信号波形测量一.ppt

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1、第7章 信号波形测量,7.1 波形的模拟测量 7.2 波形的数字测量 7.3 示波器的原理与设计 7.4 示波器的应用 7.5 示波器专题讲座,什么是波形？,几种典型的波：正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波调幅波和调频波,什么是波形？,正弦波是波形的基本组成，任何非正弦波都可视成是基波和无数不同频率的谐波分量组成。例如：方波是由基波以及3，5，7，9次谐波分量递加而成。1次（基波）3次 5次7次 方波(2500次)F(x)=2E/(sin(t)+1/3sin(3 t)+1/5sin(5 t)+1/7sin(7 t)+)对于非正弦波由最小值过渡到最大值的时间越短，所含的谐波分量也就越

2、多，波形所含谐波的频率也越高。对于脉冲波占空比越小，波形所含谐波就越多，谐波频率分量也越高。,7.1 波形的模拟测量,7.1.1 CRT由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。,1 电子枪,作用：发射电子并形成很细的高速电子束。由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。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。,2 偏转系统,两对相

3、互垂直的平行金属板，垂直偏转板和水平偏转板。电压偏转偏转距离。偏转距离与偏转电压成正比。,偏转灵敏度（cm/V）：,为提高偏转灵敏度，Y偏转板靠近电子枪，而X偏转板在Y的右边。偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。3 荧光屏将电信号变为光信号 辉度调节、余辉效应,L：偏转板长度；S：偏转板中心到屏幕中心距离；b：偏转板间距；Va：阳极A2上的电压。,偏转灵敏度越大，示波管越灵敏。其倒数为偏转因数。,7.1.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压,(a)U,x,=0、U,y,=0,(b)U,x,=0、U,y,=常量,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压,（2）X

4、、Y偏转板上分别加变化电压（续）,Y偏转板加正弦波，X偏转板加锯齿波，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。,t,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压（续）,李沙育（Lissajous）图形显示，常用在相位和频率测量中,两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。,两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。,7.1.2 波形显示的基本原理（续）,3扫描的概念 在X偏转板上加一个随时间线形变化的电压，光点在水平方向的偏移距离为：光点在锯齿波作用下扫动的过程称“扫描”，实现扫描的锯齿波电压称“扫描

5、电压”，光点自左向右的扫动称为“扫描正程”，自右迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描逆程”。扫描过程的增辉（逆程消隐）：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，给示波器增辉。,不增辉产生回扫线,4同步的概念,n=2,Tx=nTy，扫描电压与被测电压“同步”。荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。,7.1.2 波形显示的基本原理（续）,TxnTy，不满足同步关系时，显示的波形不稳定。,5连续扫描和触发扫描,7.1.2 波形显示的基本原理（续）,占空比很小的脉冲,触发扫描使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。,第7章 信号波形测量

6、,7.1 波形的模拟测量 7.2 波形的数字测量 7.3 示波器的原理与设计 7.4 示波器的应用 7.5 示波器专题讲座,7.2 波形的数字测量,波形数字测量的基本流程,等间隔进行采样及A/D转换,顺序存储采样数据,读取采样数据处理并构建波形,1采样定理,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集,采样定理，又称香农采样定理，奈奎斯特采样定理：如果信号是带限的（0fmax），并且采样频率高于信号带宽的两倍，那么原来的连续信号可以从采样样本中完全重建出来。,1采样定理,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集,混叠是指当采样率低于实际信号最高频率2倍（奈奎斯特频率）时所出现的一种现象。如

7、下图，由于采样率低于实际信号的频率，导致结果采集的波形频率低于实际信号频率。这种信号频率与实际信号不同，它却能表示正确的波形形状，往往还具有正确的幅度。,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集,2模数转换器（1）并行比较式ADC（flash ADC）,个比较器,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集,2模数转换器（2）并串式ADC,3采样方式,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),实时采样 real-time sampling 一次采集信号上的若干采样点，并基于采样点的时间顺序显示被测波形的方法。等效采样 repetitive sampling 对于周期（重复）信号，

8、每次在一个信号周期采集一定数量的采样点，经过对多个信号周期进行多次采集，积累足够的采样点数量，并基于多次采集之间的时间关系，对采样点重新排列，进而显示出被测波形。采样率 单位时间内对信号进行采样的次数（Sa/s或SPS）。为区分实时采样和等效采样，通常将基于实时采样的采样率称为实时采样率，基于等效采样的采样率称为等效采样率。,（1）实时采样,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),只需一次触发就采集到信号的所有资料,不仅适用捕获重复信号，而且是捕捉单次信号以及隐藏在重复信号中的毛刺和异常信号的有效方法。,（1）实时采样,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),多ADC并

9、行采样/时间交替采样,（1）实时采样,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),多ADC并行交替采样与校正技术专题讨论,并行采样的优缺点？并行采样的误差来源有哪些？这些误差分别影响采集的哪些性能？误差校正的方法有哪些？目前该技术的发展情况怎样？还存在什么样的问题？,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),（2）等效采样,顺序采样:,7.2 波形的数字测量,7.2.1 信号采集(续),（2）等效采样,随机采样,存储的目的,7.2 波形的数字测量,7.2.2 采样点的存储,？,（1）存储深度的概念,存储深度 采样率 采样时间,在最高实时采样率下连续采集并存储采样点的能力。,为

10、什么存？,7.2 波形的数字测量,7.2.2 采样点的存储（续）,（2）通过触发控制来实现波形的存储,怎么存？,7.2 波形的数字测量,7.2.2 采样点的存储（续）,（3）触发与触发释抑,7.2 波形的数字测量,7.2.2 采样点的存储（续）,（3）触发与触发释抑,被测波形被转化为离散的数字序列并被捕捉、存储下来后，其最大好处便是可以利用处理器强大的功能进行波形的各种处理和运算。在这一环节主要包含两方面的工作，即波形重构和波形参数的测量。,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理,1.波形的重构:,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,抽样,1.波形的重构:,7.2 波

11、形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,插值/内插,波形的内插,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,波形内插的方法主要是指波形再现的插值算法。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。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。sin x/x 正弦内插发复现信号。结合上述特点，可根据实际信号选择合适的采样方式以更完美的观测信号。,1波形的内插,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,线性插值,正弦插值,2.波形参数计算,7.

12、2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,波形参数都有哪些？各有什么含义？如何计算？,？,2.波形参数计算,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,电压类参数,2.波形参数计算,7.2 波形的数字测量,7.2.3 波形的处理（续）,时间类参数,波形的数字测量中，对波形的显示通常有模拟和数字两种处理手段：,7.2 波形的数字测量,7.2.4 波形显示,显示怎么又分为模拟和数字？如何实现？,？,1液晶显示原理,7.2 波形的数字测量,7.2.4 波形显示（续）,（a）未加电场（b）加上电场,7.2.4 波形显示（续）,1液晶显示原理,7.2 波形的数字测量,7.2.4 波形显

13、示（续）,2TFT液晶器的驱动时序,7.2 波形的数字测量,3波形的显示,7.2 波形的数字测量,7.2.4 波形显示（续）,3波形的显示,7.2 波形的数字测量,7.2.4 波形显示（续）,如何显示模拟余辉的效果？,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.

14、3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.1 示波器的发展与分类（续）,7.3 示波器原理与设计,7.3.2 模拟示波器原理,1输入电路：衰减器和输入耦合选择开关（1）衰减器,最佳补偿条件：,过补偿：,欠补偿：,改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记。,7.3.2.1 垂直通道,（2）输入耦合方式 观察交流信号时，置“AC”档。确定零电压时，置“GND”档。观测频率很低或带有直流分量的交流信号时，置“DC”档。,2Y前置放大器、Y输出放大器前置放大器将信号适当放大，取出内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴

15、移位、极性反转等控制作用。前置放大器采用差分放大电路，输出一对平衡交流电压。若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变。通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流偏置。Y输出放大器将被测信号放大到足够的幅度，用以驱动示波管的垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真。Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益。,3延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来。延迟线

16、的作用：把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程。延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器。,7.3.2.2 水平通道,水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。,输入端置于“内”时，放大扫描信号；输入端置于“外”时，输入外接信号。,1触发电路为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。,“DC”/“AC”：直流或缓变信号。“LF REJ”：观察低频成分的信号。“HF REJ”：观察高频成分

17、的信号。,NORM：有触发脉冲时才有扫描线。AUTO：连续扫描锯齿波电压输出。TV：电视行、场同步分离，观测电视信号。,2扫描发生器环(时基电路),闸门电路：产生快速上升或下降的闸门信号启动扫描发生器工作产生锯齿波电压。控制扫描、增辉。释抑电路：在扫描逆程关闭或抑制扫描闸门。稳定扫描锯齿波的形成、防止干扰和误触发，确保每次扫描都在同样的起始电平上开始以获得稳定的图象。,工作方式扫描门的输入信号：“稳定度”电位器提供的直流电位；释抑电路的释抑信号；触发电路的触发脉冲。连续、触发扫描方式。,触发扫描过程,其它电路,1高、低压电源 分别用于示波器的高、中压和直流供电。2Z轴的增辉与调辉 增辉：将闸门

18、信号放大，使显示的波形正程加亮。调辉：加外调制信号或时标信号，使屏幕显示的波形发生相应地变化。3校准信号发生器 可产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源。,示波器的多波形显示,1多线示波 利用多枪电子管来实现。测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确度。2多踪示波 分时复用的原理，电子开关，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。,多踪示波,交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。断续方式（CHOP）：适用于观察低频信号。,双时基扫描显示,有两个独立的触发和扫描电路，特别适用于在观察一个脉冲序列的同时，仔细观

19、察其中一个或部分脉冲的细节。,A延迟B：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。B加亮A：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，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。自动双扫描：包括上两种方式。,思考：用两台示波器构成双时基示波器，模拟“A延迟B”工作方式？,7.3.3 数字示波器原理与设计,波形存储的需求模拟存储示波器：记忆示波管 读出示波器数字存储示波器：数字化（A/D变换）、存储、显示1.DSO的主要特点采样/存储与显示独立，无闪烁地观测极慢变化信号；长时间保存信号，观察单次出现

20、的瞬变信号；数字化 计算机控制、自动测试系统；波形存储 拷贝输出、比较、后处理；自动参数测量，测量精度高，不受人为因素影响；能够获得触发前或触发后的信息；“采样 存储显示”过程，实时能力不如模拟示波器。,取样：从被测波形上取得样点的过程。实时取样：从一个信号波形中取得所有取样点。等效取样：从被测信号许多相邻波形上取得样点。顺序取样、随机取样。,2取样方式,3显示方式,CRT显示,LCD显示点阵显示分类：黑白、伪彩、真彩电路：行场扫描控制（专用控制芯片）、显示缓冲器,从存储器中读出转换数据，D/A变换，放大加到Y偏转板。地址计数脉冲D/A转换，得到阶梯波扫描电压，驱动X偏转板。,7.4.2 取样

21、示波器,顺序取样，高速重复信号模拟式、数字式,取样核心：取样保持器。产生正比于取样值的阶梯电压扫描信号：阶梯波电压。阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数。,解决放大器等电路、示波管的速度限制,7.4.3 数字存储示波器,1DSO的组成原理,信号调理：抗混叠滤波器时基：分频链，改变采样速率高速缓存：FIFO预触发：3个事件预触发计数满、触发到来、FIFO满波形恢复：软件内插线形插值、正弦插值 硬件内插随机内插（重复信号）显示控制：显示RAM、显示控制电路显示方式：正常显示、滚动显示（低速）、X-Y显示波形处理：移动平均、滤波、参数测量,2DSO的主要技术指标,（1）最高取样速率（2

22、）带宽：实时带宽、等效带宽（3）分辨率：垂直（电压）分辨率和水平（时间）分辨率。（4）存储深度、记录容量（5）显示刷新速度,6DSO的关键技术,（1）高速A/D转换 并行比较式ADC（Flash A/D）等效采样技术 并行采样技术（2）存储器 分相存储技术（3）控制器 单处理器系统、多处理器系统：单片机、DSP、嵌入式系统（4）显示 DPO,7.5 示波器及时域测试技术,电压测量,直流/交流电压的测量确定零电平探头调平衡垂直灵敏度调节耦合方式峰峰值读数,时间和频率测量,周期、时间间隔测量时基调节读数,相位测量,双踪示波测相位差X-Y测量频率或相位差,DSO毛刺捕捉功能,7.5.1 电压、时间/

23、频率、相位测量,如图所示的李沙育图形，已知X信号频率为6MHz，问Y信号的频率是多少？,MHz,7.5.2 脉冲参数的时域测量,幅度,预冲,上(过)冲,阻尼,顶部不平坦度,平顶倾斜,下冲,测量上升时间修正公式,7.5.3 调幅信号的时域测量,1）直线扫描法,2）梯形图法将调幅波、调制信号分别加至X和Y轴输入端，测a、b长度计算。,3）椭圆法将被测调幅信号用RC移相后，加至X和Y输入端，测a、b长度计算。,7.5.4 系统的时域特性测量,脉冲信号源：广谱信号源。以脉冲与阶跃信号为主的基带脉冲；对连续波开关调制形成的射频脉冲。数字存储示波器：频带宽、建立时间短、动态范围大、信噪比大、可程控和带通信

24、接口。计算机：控制采集、存贮数据、计算处理、输出结果,连接被测系统,1.传输线的测量2.时域反射计（TDR）3.光时域反射计（OTDR）,7.1 概述,7.1.1 示波器的分类 1 模拟示波器 通用示波器（单踪/双踪/多踪）、多束示波器、取样示波器、记忆示波器、专用示波器2 数字示波器数字化（时域取样和幅度量化），D/A转换后重建波形或数字化显示。具有记忆、存贮功能，又称为数字存贮示波器。实时取样、随机取样、顺序取样。,7.1.2 主要技术指标,1带宽BW和上升时间tr 带宽BW指Y通道的频带宽度。上升时间tr与带宽BW密切相关，反映示波器跟随输入信号快速变化的能力。,2扫描速度 扫速指显示器

25、上单位时间光点水平移动距离，“cm/s”。通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，“cm/div”。时基因数：扫速的倒数，表示单位距离代表的时间，“t/cm”或“t/div”，1-2-5步进分档。,3偏转因数 在输入信号作用下，光点在显示器垂直方向移动1cm（即1格）所需的电压值，V/cm、mV/cm。偏转因数表示示波器Y通道的放大/衰减能力。垂直（偏转）灵敏度：偏转因数的倒数，div/V、div/mV。4输入阻抗 输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载。高阻、低阻/电容。5耦合方式 直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）。6触发源 指用于提供产生扫描电压的同步信号的来源。内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）等。,