调节G1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。n第二栅极G2隔离开G1和A1,以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。n第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜,对电子束起聚焦作用。n第二阳极A2是个更大的同轴圆筒,其上电压较高,它主要与A1构成电子透镜

5、。n第三阳极A3具有上万伏的高压,用于对电子束加速,故也称后加速阳极。u偏转系统u静电偏转光点法n用干示波器u磁偏转 光栅法n用于电视机、计算机显示器及示波器。u荧光屏n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。n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的10所延续的时间称为余辉时间uX、Y偏转板上都不加电压：n光点在荧光屏的中心位置uY上高,电子束受正电压吸引向上移动；uX右高,电子束受正电压吸引向右移动；uY:uy=Umsint X:ux=0uY:uy=0 X:ux=UmsintuY:uy=U

6、msint uX:ux=Umsintu波形17u电信号的时间波形,实际上就是它的瞬时值与时间在直角坐标系统中的函数图像。u示波器：n垂直坐标y正比于输入信号瞬时值n水平坐标x正比于时间 水平方向需用一个电压模拟时间 uY偏转板加正弦波信号电压uX偏转板加锯齿波电压u荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。u扫描：光点在x轴上反复移动u时基(时间基准)：荧光屏上代表时间的水平亮线u扫描电压ux：n随时间线性变化的电压ux=ktn锯齿波 u时间可以无限延续,实际线性变化信号幅度不可能无限增长,且屏幕尺寸有限u直线扫描电压,只能使光点在屏幕上自左至右扫一次u波形22u对扫描电压要求：

7、n周期性：n线性：n同步性：u当fx=fy Tx=Ty,第2周期光点移动轨迹与前一周期重合；u当fy=2 fx Tx=2 Ty,第3 4周期光点移动轨迹与前1 2周期重合。u推论：fy=n fx(n为正整数),波形稳定u同步：fy=n fx，Tx=n Tyu如果Tx n Ty,即不满足同步条件,显示的图像不稳定24u扫描种类：n直线扫描：u连续扫描u触发扫描n圆扫描n螺旋扫描 u连续扫描uTx=tf+tbntf：扫描正程 tb：扫描回程n理想情况：tb=0 u为观测连续信号,扫描电压是连续的,称为连续扫描u当观测脉冲过程时,往往感到连续扫描不再适应,特别是研究脉冲持续时间与重复周期之比,即占空

8、比t0Ty很小的脉冲过程时,问题就更为突出u触发扫描 n Tx=tf+tb+twn只有在被测脉冲到来时才扫描一次n扫描发生器平时处于等待工作状态,只有送入触发脉冲时才产生一个扫描电压 n一般选择 Tx t027u实际工作时回扫是需要一定时间的,这对显示波形产生了一定的影响。u为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示,可以设法在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子,即给示波器u增辉：在扫描正程期间给第一栅极G1加正脉冲 阴极K 加负脉冲u示波器对垂直通道(Y通道)的基本要求是n以足够高的输入阻抗将被测信号以很小的失真对称地传输到Y偏转板上n有足够宽的幅度和频率测量范围。n为了与X通道配合,Y通道应有一定

9、的延迟。u输入电路n探极n耦合方式转换开关n衰减器n阻抗变换器u被测信号送入Y通道前,先通过探极(探头)进入示波器。u使用探极的目的：n提高示波器的输入阻抗n扩展带宽,减小失真。32u衰减器作用是把检测信号很宽的幅度变化范围压缩,保证放大器正常工作u一般用阻容补偿分压电路来实现。222111222212111CRjRCRjRCRjRZZZK212RRRKu当R1 C1=R2 C2 最佳补偿 u具有触发功能的示波器,由于扫描信号是由被测信号的前沿启动的,因此扫描开始时刻总比被测信号到来的时刻要迟一些。u若被测信号前沿较短，则可能出现被测信号过去td之后才开始扫描。u为完整显示信号波形的前沿,在Y

10、通道中加延迟线,对被测信号延时。uY放大器n前置放大器和后置放大器,均采用差分放大器u作用：使示波器具有观测微弱信号的能力uY通道的增益uSR-8：Symax=10mV/div=12.5mV/cm Sv=68V/cmmaxyvSSK 560/5.12/7cmVcmVKu示波器的Y通道必须由多级放大器组成u对Y放大器的主要要求是：n频带宽度f足够宽：fH越高越好 fL=0n上升时间tr足够小n稳定的增益n对称的输出电路n较高的输入阻抗u水平通道(X通道)的作用：n使电子束作水平偏转n给示波管提供增辉脉冲u组成 触 发 源选 择触 发 耦 合方 式 选 择放 大 整 形电 路扫 描闸 门扫 描 电

11、 压发 生 器水 平放 大 器比 较 和释 抑 电 路触 发 信 号触 发 电 路扫 描发 生 器 环至 X偏 转 板u作用:产生符合要求的锯齿电压。u组成:扫描闸门、扫描电压发生器、电压比较器、释抑电路 u扫描闸门施密特触发器(滞后特性)n当触发脉冲在到来时,触发器翻转，输出的高低电平,作为扫描发生器的控制信号门控信号u扫描发生器受时基闸门控制n密勒积分器n当K断开时,电源E通过电阻R对电容C充电,输出负向锯齿波扫描电压队。n此电压一路送X放大器,另一路送时基电路的电压比较器n输出电压U0为n当K闭合时,电容C放电,使U0迅速上升,回到扫描的起点。tRCEEdtRCUt001u电压比较器n将

12、扫描电压U0与参考电压Ur进行比较,当U0Ur时,电压比较器输出电压随U0而下降,给释抑电路的电容器充电。u释抑电路n在扫描回程期间电容C以较慢的速度放电n保证每次扫描都在同一起始电平上开始。u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。u它把触发信号变换为具有陡峭前沿,与被测信号同步的触发脉冲u触发电路组成：n触发源选择n触发的耦合方式选择n触发方式选择n触发极性选择n触发电平选择n触发放大整形电路等 u触发极性选择和触发电平调节(a)正电平、正极性(b)正电平、负极性(c)负电平、负极性(d)负电平、正极性u多束显示和多踪显示是同时显示几个信号波形的基本方法u多束显示n优点：能

13、够观察同时出现的瞬变信号信号。u多束示波管内装有几个独立电子枪,能同时发射多束电子;或把同一阴极发射出来的电子分割为几束电子束。u多踪示波器：n采用单束示波管,在它的Y偏转板上轮流接入几个被测信号,按时间分割原理制成的示波器u优点：性能高、价格低u缺点：不能观测同时出现的瞬变信号，4647u组成：与普通示波器类似n两个Y通道+一个通道转换器(电子开关)u上述三种状态均为单踪显示,为显示双踪,需高速控制YA与YB的接通与断开,实现两信号的轮流轮流显示u在实际电路中,用晶体二、三极管代替机械开关K1 K8,称为电子开关,其开关转换速率可达几百kHzu电子开关的转换控制方式 n交替n断续u双踪示波器

14、设有“A”“B”“A+B”“交替”和“断续”五种工作状态。u“A”:K1K2K7K8断开,K3K4K5K6接通,YA信号送Y偏转板u“B”:K1K2K7K8接通,K3K4K5K6断开,YB信号送Y偏转板u“AB”：nK1K2K5K6断开,K3K4K7K8接通,两路信号均传到输出端,并在负载中互相叠加 50 交替方式不适于显示重复频率很低的信号 u特点：fk fxn在每一次扫描正程中,高速轮流接通两个输入信号,显示出来的波形是由许多线段组成。n当开关转换频率很高时,这些线段很短,看上去就好像是连续的波形。u断续方式只适合于观测低频信号u双扫描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

15、脉冲序列的同时,仔细观察其中一个或部分脉冲的细节。55uB加亮An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uA延迟Bn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入X放大器。u自动双扫描n包括上两种方式56uDSO在功能上具有下列优点：u能够捕捉单次信号、随机信号、低重复速率信号,并进行测量和分析；u灵活多样的触发和显示,增加了捕捉和测量能力；u通过软件实现自动参数测量,测量精度高,不受人为因素影响；u具有多种输出方式,便于进行功能扩展和自动测试。uDSO

16、也有一些功能上的局限,同模拟示波器一样,它也具有信号采集上的“盲区时间”。5859数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope,DSO)主要由采样存储、触发与时基和显示三大部分组成。60u数字示波器通过模数转换器(ADC)把被测电压转换为数字信息。u数字示波器捕获的是波形的一系列样值,并对样值进行存储,存储限度是判断累计的样值是否能描绘出波形为止。u像所有微机化仪器一样,框图中的P系统除包括微处理器、RAM、ROM、微机定时和中断等系统外,还常包括键盘及其控制、GPIB接口等I/O接口。当处于存储工作模式时,其工作过程一般分为存储和显示两个阶段。在存储工作阶段,将模

17、拟信号转换成数字化信号,在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。在显示工作阶段,将数字信号从存储器中读出转换成模拟信号,经垂直放大器放大加到CRT的Y偏转板。同时,CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器,得到一个阶梯波扫描电压,驱动CRT的X偏转板，u采样存储部分包括衰减及放大、采样保持及AD变换和采集存储器三部分。u衰减及放大电路的作用与模拟示波器类似。u采样是为方便存储、处理和/或显示,把部分输入信号转变为许多离散电信号的过程,经过AD变换,离散的模拟量变为量化后的数字量,然后由采集存储器存储。u数字存储示波器的采样方式分为n实时采样n非实时采样(等效时间采样)u非实时顺序采样u非实时随

18、机采样62u采样：n用少量样品代表大量的甚至无穷多的原始收据n具有频率变换作用n具有时间上的不连续u实时采样nvs=p(t)vi(t)63如果取样脉冲的宽度足够窄,取样信号的幅度就是该次取样时刻输入信号的瞬时值。u采样是等间隔地进行；u采样率以“点/秒”(S/s)来表示。64采样点采样点数字化需要的数字化需要的保持时间保持时间采样间隔采样间隔u实时采样n在信号实际经历的时间内完成了全部采样n对于频率范围在示波器最大采样速率一半以下的信号,实时采样是理想的方式。此时,通过一次“扫描”波形,示波器就能获得足够多的点重构精确的图象,如图6566输入重复信号输入重复信号第一次采集第二次采集第三次采集。

19、u实时采样是最直观的采样方式,采样率超过模拟带宽45倍或更高。67u实时采样n只需一次触发已采集到信号所有资料u对信号的要求：重复信号且可允许信号变化u实时采样技术示波器n不仅适用捕获重复信号、而且是捕捉非重复信号和单次信号的有效技术。n是捕获隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号前提条件。u示波器标定带宽重复信号带宽 瞬态(单次)信号带宽68放大器放大器多路多路分解器分解器采集信号采集信号存储器存储器uP显示显示存储器存储器A/D采样率低使信号失真采样率低使信号失真采样率高使信号保真采样率高使信号保真u数字示波器不但观测重复信号,同时需要观测单次事件信号。u采样率不足会造成显示信号漏失和失真。所以

20、示波器必须具有足够的采样速率,用以捕捉单次信号和精确恢复显示波形。u奈奎斯特抽样定律中指出采样率至少为信号最高频率带宽的2倍以上,从而保证信号在恢复时不发生混迭现象和失真的情况发生。69例：示波器带宽100MHz,u示波器带宽选定后,采样率决定了单次带宽。采样率1GS/s采样率200MS/s采样率100MS/s70u单次事件信号沿的精确捕获和复现能力只有信号速度在单次带宽的范围内,对捕获信号才能精确复现711 1Gs/SGs/S单次带宽为单次带宽为100100MhzMhz100100MhzMhz6060MhzMhz8080MhzMhz4040MhzMhz2020MhzMhz200200MMhz

21、s/SMMhzs/S单次带宽为单次带宽为4040MhzMhz100100MMhzs/SMMhzs/S单次带宽为单次带宽为2020MhzMhzu脉冲序列精确复现能力,只有信号速度在单次带宽的范围内,对捕获信号才能精确复现u示波器带宽选定后,采样率决定了单次带宽。u单次带宽决定示波器对毛刺和单脉冲信号的捕获能力和复现能力,也决定了示波器检测重复信号中异常信号和随机毛刺信号的捕获能力。u单次带宽决定示波器对阶跃、单次信号中的快沿的捕获和复现能力,也决定了示波器对检测,低重复率信号的上升和下降沿捕获能力7273u我们在确定示波器的带宽后,还要选择足够的采样率来与之相配合,这样才能获得适合于实际测量中的

22、实时带宽,从而获得满意的显示和测量结果。u示波器采样率不足，将会使信号失去高频成份，影响对信号的完整性测量。如，使信号上升和下降时间变慢或造成波形的漏失。u如果在实际的测量中,比较重视单次信号的精确信息,我们建议采样率要在带宽的5倍以上,最好能在810倍。u数字示波器采集快速、单脉冲和瞬态信号,实时采样是唯一的方式。为了精确数字化高频瞬态事件,必需要有足够的采样速率,数字示波器的实时采样才能很好的完成这样的任务。u有些事件只发生一次,必须在发生的同一时间帧内对其采样。如果采样速率不够快,高频成分可能会“混叠”为低频信号,引起显示混叠。u带宽为100MHz就要求A/D器件的转换速度不能低于400

23、MS/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。74u非实时采样n采样点分别取自若干个信号周期的不同位置。n将实时采样中同一周期上的各个取样点分散到各个不同的周期上。75u关键:u相对于tn,tn+1延迟了tu若输入信号的周期为T,采样脉冲的周期为:TS=tn+1tn=mT+tnt：采样脉冲的步进时间nt决定了采样点在各个波形上的位置,t必须很小,满足:7612htf u非实时取样的特点:n显示一个取样信号所需脉冲序列的持续时(测量时间)远远大于被测信号的实际经历时间。n其包络波形同样可以重现原信号波形u非实时采样器利用的原理是

24、:大多数自然产生和人为构造的对象都具有重复性。为构建重复信号的图像,在每一个重复期内,非实时采样只采集少量的信息。象一串灯一盏一盏依次点亮那样,波形逐渐累积而成。利用这样的方式,即使信号的频率成分远远高于示波器的采样速率,也能形成精确地采样。77u非实时采样(等效时间采样)有两种方法：n非实时顺序采样u顺序等效时间采样提供更大的时间分辨率和精度。n非实时随机采样u随机等效时间采样允许输入信号的显示先于触发点,而不需要使用延迟线。u两者都要求输入信号具有重复性。7879输入重复信号输入重复信号u非实时顺序采样是每一个触发采集一个采样值第一次触发采集第二次触发采集第三次触发采集最后一个周期 u顺序

25、采样是每一个触发采集一个样值,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(高达50GHz),并且垂直分辨率一般在10bit以上。u这种示波器每个采样周期在波形上只取一个样点,80 如图所示,每次延迟一个已知的t 时间,要想采集足够多的样点,则需要更长的时间才行。81第一次触发采集第二次触发采集第三次触发采集第四次触发采集输入重复信号输入重复信号u随机采样的采样器采用内部的时钟,u随机采样的采样器采用内部的时钟,它与输入信号和信号触发器的时钟不同步,随机采样允许输入信号的显示先于触发点,样值连续不断地获得,而且独立于触发位置,显示时则由样值和触发器的

26、时间差决定。82u随机采样可以在一次触发事件中采集多个样值83u非实时采样对采样速度的要求大大降低了,或者说它可以用不是非常高的采样速率,“等效”极高的采样速率,进而使示波器的通频带做得很宽。u这种采用方式常用于取样示波器中,目前高端频已达50GHz。u所有非实时采样的示波器都.它们通常观测周期性信号,但是只要重复波形完全相同,触发点又容易识别,某些非实时示波器亦可观测有些非周期性的重复信号。84u需要经过多次触发才能采集到信号的所有资料u对信号的要求：信号必须重复并且稳定，如信号变化(如幅度)将造成显示混乱。u等效技术示波器n只适用捕获重复稳定信号n对捕获非重复信号和单次信号的能力以及是捕获

27、隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的能力,将受到实时采样率的限制。u示波器标定带宽重复信号带宽 瞬态(单次)信号带宽。85u可以显示单次瞬时事件u无需显式触发u无需重复的波形u直接测量周期到周期抖动u长记录长度/深存储器u适用于故障诊断情况86u更低的采样速率支持更高分辨率 ADC 转换u更宽的带宽u更低的本底噪声u更低的固有抖动u可以包括前端光学模块u可以用于TDR以获得阻抗测量和 S 参数测量u能够以更低的成本获得解决方案87u数字存储器的功能n随机存储器RAM包括信号数据存储器、参考波形存储器、测量数据存储器和显示缓冲存储器四种。u记录长度(存储深度)是示波器所能存储的采样点多少的量度。u

28、如果需要不间断的捕捉一个脉冲串,则要求示波器有足够的存储器以便捕捉整个事件。u记录长度与采样率密切相关。所需要的记录长度取决于要测量的总时间跨度和所要求的时间分辨率。881234567891011121314151617181920记录长度记录长度18N123tt 记录长度记录长度 采样率采样率采样时间采样时间放大器时钟显示处理器模数转换器8取样和保持采集内存90u一个波形记录是指可被示波器一次性采集的波形点数n最大记录长度由示波器的存储容量决定,要增加存储容量才能增加记录长度n为捕获和显示单次信号过渡过程提供的重要指标u示波器的存储由两个方面来完成：n触发信号和延时的设定确定了示波器存储的起

29、点n示波器的记录长度决定了数据存储的终点。触发点触发点延时时间延时时间记忆长度记忆长度起点起点终点终点u记录时间记录长度/采样率n由于时基和采样率是联动的,所以时基的速度快慢将同时改变采样率的高低。当采样率达到指标定义最高速率时,加快时基速度的调整,采样率将不能加快。n时基与采样率的关系应为：n存储深度(点)时间/格10采样间隔.n 1/采样间隔采样率9192被测信号时间被测信号时间T T被测信号时间被测信号时间T T被测信号时间被测信号时间T T示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间93

30、示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间示波器记录长度和采样时间事件信号时间长度事件信号时间长度事件信号时间长度事件信号时间长度事件信号时间长度事件信号时间长度94u示波器带宽、单次带宽和记录长度对被测波形显示的影响：u单次带宽对单次信号的精确复现起到限制作用。对单次事件和脉冲串等非重复信号,以及对重复信号中的异常信号进行捕获时,如采样率不符合捕获信号速度的要求,将造成复现的信号会失去高频成份。显示的信号与被测信号相比,上升和下降时间变慢,或高频脉冲信息漏失,影响信号完整性测量。在这种情况下不论示波器的存储深度有多

31、长,已没有实际意义。u在保证对单次信号进行精确捕获前提下,示波器存储深度越长，波形的存储时间就越长。u由于示波器存储深度有限,使用的不是示波器最高采样率,对单次信号进行捕获时,提高采样率可以提高对信号的捕获精度和分辨率,但降低了存储信号的时间。u采样率和存储深度有限,提高存储时间只能降低采样率,但降低采样率将失去波形的细节同时失去快沿信号的高频成份使上升时间变慢。u如单次信号时间较长,要保证信号中高频信息不丢失(信号漏失和畸变)。需要我们综合考虑示波器带宽、采样率和存储长度等指标,以保证被测信号的精确复现。u示波器的捕获率和触发功能、可以优化示波器的存储深度和采样率。95100 MSa/s80

32、0 MSa/s4 GSa/s1 MSa/s以1ms/div为例Oscilloscopes BasicsAgilent Confidential October 15,2009u模拟示波器的时基电路主要用来产生与时间成正比的锯齿波,即扫描电压。数字示波器并不需要单独产生锯齿波,而是根据各采样点间实际对应的时间间隔,算出各显示点的X坐标加以显示u对于数字示波器,从数据采集开始,几乎每个主要环节都需要严格的定时关系。u数字示波器的时基电路,除了包括高稳定度、高难确度的主时钟外,还需要产生各种时序信号,例如采样时钟,A/D变换启动信号,显示定时信号等u注重时序关系是数字化测量仪器及其他数字电路的共同特

33、点。nn-1n-2n-3最老的样点最新的样点T触发点触发点=50%=50%的内存的内存u采集内存-循环缓冲u“触发”的概念来自模拟示波器,只能观测触发点以后的波形。u在DSO中也沿用“触发”叫法,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。u触发工作方式n常态触发:同模拟示波器基本一样。n预置触发:可观测触发点前后不同段落上的波形。100u示波器触发可看作“同步图形获取”u一个波形“图形”包含多个连续的数字化采样u“图形获取”必须同步到重复波形的唯一点u大多数常见示波器触发都基于在特定电压电平下同步信号上升或下降边沿

34、的采集(图形获取)101拍摄拍摄赛马比赛赛马比赛撞线时撞线时的照片的照片与示波器触发相似与示波器触发相似触发点触发点触发点触发点未触发未触发（未同步的图形获取（未同步的图形获取）触发触发=上升边沿上升边沿 0.0 V触发触发=下降边沿下降边沿 +2.0 V触发电平设置在波形之上触发电平设置在波形之上正时间正时间负时间负时间 DSO 上的默认触发位置（时间为零）上的默认触发位置（时间为零）=屏幕中间（水平）屏幕中间（水平）早期模拟示波器的早期模拟示波器的唯一唯一触发位置触发位置=屏幕左侧屏幕左侧例如：例如：I2C 串行总线触发串行总线触发 大多数学校实验室实验都将基于使用标准大多数学校实验室实验

35、都将基于使用标准“边沿边沿”触发触发 触发较为复杂的信号需要高级触发选项。触发较为复杂的信号需要高级触发选项。u数字存储示波器的显示部分更多基于光栅屏幕而不是基于荧光。从采集存储器中读出的采样值,经过若干处理后,再送往显示电路进行显示。u通常写入采集存储器的速度与读出的速度并不相同,不论以什么速度写入的,往往只要读出速度能保证显示波形不产生闪烁即可。u例如显示波形每秒更新50-100次已经足够了。u对数字示波器而言,一组采样点在显示屏上重构波形,垂直轴代表测量幅度,而水平轴表示时间,输入波形在屏幕上呈现一串点。如果点距离很远,那么很难分辨出波形,解决方法是采用插值法连接各点。u存储显示 n适于

36、一般信号的观测。u抹迹显示n适于观测一长串波形中在一定条件下才会发生的瞬态信号。u卷动显示n适于观测缓变信号中随机出现的突发信号。新波形到来移出，消逝输入波形放大显示波形(a)卷动显示(b)放大显示u单次采样带宽也就是常说的实时带宽,它是由模拟带宽、采样率以及波形重建的方法共同决定,因此它决定了所构建的单次波形的完整性 u波形重建的方法主要是指波形再现的插值算法u线性内插：在相邻采样点直接连接上直线，局限于直边缘信号u正弦内插：(Sinx/x)利用曲线来连接样点,通用性更强。它利用数学处理,在实际样点间隔中运算出结果。这种方法弯曲信号波形,使之产生比纯方波和脉冲更为现实的普通波形。106u使用

37、正弦内插,一般采用内插系数为5计算示波器的单次信号带宽。n单次带宽实时采样率/5(内插系数)。u使用线性内插,一般采用内插系数为10计算示波器的单次信号带宽。n单次带宽实时采样率/10(内插系数)107u放大显示n适于观测信号波形细节uX-Y显示u显示的内插n插入技术可以解决点显示中视觉错误的问题。n主要有线性插入和曲线插入两种方式u数字示波器大多具有模拟示波器的基本功能,如显示波形、X-Y工作模式、基本触发等。u数字示波器比模拟示波器增加了多种有用的功能,包括自动设置、自动测量、高级触发、数字滤波、运算功能(包括 FFT)、光标测量、毛刺检测及峰值检测、保存设置、自动校准和程控接口以及多种其

38、它特性。109u波形的采样/存储与波形的显示是独立的n可以无闪烁地观测极慢变化信号;对于观测极快信号来说,数字存储示波器可采用低速显示。u能长时间地保存信号 n便于观察单次出现的瞬变信号。u先进的触发功能n不仅能显示触发后的信号,而且能显示触发前的信号。u测量准确度高 n采用了晶振和高分辨率A/D转换器。u很强的数据处理能力n内含微处理器,能自动实现多种波形参数的测量与显示;还具有自检与自校等多种自动操作功能u外部数据通信接口n可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备,进行更复杂的数据运算和分析处理u带宽、采样率和存储器深度是选择数字示波器时最常使用的评估指标u带宽B3n带宽决定示波

39、器对信号的基本测量能力。n示波器所需带宽被测信号的最高频率成分5u上升时间trn上升时间越快,对信号的快速变换的捕获越准确n带宽和上升时间:trB30.35n脉冲实际上升时间11222rRRttt500 MHz信号:50 MHz 方波60 MHz100 MHz350 MHzOscilloscopes BasicsAgilent Confidential October 15,2009u采样速率又称作数字化速率,描述方式通常有:n用采样次数来描述,表示单位时间内采样的次数。如20MS/s(20106次/秒)。n用采样频率来描述,如20MHz。n用信息率来描述,表示每秒钟储存多少位(bit)的数据

40、。如每秒钟储存160Mb/s的数据,对于一个8bit的A/D转换器来说,就相当于20MS/s的采样率。u采样率越快,所显示的波形的分辨率和清晰度就越高,重要信息事件丢失的概率就越小。u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1 GSa/s(SR=2 x BW)2 GSa/s(SR=4 x BW)4 GSa/s(SR=8 x BW)输入=100 MHz 时钟,1ns 沿速度u存储深度(存储容量、记录长度)n表示数字示波器存储信号的能力,通常指采集存储器的容量。u采样速率fs(MS

41、/s)数据点记录长度L高速存储器难度 u例如,想要在100ms/div的扫速下以1GS/s采样,那将需要1000M的内存。u早期DSO的扫速、采样速率和记录长度之间存在如下近似关系：记录长度采样速率扫速10116u分辨率 n包括垂直分辨率(电压分辨率)和水平分辨率(时间分辨率)。n垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应,常以屏幕每格的分级数(级div)或百分数来表示。n水平分辨率由存储器的容量决定,常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。u读出速度 n读出速度是指将数据从存储器中读出的速度,常用(时间)/div来表示。u用示波器测幅度n直接测量法n自动参量测量法n光标法n比较法119ppy

42、ppyDVrrppppVyyVu用示波器测时间n直接测量法n自动参量测量法n光标法n比较法120ppsppxST rrppppTxxTu用示波器测相位差、频率比u当示波器工作在X-Y方式时,显示图像反映X,Y两种输入信号的变化,是示波器比较两个正弦波之间相位差和频率比的常用方法n利用李沙育图形测相位差n利用李沙育图形测频率比121mmxxyy22sin22sin0101yxxynnffu具有参变量的X-Y图示仪u建立单次信号u将非电量转变为电信号观测u通信测量应用u利用数字示波器的运算功能u用示波器自行构成其它仪器122u通信测量应用n很多通信测试可直接使用示波器,例如用示波器直接测调幅、调频

43、系数n扫频仪、频谱仪和逻辑分析仪的显示部分广泛使用了示波测试原理123124u利用数字示波器的运算功能125u过去,设计人员和工程师只能选择两种示波器：n模拟实时示波器和数字存储示波器(DSO)。u模拟示波器捕获速率快,提供了辉度等级显示,为波形提供了实时统计维度。变化的亮度清楚地显示信号不同部分的发生频率。uDSO提供了自动测量、完善的触发、波形存储和硬拷贝功能,这些功能都是模拟仪器所不具备的。但是,DSO 依赖信号处理结构,在信号采集过程的每一步中都要求微处理器干预。uDSO捕获速率太慢,不能准确地绘制复杂的信号,它们缺少调试必需的辉度等级信息。126uDSO 使用串行处理的体协结构来捕获

44、显示和分析信号,在DSO中,采集路径完全是串行路径,这要求微处理器参与信号采集过程。u数字荧光示波器(DPO)采纳的是并行处理结构127u从数据存储到完善的触发功能,DPO提供了DSO的所有传统优势。此外,它们使用三个维度捕获和显示波形信息,即幅度、时间、幅度在时间上的分布,这在很大程度上与模拟示波器类似。uDPO 以数字方式仿真化学荧光工艺,在模拟示波器的 CRT 中创建辉度等级。uDPO 的长处在于其并行处理结构。DPO把数字化波形数据光栅化成称为数字荧光的数据库。大约每隔 1/30 秒,数字荧光中存储的信号图像快照就会直到发送到显示系统。同时,与集成式采集/显示系统平行的微处理器会执行波

45、形数学运算、测量和前面板控制。128u混合信号示波器(MSO)是一种混合测试仪器,它兼有数字存储示波器(DSO)的全部测量功能和逻辑分析仪的部分测量功能,以及部分串行协议分析功能。u利用MSO,可以在同一个屏幕上观察多路时间队列模拟、并行数字以及串行解码波形129u与完整的逻辑分析仪相比,MSO通常缺乏足够的数字采集通道;与串行协议分析仪相比,MSO 又缺少较高的分析提取能力。130uMSO 相对较为简单,因此很容易使用,避免了逻辑分析仪和协议分析仪的复杂操作u示波器的选用n根据要显示的信号数量,选择单踪或双踪示波器。n根据被测信号的频率特点选择。n根据被测信号的重现方式选择。n根据被测信号是

46、否含有交直流成分选择。n根据被测信号的测试重点选择。131132u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。u提问：提问：u观测一个10MHz正弦波,为使失真小应选什么示波器?u测量电视机的视频信号要选什么示波器？u测量电视机的中频信号要选什么示波器？u测量电视机的高频信号要选什么示波器？30MHz30MHz20MHz 20MHz 120MHz120MHz3000MHz3000MHz133u选用示波器的主要依据是各项技术性能指标,但最主要的是带宽。示波器Y通道B3=100MHztr=0.35/B3 =3.5nstR=0tR=10nstR=3.5nstR=?屏幕上看到的上升时间为

47、被测信号上升时间22rRRttt22rRRttt134u频率响应(频带宽度)n示波器的频带宽度一般指Y通道的频带宽度。u上升时间trn是一个与频带宽度相关的参数,表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制,反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。u频带宽度B3与上升时间tr的关系可近似表示为trB30.35135u屏幕读出值误差如图:u当tR/tr=1时,屏幕读数相对误差trx/trx=40%u当tR/tr=3时,读数误差5%u当tR/tr=5时,读数误差2%u通常要求选用的示波器上升时间要 小于被测脉冲上升时间35倍,即ttrxrx/t/trxrx%示波器带宽对读出误差的影响示波器带宽对读出

48、误差的影响%rxrxtt)(3hrxfBttn对于一般连续信号53rRtt533hfBu图是用Agilent公司带宽为100MHz的示波器测量一个边沿速度为500ps(从10%到90%)的100MHz数字时钟信号得到的波形结果136从图中看出,该示波器主要只通过了该时钟信号的100MHz基本频率成分,因此,时钟信号显示大约是正弦波的形状。u右图给出了利用Agilent公司500MHz带宽的示波器 测量同一信号的结果。137u从图中可以看出,该示波器最高能捕捉到信号的5次谐波,这恰好满足了在前面给出的经验建议。u但在测量上升时间时发现,用这台示波器测量得到的上升时间约为750ps。在这种情况下,

49、示波器得到的测量结果实际上很接近它自己的上升时间(700ps),而不是输入信号的上升时间(接近500ps)。u换用Agilent1GHz带宽的示波器之后,得到的信号图像就更准确了。138u在示波器中选择上升时间测量后,得到的测量结果约为550ps。这一测量结果的精度约为10%，u如果要求对这个边沿速度在500ps的信号达到3%的边沿速度测量精度,那么我们需要2GHz或更高带宽的示波器。139u换用2GHz带宽的示波器之后,看到的图就是比较精确的时钟信号,上升时间测量结果约为495ps。140u探头的选用和使用u被测信号送入Y通道前,先通过探极(探头)进入示波器。u使用探极的目的：n提高示波器的

50、输入阻抗n扩展带宽,减小失真。141142143u仪器操作和管理注意事项n检查电源电压。n通电预热后再调整各旋钮,同时注意各旋钮应先大致旋在中间位置。n亮度不宜开得过高,且亮点不宜长期停留在固定位置,不观测波形时,应该将辉度调暗。n输入信号电压的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。u带宽、采样率和存储器深度是选择数字示波器时最常使用的评估指标u带宽B3n带宽决定示波器对信号的基本测量能力。n示波器所需带宽被测信号的最高频率成分5u上升时间trn上升时间越快,对信号的快速变换的捕获越准确n带宽和上升时间:trB30.35n脉冲实际上升时间14422rRRtttu采样速率又称作数字化速率,