第四章-电子示波器(下).

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第四章 示波器及示波测量
(3)信号处理和显示分开进行: 对于变化极慢的信号,消除了模拟示波器的闪烁现象, 因为在DSO中可以以较慢的速度进行信号采集、存储;而 显示速度仍可较快,使之无闪烁感。
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第四章 示波器及示波测量
(4)多种触发方式: DSO的信号通道在不断进行采样、量化、存储器 已经存满也可以不断地以新的数据取代原有的数据 (即先进先出),触发信号出现的时刻仅作为停止 存储的一种标志。 因此,DSO中有正延时触发,也有负延时触发。
频信号的波形如图(c)所示,当取样点足够密时,即图(c)
中亮点足够密时,该波形便能无失真的表现出被测高频波形。
uy
2
4
1 0
5
6
(a)
t
图4.6-5 显示过程
23
4
1 0
5 6
(c)
ux 0
1
2
3
4 5
6
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(b)
第四章 示波器及示波测量
时基单元功能
产生阶梯波电压 产生与扫描电压同步的延迟脉冲
取样示波器是一种非实时取样过程,它只能观测 重复信号,对非重复的高频信号或单次信号,只能用 高速示波器进行观测。
目前对信号的存贮有两种方法,即模拟存储和数字存储。 记忆示波器与存贮示波器分别利用模拟存贮技术和数字存 贮技术,将信息进行存贮,当需要显示时,再在荧光屏上进 行显示。 这两种示波器主要用于记录瞬变的单次信号,由于存贮技 术与示波技术的结合,给研究单次瞬变信号的波形带来了极 大的方便
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第四章 示波器及示波测量
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第四章 示波器及示波测量
(1)使用方便: 现今的DSO可以提供操作菜单,利用键盘通过 人机对话进行各种选择,而仪器面板仅有少数调 节元件和开关。操作十分方便,而且不易出错, 屏幕上除了显示波形之外,还用文字表示测量结 果(如前所述的读出示波器一样)。
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第四章 示波器及示波测量
(2)测量精度高: 传统示波器的扫描速度是由扫描发生器决定的, 精度和稳定性均不高。 DSO的扫速取决于单位时基长度的取样点数,每 一点的时间决定于采样时钟速率;
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第四章 示波器及示波测量
转换速率是存储示波器的另一项重要技术指标。 根据采样定理,A/D 的转换速率必须高于被测
信号最高频率分量的两倍。
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第四章 示波器及示波测量
在示波器中为了在屏幕上再现被测信号波形, 需要依次从RAM中读出数据,并经过A/D(数模转换 器)和Y 放大器恢复为模拟信号再作用于示波管的 Y 偏转板。
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第四章 示波器及示波测量
(2)测量精度高: 由于采样时钟来源于晶体振荡器,所以DSO具有很 高的测时精度和稳定性。
其次,由于DSO采用高分辩力A/D和高稳定度基 准源,A/D的位数越多,量化间隔越小,测量精度 也高。通常DSO的测量精度达1%左右,而通用示 波器一般为3%~5%。
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第四章 示波器及示波测量
L
uc
C
us
uc
t
(a)等效电路
(b)波形畸变
图4.6-1 分布参数的影响
2
第四章 示波器及示波测量
Rs
L
uc
C
us
uc
(a)等效电路
t
(b)波形畸变
图4.6-1 分布参数的影响
为了减小分布参数的影响,应尽量减小L和C。
快速示波管的偏转板从旁边引出以减短其长度,从而减
小了引线电感;同时增大偏转板间距可减小C,但这样 又会使偏转灵敏度降低。
件是数据存储器(RAM),以下简称存储器。由于大 多数被测信号是模拟量,必须通过量化之后才能存入 RAM,因此信号的存储过程如图4.7-4所示。
Vi
信号调理电路
A/D
RAM
控制电路
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图4.7—4 模拟信号的量化和存储
第四章 示波器及示波测量
模数转换器(A/D)对模拟信号进行量化,量化后 的离散量值与( A/D )的位数及编码方式有关。 A/D的位数越多,测量分辨力越高,而量化值就越接 近模拟来量,测量误差也越小。 A/D的位数是存储示 波器的一项重要技术指标。
Vi
输入电路
A/D
RAM
D / AY
Y放大器
控制系统
D / AX
4.7-5 数字存储示波器原理框图
X放大 器
示波管
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第四章 示波器及示波测量
由于被测信号已经被存储,波形的显示和存储可 以分开进行,因此与宽带示波器相比,DSO对其显示功能 的速度要求不高,只要选择一个适合人们观察的速度即 可。此外,对于变化极慢的信号,由于采用了合适的显 示速度,也不会给人以闪烁的感觉。
ui
被测信号
取样门
放大器
us
取样脉冲
取样门脉 冲发生器
t 延迟脉冲
延长 电路
延长门脉 冲发生器
同步信号
uy
时基单元
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图4.6-4 取样示波器框图
第四章 示波器及示波测量
取样信号波形由不连续的亮点构成,须采用阶梯波作扫描
电压。 其波形对应关系如下图。在量化信号(a)与阶梯扫
描信号(b)共同的作用下,就可在荧光屏上显示出被测高
次取样,最后将被测信号的波形展宽显示出来。
被测高频信号 (a) u i t 1
T
2
t
3
2t
4
3t
5
6t
4t
5t
取样脉冲 (b) p t
t1
t2
采样信号
2 1
(c) u s t
t3
t4
3
4
t
t5
t6
5
6t
输出的量化信号(d) u y t
图4.6-3 非实时取样过程
t 11
第四章 示波器及示波测量
Vi
输入电路
A/D
RAM
D / AY
Y放大器
控制系统
D / AX
4.7-5 数字存储示波器原理框图
X放大 器
示波管
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第四章 示波器及示波测量
为了能在屏幕上将测量信号展现出来,还需要对X偏 转板加扫电压。由于Y偏转信号是时间离散的幅值, 因此X偏转电压不是用锯齿波发生器产生,而是用数 码经 A/D 产生的阶梯波。数字存储示波器的基本组成 如下图所示。
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第四章 示波器及示波测量
②电子渡越时间的影响: 当电子束通过偏转板时,偏转板上的电压不变,那么电
子束的偏转量正比于偏转电压。 普通示波管 电子渡越时间为1~10 ns 量级,如果显示波形 或脉宽比它大的多,则可以认为在波形显示期间,偏转板上 的电压不变。
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第四章 示波器及示波测量
对高频信号 会因电子通过偏转板期间偏转板上的电压 有明显变化,所显示的波形会有很大的失真。对应正 弦波会使得波形振幅变小,且引入相位差; 对脉冲波形,表现为上升沿和下降沿均变慢,甚至畸 变为三角形波。
过取样(取样速率可调),变换成低频的重复性的周期信号, 再运用通用示波器的原理进行显示和观测的示波器称为取样示 波器
取样示波器经过频率转换,是一种“非实时取样”示波器。
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第四章 示波器及示波测量
4-6.2、取样示波器(1GHz—20GHz) 非实时取样技术把一个高频或超高频的信号经过跨周期
的取样,形成一个波形和相位完全相同、幅度相等或成某种 严格比例的低频(或中频)信号。对低频信号的测量,要比 对高频信号的测量在技术上成熟得多,测量精度也宜于保证。
取样装置加普通示波器就是取样示波器的结构。取样装 置可将频率上限扩展到十几个GHz。例如HP1811A型取样示 波器的频宽为18GHz。
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第四章 示波器及示波测量
ui (t)
1、非实时取样原理
对取样脉冲,取样脉冲的间隔为 T+Δt ( T为输入信号Ui( t ) 的周期)。每次取样相当于前一个取样点时间延迟Δt ,经过多
4-6 高速和取样示波器
①示波器偏转板电容C与引线电感 L的影响:
当测量高频信号时,偏转板电容C与引线电感 L构成 的谐振回路,将使阶跃信号产生畸变,在上升沿处,形成 过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况。过阻尼使得上升沿 变坏。欠阻尼情况,在上升沿顶部叠加振荡信号。其等效 电路及波形情况如下图所示。
Rs
4-6.1、高速示波器(100MHz~1GHz) 高速示波器显示 ns、ps 级的脉冲或微波信号。它不同于
普通示波器的关键是示波管、Y放大器、时基发生器。
(1)示波管:高速示波管的偏转系统接线要短,偏转板 间距离d 要大,以使分布电容小,加速电压要高,以减小电 子渡越时间。因而偏转灵敏度将很低。为了保证示波器灵敏 度,则要求Y 轴放大器必须有更大的放大倍数,这无疑增加 了Y 轴放大器实现上的困难。因此,在要求更高速度时,采 用行波示波管。
第四章 示波器及示波测量
4-6 高速和取样示波器
一般示波器在观察ns、ps级脉冲波形时,会引入很大
的畸变甚至会显示出面目全非的波形。产生畸变的主要因 素是: ①示波器偏转板电容C与引线电感 L的影响:
Rs
L
uc
C
us
uc
t
(a)等效电路
(b)波形畸变
图4.6-1 分布参数的影响
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第四章 示波器及示波测量
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第四章 示波器及示波测量
4-7 记忆示波器与存贮示波器 从通用示波器到取样示波器,主要解决了示波器 的带宽问题,取样示波器最高带宽已经达到50 GHz。 但是,这些示波器没有存储功能,只有当被测信号 存在时,才能进行观测研究。
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第四章 示波器及示波测量
存储示波器是将被测信号先存贮在某种介质上,以便后 来用于观测,存储和显示是分开进行的。
6t
4t
5t
取样脉冲
(b) p t
t1
t2
采样信号
2 1
(c) u s t
t3
t4
3
4
t
t5
t6
5
6t
输出的量化信号(d) u y t
图4.6-3 非实时取样过程
t 12
第四章 示波器及示波测量
2.取样示波器组成 被测信号通过取样门后,变成窄脉冲信号,经放大后,
送入延长电路,形成信号包络。Y 通道由取样门、放大 电路及延长电路组成,延长电路由保持电容及直流放大 器构成,以便将窄脉冲取样信号Us(t)展宽,得到量化 的包络信号。
ui (t)
1、非实时取样原理 如图(c)和(d)所示,(c)为采样值,(d)是经过保持及
延长后形成的量化信号。通过若干周期对波形的不同点的采样,
将高频信号转换成低频信号,以通用示波器显示uy(t)的包络波
形来反映和表现被测的实际高频信号波形。
被测高频信号(a) u i t 1
T
2
t
3
2t
4
3t
5
(3)信号处理和显示分开进行: 信号处理是指模拟信号的处理及数据存储,包括信号 调理、采样、A/D转换以及数据存储等电路。 信号显示主要包括CRT、X、Y通道的数模转换及X、Y 放大器。 信号的显示与处理可以分别进行,可以分别设计。
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第四章 示波器及示波测量
(3)信号处理和显示分开进行: 信号处理部分必须根据被测信号的变化速率进行设 计,尤其是对于高速信号设计的难度较大; 对显示部分的速度要求不是太高,可以采用大屏幕 (磁偏转)彩色显示器,液晶、发光二极管等器件,有助 于减小仪器体积,降低功耗。
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第四章 示波器及示波测量
2.数字存储显示的特点及发展前景 1)数字存储示波器的特点:
由于数字存储示波器是以通用示波器为基础,并 采用计算机和大规模集成电路等先进技术,因此具有如 下特点:
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第四章 示波器及示波测量
(1)使用方便: 早期数字存储示波器的操作几乎和传统示波器 一样,由于面板上众多的微调旋钮、控制开关,一 不小心就会操作失误,得不到正确测量结果。
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第四章 示波器及示波测量
③ Y 偏转放大器的带宽不足:
放大器高频截止频率不够高,高频信号前后沿失真。 ④ 扫描速度不够快:
显示高频信号时,要有足够高的扫描速度。普通示 波器无法达到。 ⑤亮度不够: 对于高速脉冲,其亮度很低。
对于高频信号的显示必须采用更好的高速示波器和取 样示波器。
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第四章 示波器及示波测量
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第四章 示波器及示波测量
4-6.1、高速示波器(100MHz~1GHz)
(2)放大器:Y 放大器是宽带放大器,目前集成电路放 大器带宽可达到1000MHz以上。
(3)时基发生器:由于高速示波管的偏转灵敏度很低, 限制了被测脉冲的最高重复频率。
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第四章 示波器及示波测量
4-6.2、取样示波器(1GHz—20GHz) 将高频(一般为1000MHz以上)的重复性的周期信号,经
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第四章 示波器及示波测量
(4)多种触发方式: 正延时触发 指可以观测触发点以后的被测信号, 负延时触发 可以观测触发点之前的信号,给波形 分析带来很大方便。
负延时触发功能在通用模拟示波器中是无法实 现的,因为它只能在触发点之后产生扫描,显示被 测信号,不可能观测到触发前的信号。
4-7.1、记忆示波器
记忆示波器的记忆功能是由记 忆示波管完成的。利用具有记忆能力的 材料制成的示波管结合相应的电子线路, 就形成了记忆示波器。
由于数字技术的迅猛发展,数字存 贮示波器的出现,使得记忆示波器的发 展受到一定的影响。
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第四章 示波器及示波测量
4-7.2、数字存储示波器 1.数字存储显示基本原理 在数字存储示波器中用于存储数字化波形的器
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