第六章信號的顯示與測量一、引言1、顯示信號的必要性

直觀、多用途

2、示波器的分類

按示波器的用途和特點，可將其分為以下幾類：（1）通用示波器：能在屏幕上同時觀察一個到多個信號波形，可對信號進行定性觀察和定量測量。（2）取樣示波器：利用取樣技術，將被測信號化為包絡與其相似的低頻信號，再借助于通用示波器的原理進行顯示。（3）存儲示波器：可對信號進行存儲，并進行顯示和測量。（4）特殊示波器是指能滿足某種特殊需要的示波器。3、示波器的現狀及發展

1948年，美國Tek公司制造出了511型示波器，其頻寬為10MHz，靈敏度為0.25V／cm，首次采用了觸發掃描，x軸的精度達5％，可對脈沖信號進行測量。進入七十年代后，通用示波器向著高頻、高靈敏度、多用、小型、集成化、數字化、自動化等方面以更高的速度發展。目前，出現了靈敏度為1μv的高靈敏度低漂移低噪聲的示波器，取樣示波器的帶寬已達18GHz。

目前，示波器中應用微處理器有兩種類型。一種是微處理器不作用于波形的顯示過程，引入微處理器來代替使用者的部分操作和計算工作，智能化程度不高。另一種是經過微處理器數字化，這種示波器的智能化程度較高、精確度較高、測量功能也較多，例如可進行微分和積分、求平方根、n點平均值、計算上升時間、頻率、有效值和負峰值等，所有這些功能都是預先編好程序的，使用時用戶只需按下鍵盤上有關的功能鍵，儀器即可按指定程序自動地進行測量計算，然后用字符把測試結果連同波形一起顯示在示波器屏幕上。

示波器將進一步向高技術性能、高可靠性以及多功能、自動化等方面發展。（1）向高頻方向發展：隨著計算機及編碼調制通信系統的發展，要求示波器的頻帶寬度要進一步擴展。需要研究新型的放大器和新型的示波器，頻寬上限將突破1GHz。（2）向高靈敏度發展：目前在研制高靈敏度的示波器方面，出現了靈敏度為1μV／div，帶寬為25MHz的高靈敏度示波器。（3）向高可靠性發展：采用集成電路和微處理器技術，從而使示波器的可靠性可以大大提高。（4）向低頻方向發展：要求能夠觀察并準確地測量出0.01Hz～20kHz的頻率范圍的信號。（5）向自動化方向發展：（6）向計算化方向發展：將微處理器引入示波器，使示波器能夠自動進行計算，并將各種計算結果顯示。（7）向綜合測試系統發展：要求示波器具有多種測試功能，成為一種綜合的測試系統。（8）向小型化、標準化、積木化和系列化方向發展：（9）向平面顯示發展LS140特性參數PortableDigitalStorage100MHzOscilloscope

4FullChannels(RIS)

SimultaneousChannels:Channels1and2orChannels3and4

ADC:Two8-bitFlash

Bandwidth:100MHz(atprobetip),10mV/div-10V/div

VerticalResolution:8Bits

InputImpedance:1MΩ±1.0%

InputCoupling:AC,DC,orGND

MaximumInput:±400V,DC+peakAC

SamplingRate:200MS/smax

Repetitive(RIS)SamplingRate:8GS/smax

Sensitivity:2mV-10V/divfullyvariable

DCGainAccuracy:±(1.5%+0.5%offullscale)美國力科WavePro7300AWavePro7300A特性

·帶寬:3GHz

·上升時間(典型值):150ps

·通道數量:4

·標配內存長度:2M樣點/通道

·最大記錄長度:48M樣點/2通道-24M樣點/通道

·最大取樣速率(通道數量):20GS/s(2通道)

·重復取樣(RIS)速率:200GS/s

·顯示器:彩色10.4英寸平板TFT-LCD，帶有高清觸摸屏

·單次取樣速率:10GS/s

·分析工具:測量和數學運算成套工具,小直方圖,參數數學運算,用戶定制

安捷倫DSO81304B安捷倫DSO81304B特性采樣率高達40GSa/s的13GHz帶寬實時示波器在40GSa/s采樣率時高達2Mpts的MegaZoom深存儲器，在4GSa/s采樣率時達到64Mpts的MegaZoom深存儲器，存儲器可以升級

13GHz系統帶寬（典型值）的InfiniiMaxII1169A探測系統業界最低的本底噪聲：5mV/div時，為419uV觸發抖動低于500fsrms業界最豐富的應用軟件套件XGA觸摸屏，可顯示256個強度等級無與倫比的InfiniiMax探測附件支持點測、焊接、插接和SMA使用模式二、信號顯示的基本原理

1、示波器基本原理概述

（1）示波管

示波管是示波器的核心，它的主要作用是在屏幕上形成光點，并在垂直信號和水平信號偏轉的作用下，將輸入信號以圖像形式顯示出來。示波管一般分為靜電式和電磁式兩大類，在示波器中的示波管大都是靜電偏轉式，被稱為靜電式陰極射線示波管(CRT)。

偏轉系統由兩對位置彼此垂直的偏轉板構成。靠近電子槍的一對為垂直偏轉板；另一對為水平偏轉板。利用靜電場使電子射線產生偏轉，屏幕上的光點將隨電場的變化而移動。如果僅在Y偏轉板間加電壓，則電子束將根據所形成的電場的強弱與極性在垂直方向上運動；同理，如果僅在X偏轉板間加電壓，則電子束將根據所形成的電場的強弱與極性在水平方向上運動，電子束最終的運動情況取決于水平方向和垂直方向電壓的共同作用。（2）波形顯示原理

當fy

=nfx（n是整數）時，屏幕上就能顯示n個周期的清晰波形;如果fy與fx之間不是整數倍的關系，波形就不能完全重疊，不易看出完整、清晰的波形。要想使fy與fx保持整數倍關系是困難的，解決這個問題的辦法，并不是使fx保持絕對穩定，而是用待測信號同時控制鋸齒波發生器，使鋸齒波的頻率fx能跟隨fy作些微小的變化，以保持fy與fx成整數倍的關系。當fy是fx的整數倍時，即可謂達到了同步。同步時，屏幕上的波形穩定不動；在沒有達到同步時，波形是不穩定的。線性：掃描電壓的正程必須是線性變化的。由于掃描電壓的正程表征被測信號的時間，是測量時間的基準，所以稱通常示波器中的掃描（電壓正程）為時基，產生掃描電壓的電路稱為時基電路。同步性：在測量連續信號時，每次掃描正程的起點必須與被測信號同步。同步是通過用被測信號產生觸發脈沖去啟動掃描發生器實現的。2、通用示波器的基本原理（1）通用示波器的基本組成

主機部分：主要包括示波管、z通道、電源和校準信號發生器等。垂直偏轉系統（垂直通道，Y通道）：主要包括Y通道輸入電路、延時電路、Y通道放大器、輸出放大器等。為了觀測多個波形，多蹤示波器還具有通道轉換能力。水平偏轉系統（X通道）：由掃描發生器（時基電路）、觸發同步電路、水平放大器及增輝電路（Z通道）等單元組成。電源：對示波器的各系統、各電路提供高壓、低壓及燈絲等電源。此外，示波器一般都具有時標和校幅兩個附屬電路，分別用來測量信號的時間參數和信號的幅度，或用來校準時基及垂直偏轉因數。偏轉靈敏度和偏轉因數：示波器的偏轉靈敏度定義為：在單位輸入信號電壓的作用下屏幕上光點在垂直方向的偏轉距離，其單位為cm/V(或cm/mV)。偏轉靈敏度的倒數稱為偏轉因數，其單位為V/cm或mV/cm，有的示波器把熒光屏上的刻度格（div）作為長度單位，通常1div=0.8cm。偏轉靈敏度或偏轉因數表征Y通道對被測信號的響應能力。示波器的靈敏度要受到帶寬、噪聲、漂移等因素限制，目前最高偏轉靈敏度達10μV/div。輸入方式和輸入阻抗輸入方式是指被測信號從示波器的輸入接線端至Y通道輸入電路的連接方式，大體上分為直流（DC）和交流（AC）兩種方式。輸入阻抗是指示波器輸入接線端對被測信號源呈現的阻抗，通常等效為輸入電阻和電容和并聯，輸入阻抗越大，示波器對被測電路的影響就越小。掃描速度、時基因數和掃描頻率掃描速度就是光點在水平方向移動的速度，其單位是cm/s或div/s。掃描速度的倒數就是時基因數，它表示光點水平移動單位長度（cm或div）所需的時間，掃描頻率表示水平掃描的鋸齒波的頻率。掃描方式產生時間基線的各種方式稱為掃描方式，通常有觸發掃描、連續掃描或稱自激掃描、單次掃描以及雙時基掃描。觸發特性示波器的觸發特性是指觸發脈沖的取得方式，通常有如下幾種：由被測信號產生的內觸發方式；由與被測信號相關的外信號產生的外觸發方式等。示波管性能

環路中時基閘門電路是一個典型的施密特電路，它是雙穩態觸發電路，當輸入電平（a點電位）低于下觸發電平時，輸出（b點電位）為高；當輸入電平高于上觸發電平時其輸出為低；若輸入在上、下觸發電平之間，其輸出狀態不會發生變化。掃描發生器是一個鋸齒波發生器，通常采用密勒積分器或用恒流源對電容器的充電電路，它在時基閘門的控制下產生掃描的正程及回程。只有當其輸入Ub為高電平時，才輸出斜升的鋸齒波電壓Uc（即Uo的正程）；當輸入為低電平時，立即停止斜升過程進入掃描的回程，輸出電壓一直下降到原來的起點電平，而后進入等待期（如Uc所示）。

電壓比較器將掃描發生器的輸出電壓與基準電壓Ur進行比較，當超過Ｕr時比較器就有變化的輸出，其變化規律和掃描發生器輸出的完全相同。釋抑電路的作用是在掃描回程期間，電壓比較器的輸出以較慢的速度放電。由于該電路的RC要比掃描發生器的放電時間常數大得多，因此當它下降到起點位置時，掃描發生器的輸出電壓早已回到起始電位，以便下次掃描仍從該電位開始，這樣可以在屏幕上獲得起點固定的掃描基線。（2）觸發掃描和自激掃描

觸發掃描是在外觸發信號的作用下產生掃描電壓。自激掃描是指掃描發生器環在沒有觸發脈沖的情況下也能自行輸出掃描電壓。

（3）單次掃描單次信號必須采用單次掃描，而且掃描必須由單次信號本身，或與單次信號有關的事件觸發產生，每次觀測只進行一次掃描過程。通常的方法是斷開圖6.5釋抑電阻R上的開關S，在掃描回程時釋抑電容C無放電通路，使整個掃描電路處于抑制狀態，不再重復產生掃描電壓。只有再次接通開關S，使釋抑電路解除抑制狀態，才可以重新產生掃描輸出。4、觸發特性

觸發特性包括觸發源的選擇、觸發信號耦合方式選擇等。（1）觸發源

觸發信號有3種來源。內觸發：內觸發信號來自于示波器內的Y通道觸發放大器，它位于延遲線前，當需要利用被測信號觸發掃描發生器時，采用這種方式。外觸發：用外接信號觸發掃描，該信號由觸發“輸入”端接入。當被測信號不適合作觸發信號或為了比較兩個信號的時間關系時，可用外觸發。電源觸發：來自50Hz交流電源產生的觸發脈沖，用于觀察與交流電源頻率有關時間關系的信號，例如，整流濾波的紋波電壓等波形。

（2）觸發耦合方式為了適應不同的信號頻率，示波器設有四種觸發耦合方式，可用開關進行選擇。“DC”直流耦合：用于接入直流或緩慢變化的信號，或頻率較低并且有直流成分的信號，一般用“外”觸發或連續掃描方式。“AC”交流耦合：觸發信號經電容接入，用于觀察由低頻到較高頻率的信號，用內或外觸發均可。“HF”高頻耦合：用于觀察大于5MHz的信號。（3）觸發方式示波器的觸發方式通常有常態、自動和高頻三種方式，這三種方式控制觸發整形電路，以產生不同形式的掃描觸發信號，形成不同形式的掃描電壓。常態觸發方式：是將觸發信號經整形后，產生足以觸發掃描電壓電路的觸發脈沖，它的觸發極性是可調的，上升沿觸發即為正極性觸發，下降沿觸發即為負極性觸發，另外還可調節觸發電平。自動觸發方式：自動觸發方式時，整形電路為自激多諧振蕩器，振蕩器的固有頻率由電路時間參數決定，該自激多諧振蕩器的輸出經變換后去驅動掃描電壓發生器，所以，在無被測信號輸入時，仍有掃描，一旦有觸發信號且其頻率高于自激頻率時，則自激多諧振蕩器內觸發信號同步而形成觸發掃描，一般測量均使用自動觸發方式。高頻觸發方式：其觸發方式原理同自動觸發方式，不同點是自激振蕩頻率較高，當用高頻觸發信號在與它同步時，同步較為穩定。高頻觸發方式常用于觀測高頻信號。三、示波器中采用的其它顯示技術

1、光柵顯示原理

波形的形成和顯示例如在光柵增輝式掃頻儀中，鋸齒波發生器輸出頻率Fy

=18.5kHz的鋸齒波，三角波發生器產生頻率為Fx=0.01～30Hz（可調）的三角波電流。設Fx=1Hz，則三角波正程或回程期間形成的光柵條數為

Fy/2Fx=18500/(2×1)=9250（條）即使Fx=30Hz，光柵條數也有近308條。由此可見，光柵是非常密的。2、平板顯示

平板顯示器件主要有電致發光（EL）顯示板、等離子體（PDP）顯示板和液晶（LCD）顯示板，它們都是在正高的條狀電極之間放置某種物質，使之生產光效應。（1）液晶顯示原理

如圖為扭曲向列型液晶顯示原理圖。在液晶盒兩側分別放置光的起偏器和檢偏器，并互相垂直放置。當自然光通過時，由于扭曲向列型液晶分子具有旋光性，進入液晶盒的垂直偏振光可以順利地通過水平檢偏器到達反射極，再將光按原路線折回至光的輸入端，于是從圖左端看去呈白色。如果在液晶盒的兩個電極施加方波電壓，由于電場的作用使這些液晶分子失去了旋光性，垂直偏振光不能通過水平檢偏器，以致沒有反射光，就不再呈現白色。如果加以適當信號，從左端看去就出現白底黑字，達到顯示的目的。

（2）液晶顯示器的驅動平板顯示的驅動原理

四、示波器性能的提高1、多波形顯示

常見的方法有多線顯示、多蹤顯示及雙掃描顯示等。在屏幕上同時顯示多個波形的方法有兩種，即多線（束）顯示和多蹤顯示。多線示波管有多個相互獨立的電子束。雙線（雙束）示波器的示波管的電子束可產生兩個電子束，并有兩套X、Y偏轉系統。其中兩對X偏轉板上往往采用相同的掃描電壓，但兩個Y通道常接入不同的信號，并可分別調節兩通道的靈敏度、位移、聚焦、輝度等。

多蹤示波器與多線示波器不同，它的組成與普通示波器類似，只不過在電路中多了一個電子開關并具有多個垂直通道。電子開關在不同的時間里，分別把兩個垂直通道的信號輪流接至Y偏轉板，使其可在屏幕上顯示多路波形。

雙蹤示波器有兩種不同的時間分割方式，即交替方式和斷續方式。交替方式是每一次掃描接通一個被測信號。比如第一次掃描接通信號Uia，第二次掃描接通Uib，依次輪流；斷續方式是在一次掃描過程中輪流接通信號Uia和Uib，如果多諧振蕩器的周期遠小于掃描周期，在一次掃描過程中有多次分別接通兩個信號，屏幕上顯示的兩個波形盡管被分成許多小段，但看起來仍有一種連貫性。交替方式適于觀測高頻信號，斷續方式適于觀察低速信號。雙掃描示波顯示

雙掃描示波系統（或稱雙時基系統）有兩個獨立的觸發和掃描電路，同時產生兩個掃描時基：一個是慢掃描，稱為A掃描；另一個是快掃描，稱為B掃描。

雙掃描示波器的波形示意圖

為了同時能觀測脈沖串的全貌及其中某一部分的細節，在X通道中設有電開關，把兩套掃描電路的輸出交替地接入X放大器。電子開關還控制光跡分離電路，在兩種掃描時給Y放大器施加不同的直流電位，使兩種掃描顯示的波形上下分開。由于熒光屏的余輝和人眼的殘留效應，使人感到“同時”顯示了兩種波形。電子開關通常用掃描回程來控制。2、寬帶示波器的實現

（1）寬帶示波器的實現要求

現代的寬帶示波器的帶寬范圍大多是從直流開始直至其頻率上限，通常認為帶寬在60MHz以上的示波器為寬帶示波器。*對垂直通道的要求示波器垂直通道的帶寬BW取決于各組成級的帶寬，其關系為

示波器的帶寬BW小于Y通道中任何一級放大器的帶寬。所以示波器Y通道放大器必須兼顧帶寬和增益的要求。示波器的帶寬指標隨著Y通道放大器級數的增多而變窄，相應地上升時間tr要加長。由于tr的增加，影響示波器對瞬態信號的測量結果。*對掃描速度的要求

在寬帶示波器中，為了能將被測信號準確地顯示在屏幕上，不僅要求掃描電壓有良好的線性，而且要有很高的掃描速度。例如，帶寬為500MHz的示波器，要求在測量100MHz信號時水平坐標每2div顯示一個信號周期，如果水平方向有10div，這時相應的掃描速度計算如下：被測信號的周期：T=1/（100×106）=10ns示波器的掃描速度為：2div/T=2div/10ns=0.2div/ns

則掃描的正程時間為由此可見，在寬帶示波器中，為了滿意地顯示波形，必須有與之相應的掃描速度。

3、取樣示波器（1）寬帶示波器中限制帶寬的因素示波管的帶寬限制,Y通道的帶寬受放大器中的限制,高速時基信號不易獲得。（2）取樣示波器原理

將高頻（一般為1000MHz以上）的重復性的周期信號，經過取樣（取樣速率可調節），變換成低頻的重復性周期信號，再運用通用示波器的原理進行顯示和觀測的示波器稱為取樣示波器。

在取樣示波器中采用的是非實時取樣，或稱等效取樣，是把一個高頻率信號經過跨周期的取樣，形成一個波形和相位完全相同、幅度相等或有嚴格比例關系的低頻（或中頻）信號。取樣示波器的組成框圖如下圖所示。

取樣電路的關鍵是取樣門，通常用二極管取樣門或用由二極管組成的橋式取樣門。

取樣示波器的顯示過程是，在步進脈沖發生器的作用下產生了取樣脈沖和階梯波掃描電壓，被測信號Ui經取樣電路后，變成窄脈沖，經放大、展寬后形成量化的信號包絡，到達示波管的Y偏轉板，為了在屏幕上顯示出由不連續的亮點構成的取樣信號波形，必須采用與取樣信號同步的階梯波作掃描電壓。當取樣點足夠密時，就能在屏幕上無失真地表現被測信號的波形。取樣示波器是一種非實時取樣過程，它只能觀測重復信號，對非重復的高頻信號或單次信號，只能用高速示波器進行觀測。五、現代信號存儲和顯示技術

1、信號的模擬存儲

最常用的信號模擬存儲手段是示波管。這種示波管稱為記憶示波管，通常將具有這種示波管的示波器稱為記憶示波器。記憶示波器能夠用于觀測單次信號及重復頻率很低的窄脈沖信號。（1）波形存儲：采用了具有二次電子發射特性的示波管。（2）可變余輝示波管：2、信號的數字存儲（1）數字存儲顯示的基本原理

數字存儲示波器在顯示波形的同時，能用數字顯示各種給定值和測量結果，此外，它還能對波形進行各種運算處理；對測量過程進行程控或遙控；可通過通用接口（GPIB）把波形數據送至計算機，進行數據處理或組成自動測試系統。在數字存儲示波器中波形的存儲和顯示分開進行，因此與寬帶示波器相比，數字存儲示波器對其顯示功能的速度要求不高，只要選擇一個適合人們觀察的速度即可。對于變化極慢的信號，由于采用了合適的顯示速度，也不會給人以閃爍的感覺。（2）數字存儲顯示的特點及發展前景

由于數字存儲示波器是以通用示波器為基礎，并采用計算機和LSIC等先進技術，因此具有如下特點：*可以永久地存儲信息*測量精度高*信號處理和顯示分開進行*多種觸發方式*多種顯示方式*便于進行多波形的分析比較*便于波形數據的分析處理（3）數字存儲示波器的主要技術指標*最高采樣速率fs

：指單位時間獲得被測信號的樣點數，也稱數字化速率。fs與時基因數Ft和單位長度的取樣點數M之間的關系為

fs=M/Ft

*

存儲帶寬：用有效存儲帶寬和等效存儲帶寬表示，有效存儲帶寬與采樣速率和顯示方式有關，定義為

BWa=fsmax/K

顯示方式有光點顯示（K=25）、線性內插顯示（K=10）和正弦內插顯示（K=2.5）。等效存儲帶寬是采用等效取樣技術能夠測量的周期信號的最高頻率。*存儲長度（存儲容量）：表示一次采樣、存儲過程中獲取被測信號長度的能力。*測量分辨力和測量精度：包括電壓分辨力和時間分辨力。電壓分辨力主要取決于ADC的位數，當測量的滿度值為10V時，8位ADC的測量分辨力ΔV為

ΔV=10/28≈40mV

時間分辨力是指示波器X坐標上相鄰兩樣點之間時間間隔Δt的大小，在X方向的點數取決于水平通道的DAC的位數，例如，用10位DAC時，X方向有210=1024點。通常X總長度為10div，對于10位DAC來說，相當于1024/10≈100點/div，其測量分辨力達0.01/div。（4）數字存儲示波器的主要部件及要求*高速ADC和DAC*存儲器——高速大容量

高速數據的分路存儲原理框圖如圖所示。*控制系統控制系統不僅要進行數據采集，還要實現數據處理、顯示、人機控制等功能。因此現代數字存儲示波器出現多CPU系統，一個CPU為主CPU，具有相應的存儲器（RAM，ROM）、I/O接口和外設，執行管理整個儀器的軟件；其它為從CPU，在主CPU的管理之下完成某一部分工作。（5）數字化波形處理系統

——

用低速器件來采集和存儲高速信號的問題。

*

CCD器件和A/D相結合

首先對被測信號進行重復非實時取樣，實現從高頻到低頻的頻率搬移，并借助于電荷耦合器件（CCD）進行信號的模擬存儲；然后將CCD中的信號讀出并進行A/D轉換，其數字化結果存入RAM。*數字化攝像系統和ADC相結合利用掃描轉換攝像機來捕捉示波器上的波形，然后以圖像信號輸出的形式取出存儲信號，并經ADC將數字化結果存入RAM。*等效取樣和ADC相結合采用等效取樣的方法將高速信號變為低速信號，在數字存儲示波器中只須對此低速信號進行采集、存儲。*多通道組合被測信號同時作用于兩個采集通道的輸入端，在顯示時再將這些樣點依次交替讀出進行顯示。（6）波形顯示技術在一個信號波形被采樣、數字化、存儲和處理后，有多種方法可以將它復現，所有的方法都需要用DAC將數字信息轉換成模擬電壓。*點顯示技術在屏幕上以離散點的形成將信號波形顯示出來。能夠做到正確顯示的前提是必須有足夠的點來重新構成信號波形，一般要求每個信號周期顯示20~25個點。*插值顯示技術插值是在相鄰采樣點之間插入適當的數據點，使屏幕上的顯示逼近被測信號波形。通常有兩類插值方法，即線性插值和正弦插值。線性插值是在兩個采樣點之間插入一點，用直線將采樣點和插值點連接起來。正弦插值，又