信号波形测量

7.1.1 示波器的分类
根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、 数字两大类： 1 模拟示波器 ——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。 2 数字示波器 ——对信号进行数字化处理后再显示。
数字存储示波器 （DSO：Digital Storage Oscilloscope）
7.1.2 主要技术指标
5．输入方式 即输入耦合方式，一般有直流（DC）、交流
（AC）和接地（GND）三种，可通过示波器面板选择。
6．触发源选择方式 触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号
来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电 源触发（LINE）三种。
7.1.3 示波器的发展
英国物理学家、化学家。1832年 6月17 日生于伦敦。1848年进伦敦皇家化学学 院攻读化学，1855年任切斯特师范学院 化学讲师。他继承了大笔父产后，便在 自己的私人实验室中悉心从事科学研究。 由于研究成果广泛而卓越，1863年被选 为英国皇家学会会员，1913～1915年任 该会会长。1919年4月4日于伦敦逝世
7.2 CRT显示原理
CRT : Cathode Ray Tube
G1 K
F
电子枪 G2 A1 A2
偏转系统 Y偏转板 X偏转板
荧光 屏
荧 光 屏
-E 辉度
聚焦
辅助聚焦 +E
阴极射线管内部结构图
7.3 模拟示波技术及通用示波器
7.3.1 通用示波器的组成
Y输入
Y输入 电路
Y前置 放大器
延迟线
Y后置 放大器
第7章 信号波形测量
7.1 概述 7.2 CRT显示原理 7.3 模拟示波技术及通用示波器 7.4 波形取样技术及取样示波器 7.5 波形存储技术及数字存储示波器 7.6 示波器的基本测量技术 7.7 时域测量技术
7.1 概述
示波器是一种能够反映任何两个参数互相 关联的X—Y坐标图形的显示仪器。
可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改 变被测波形在屏幕上的位置。
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。
输入信号 触发点
扫描 起点
tT
扫描电压
输入信号 触发点
输入信号 延迟后
扫描 起点
tTtd
扫描电压
显示波形
显示波形
极性反 转电路
触发极性 选择
放大、整形 电路
S4
常态自动 TV 触发方式选择
触发脉 冲输出
至扫描 发生器环
图 7-16 触发电路的组成
（1）触发源选择
内触发（INT）：将Y前置放大器输出（延迟线前 的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信 号。
外触发（EXT）：用外接的、与被测信号有严格 同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号 的同步关系。
电源触发（LINE）：用50Hz的工频正弦信号作为 触发源，适用于观测与50Hz交流有同步关系的信 号。
（2）触发耦合方式
“DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触 发信号。
“AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的 信号。
“AC低频抑制”耦合：用于观察含有低频干扰的 信号。
“HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的 耦合。
7.3.5 示波器的多波形显示
1．多线示波 利用多枪电子管来实现的。 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
在单线示波的基础上增加了电子开关，利用分时 复用的原理，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。
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 （面板上的“×5”或“×10”开关 ）。
7.3.3 通用示波器的水平通道
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。
7.3.4 通用示波器的其他电路
1．高、低压电源 —分别用于示波器的高、中压和直流供电。 2．Z轴的增辉与调辉 —增辉：将闸门信号放大，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。
图 7-30 顺序取样示波器的显示过程
7.4.2 取样示波器的组成及工作原理
Y输入
延迟线
内 外触发外
触发 电路
取样 电路
步进脉冲 发生器
Y 延长门
扫描信号 发生器
至Y 垂直 偏转板 放大器
至X 水平 偏转板 放大器
图7-31 取样示波器的组成框图
4.取样示波器的主要参数
（1）取样示波器的带宽 （2）取样密度 （3）等效扫速
1．频带宽度BW和上升时间 tr
示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。
上升时间是一个与频带宽度BW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。
频带宽度BW与上升时间的关系可近似表示为
ห้องสมุดไป่ตู้tr[s]
0.35 , BW [MHz ]
或
tr[ns]
2．扫描发生器环
触发脉冲 输入
+E
“稳定度” 调节
扫描闸门
“增辉” 脉冲
扫描锯齿波 发生器
比较和释抑 电路
+E
比较电平
图7-18 扫描发生器环的组成
至X放大器
3．水平放大器
其基本作用是选择X轴信号，并将其放大到足以使 光点在水平方向达到满偏的程度。
X放大器的输入端置于“内”时，X放大器放大扫 描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X 输入端直接输入的信号。
非实时采样只适用于周期性信号。 顺序进行的取样称为顺序取样；否则称为随机取
样。
3 显示原理
顺序取样示波器中的水平扫描信号为阶梯波电压，
阶梯持续时间，阶梯数对应屏幕上显示的不连续
的光点数。
3
输入信号 1
2
mT
t 2t
4
5
3t 4t
Y放大器输出 t
X放大器输出 （扫描阶梯波电压）
t Ts mT t
至Y 偏转板
内
外触发 外 电源
X输入
触发电路
校准信号 输出
校准信号 发生器
扫描 发生器
至各电路 低压电源
水平 放大器
至X 偏转板
高压电源
正高压 负高压
7.3.2 通用示波器的垂直通道
1．输入电路：包括衰减器和输入选择开关。
（1）衰减器
vi
R1
Z1 C1
R2
C2
Z2
最佳补偿条件 ： R1C1 R2C2
t
经放大和延长 电路后的信号 （显示波形）
t
图7-28 非实时取样示意图
2．取样原理
核心电路取样保持器示意图
Vi(t) 输入信号
取样门
S
R
取样脉冲
C
p(t)
Vo(t) 输出信号
图7-29 取样保持器的基本模型
2．取样原理（续） 步进间隔Δ t与信号最高频率fh应满足取样定理
t 1 2 fh
上的垂直（Y）方向移动1cm（即1格）所需的电压 值，单位为“V/cm”、“mV/cm”（或“V/div”、 “mV/div”）。
偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。 偏转因素的倒数称为“（偏转）灵敏度”。
7.1.2 主要技术指标
4．输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被
测信号的等效负载。
泛射系统
图7-35 记忆示波器的结构示意图
7.5.2 数字存储示波器
输入 衰减器
放大器
扫描 发生器
实时 延迟线
存储
至Y
实时 水平 偏转板
放大器
存储
至X
实时
垂直 偏转板
放大器
存储
内 外触发
外
触发
A/D
电路
转换器
逻辑控制电路 （微处理器）
存储器 （RAM）
地址 计数器
D/A 转换器
D/A 转换器
图7-36 典型数字存储示波器原理框图
7.5 波形存储技术及数字存储示波器
7.5.1 波形模拟存储技术和记忆示波器
模拟记忆示波器是利用记忆示波管的波形记忆
（存储）特性实现波形较长时间的存储 ，其核心是
记忆示波管：
收集极存储介质存储栅网
K G A1 A2
Y
X
K1 G11G12
荧
光
K2 G21G22
屏
写入电子枪
偏转系统
记录系统
读出电子枪
记忆与显示
2．多踪示波
Y1输入
Y1输入 电路
控制信号
Y2输入 Y2输入 电路
Y1前置 放大器 Y2前置 放大器
Y1 门电路
电子 开关
Y2 门电路
延迟 线
至Y
偏转板
Y后置
放大器
图7-22 双踪示波器的Y通道原理框图
7.3.6 双时基扫描显示
双时基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脉冲序列的同时，仔细观察 其中一个或部分脉冲的细节。
0.35 103 BW [MHz ]
(7-1)
7.1.2 主要技术指标
2．扫描速度 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移
动的距离，单位为“cm/s”。
扫描速度的倒数称为“时基因素”，它表示单 位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”
7.1.2 主要技术指标
3．偏转因素 偏转因素指在输入信号作用下，光点在荧光屏
时，置“DC”档。
2．前置放大器
前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信 号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转 等控制作用。
Y前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平 衡的交流电压。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。
（3）扫描触发方式选择（TRIG MODE）
常态（NORM）触发方式：指有触发源信号并产生 了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。
自动（AUTO）触发方式：有连续扫描锯齿波电压 输出，荧光屏上总能显示扫描线。
电视（TV）触发方式：是在原有放大、整形电路 基础上插入电视同步分离电路实现的，以便对电视 信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维 修。
(a) 没有延迟线时的情况
(b) 没有延迟线时的情况
图 7-14 延迟线的作用
4．Y输出放大器
Y输出放大器是将延迟线传来的被测信号放大到足 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 。
触发信号 触发源 选择
触发耦合 方式选择
放大整形 电路
扫描
扫描电压
闸门
发生器
触发电路
扫描 发生器环
比较和 释抑电路
图7-15 水平通道的组成框图
水平 放大器
至X 偏转板
1．触发电路
内 外 电源
S1 触发源选择
触发电平 调节
DC S2
C1
AC
C2
AC低频
抑制 C3
HF REJ
触发耦合方式选择
+ S3 -
2．数字存储示波器的工作方式
（1）数字存储器的功能
信号数据存储器 参考波形存储器 测量数据存储器 显示缓冲存储器
（2）触发工作方式
常态触发 — 同模拟示波器基本一样 预置触发 — 可观测触发点前后不同段落上的波形
信号波形的方法称为实时取样。 从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法称
为非实时取样，或称为等效取样。
7.4.1 概述
1．取样的基本概念 实时取样示意图
输入信号 Vi(t)
t 取样脉冲
p(t)
取样信号 Vo(t) t
3
输入信号
2
1
取样脉冲
mT
t 2t
4
5
3t
4t
取样信号
Ts mT t
vo
过补偿 ： R1C1 R2C2
过补偿
最佳补偿
欠补偿
欠补偿： R1C1 R2C2
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
（2）输入耦合方式
输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。 观察交流信号时，置“AC”档。 确定零电压时，置“GND”档。 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号
（4）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
图7-17 不同触发极性和触发电平时显示的波形
（5）放大整形电路
放大整形电路的作用是对触发信号进行放大、整 形，以满足触发信号的要求。
整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触 发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择 的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输 出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。
Y输入 前置放大
延长线
A触发 +
RP -
A扫描 电压比较
B触发
A增辉 选择门
B增辉
Y后置放大 X放大
1 2
3
4
B扫描
电子开关
Y线光迹 分离电路
7.4 波形取样技术及取样示波器
7.4.1 概述 1．取样的基本概念
取样就是从被测波形上取得样点的过程。 取样分为实时取样和非实时取样两种。 从一个信号波形中取得所有取样点，来表示一个