第7章波形顯示與測量7.1示波器的功能與分類7.2示波顯示的基本原理7.3模擬示波器7.4取樣示波器7.5數字存儲示波器7.6數字熒光示波器7.7示波器的應用

7.1示波器的功能與分類

7.1.1示波器的功能示波器是一種電子圖示測量儀器,它可以用來觀察和測量隨時間變化的電信號圖形,可以定性地觀察電路的動態過程,如觀察電壓、電流的變化過程,還可以定量測量各種電參數,例如測量脈沖幅值、上升時間、重復周期或峰值電壓等。

7.1.2示波器的分類

1.模擬示波器

(1)通用示波器:采用單束示波管的示波器。這類示波器采用單束示波管,有單蹤型和多蹤型,能夠定性、定量地觀測信號,是最常用的示波器。多蹤示波器是采用單束示波管而帶有電子開關的示波器,它能同時觀測幾路信號的波形及其參數,或對兩個以上的信號進行比較。

(2)多束示波器:采用多束示波管的示波器。與通用示波器疊加或交替顯示多個波形不同,其屏上顯示的每個波形都由單獨的電子束產生,能同時觀測、比較兩個以上的波形。

(3)取樣示波器:它根據取樣原理將高頻傳號轉換為低頻傳號,然后再用通用示波器顯示其波形。

2.數字存儲示波器

(1)數字存儲示波器(DigitalStorageOscilloscope,DSO):它能將電信號經過數字化及后置處理后再重建波形,具有記憶、存儲被觀測信號的功能,可以用來觀測和比較單次過程和非周期現象、低頻和慢速信號以及在不同時間或不同地點觀測到的信號。

(2)數字熒光示波器(DigitalPhosphorOscilloscope,DPO):采用先進的數字熒光技術,能夠通過多層次輝度或彩色顯示長時間信號,具有傳統模擬示波器和現代數字存儲示波器的雙重特點。

3.混合信號示波器

混合信號示波器是把數字示波器對信號細節的分析能力和邏輯分析儀對多通道的定時測量能力組合在一起的儀器。

4.專用示波器

不屬于以上幾類、能滿足特殊用途的示波器稱為專用示波器或特殊示波器,如監測和調試電視系統的電視示波器、主要用于調試彩色電視中有關色度信號幅度和相位的矢量示

波器等。

7.2示波顯示的基本原理

7.2.1陰極射線管典型的示波器利用陰極射線管(CRT)作為顯示器。CRT是示波器的重要組成部分,其作用就是把電信號轉換為光信號而加以顯示。CRT的構造與電視機顯像管相同,主要由電子槍、偏轉系統和熒光屏三大部分組成,這三大部分均封裝在密閉、真空的玻璃殼內,其結構示意圖如圖7.1所示(圖中省略了玻璃外殼)。

圖7.1陰極射線管結構示意圖

1.電子槍

電子槍的作用是發射電子并形成聚束的高速電子流。它主要由燈絲F、陰極K、控制柵極G、第一陽極A1、第二陽極A2組成。除燈絲外,其余電極的結構均是金屬圓筒,且它

們的軸心都保持在同一軸線上。

2.偏轉系統

偏轉系統的作用是使電子束產生垂直和水平方向上的位移。

偏轉系統位于第二陽極之后,由兩對相互垂直且平行的金屬板——X、Y偏轉板(水平、垂直偏轉板)組成,其中心軸線均與示波管的中心軸線重合,分別控制電子束在水平方

向、垂直方向的偏轉。在一定范圍內,電子束的偏轉距離與加在偏轉板上的電壓大小成正比,通常把在熒光屏上使電子束產生單位距離(cm或div(1div:熒光屏上的1格,一般為1cm或0.8cm))偏移時所需施加在偏轉板上的電壓大小稱為示波管的靈敏度,單位為V/cm或V/div。

3.熒光屏

熒光屏是示波器的顯示部分,為圓形曲面或矩形平面,其內壁涂有熒光物質,形成熒光膜。當熒光物質受到電子槍發射的高速電子束轟擊時就能產生熒光亮點,光點的亮度取決于電子束中電子的數目、密度和速度。

7.2.2示波管顯示原理

利用示波管中電子束在屏上形成的光點在垂直/水平方向上的偏轉距離與加在Y軸/X軸上的偏轉電壓成正比這一特性,即可在屏幕上顯示出被觀測信號的波形。用示波器顯示被測圖像有兩種類型:一種是顯示隨時間變化的信號,稱為波形顯示;另一種是顯示任意兩個變量X與Y的關系,稱為X－Y顯示。

1.顯示隨時間變化的圖形

1)掃描的概念

若想觀測一個隨時間變化的信號,例如f(t)=Umsinωt,那么只要把被觀測的信號轉變成電壓加到Y偏轉板上,電子束就會在Y方向上隨信號的規律變化,任一瞬間的偏轉距離正比于該瞬間Y偏轉板上的電壓。但是如果水平偏轉板間沒加電壓,則熒光屏上只能看到一條垂直的直線,如圖7.2(a)所示。這是因為光束在水平方向未發生偏轉。

當Y軸加上被觀測的信號電壓,X軸加上掃描電壓時,屏上光點的Y和X坐標分別與這一瞬間的信號電壓和掃描電壓成正比。由于掃描電壓與時間成比例,因此熒光屏上所描繪的就是被測信號隨時間變化的波形,如圖7.2(c)所示。

圖7.2掃描過程

2)信號與掃描電壓的同步

當掃描電壓的周期Tn是被觀察信號周期的整數倍時,掃描的后一個周期描繪的波形與前一周期完全一樣,熒光屏上得到清晰而穩定的波形,這稱為信號與掃描電壓同步。

圖7.3為掃描電壓與被測信號同步時的情況。圖中Tn

=2Ts,在時間8掃描電壓由最大值回到零,這時被測電壓恰好經歷了兩個周期,光點沿8—9—10移動時,重復上一掃描周期光點沿0—1—2移動的軌跡,得到穩定的波形。

圖7.3掃描電壓與被測信號同步

如果沒有這種同步關系,則后一掃描周期描繪的圖形與前一掃描周期描繪的圖形不重合,如圖7.4所示。

圖7.4掃描電壓與被測電壓不同步

3)連續掃描和觸發掃描

以上所述為觀測連續信號的情況,這時掃描電壓也是連續的,這種掃描方式稱為連續掃描。但是當觀測脈沖過程時,往往感到連續掃描不再適應,特別是研究脈沖持續時間與重復周期之比(即占空比τ/Ts)很小的脈沖過程時,問題就更為突出。

連續掃描與觸發掃描的比較如圖7.5所示。

圖7.5連續掃描和觸發掃描的比較

其中圖7.5(a)為被測脈沖,若用連續掃描來顯示它,掃描信號的周期有以下兩種選擇:

(1)選擇掃描周期Tn

等于脈沖重復周期Ts,這種情況如圖7.5(b)所示。

(2)選擇掃描周期Tn

等于脈沖底寬τ。為了將脈沖波形在水平方向展寬,必須減小掃描周期,若取Tn

=τ,則如圖7.5(c)所示。

利用觸發掃描可解決上述脈沖示波測量所遇到的困難。觸發掃描的特點是:只有在被測脈沖到來時才掃描一次,如圖7.5(d)所示。

4)掃描過程的增輝

在以上的討論中假設掃描回程時間接近于零,但實際上回掃是需要一定時間的,這就對顯示波形產生了一定的影響。圖7.6仍是掃描周期等于兩倍信號周期的情況,只是掃描電壓有一定的回掃時間(圖7.6中的7-8段)

圖7.6掃描回程對顯示波形的影響

2.顯示任意兩個變量之間的關系

在示波管中,電子束同時受X和Y兩對偏轉板的作用,而且兩對偏轉板上的電壓Ux和Uy的影響又是相互獨立的,它們共同決定光點在熒光屏上的位置。利用這一特點就可以把示波器變為一個X－Y圖示儀,使示波器的功能得到擴展。

圖7.7表示兩個同頻率信號分別作用在X、Y偏轉板上時的情況。

圖7.7兩個同頻率信號構成的李沙育圖形

7.3模擬示波器

7.3.1模擬示波器的基本組成通用模擬示波器主要由示波管、垂直(Y軸)通道、掃描(鋸齒波)信號發生器、水平(X軸)通道以及電源等部分組成,其結構框圖如圖7.8所示。

圖7.8通用模擬示波器的基本結構框圖

1.示波管

示波管是示波器的核心部件,它主要包括電子槍、偏轉板和熒光屏等幾個部分,其構造及工作原理如7.2節所述。

2.Y軸通道

Y軸通道是對被測信號進行處理的主要通道,由輸入電路、前置放大器、延遲級和輸出放大器等部分組成。它的主要作用是,對單端輸入的被測信號進行變換和放大,得到足夠的幅度后加在示波管的垂直偏轉板上;向X軸通道提供內觸發信號源;補償X軸通道的時間延遲,以觀測到諸如脈沖等信號的完整波形。

1)輸入電路

輸入電路主要包括探極、耦合方式轉換開關、衰減器、阻抗變換及倒相放大器等部分,如圖7.9所示。圖7.9Y通道輸入電路框圖

無源探極的結構如圖7.10所示。圖7.10無源探極的結構

電容C又稱為補償電容,為一可變電容,有的位于探針處,有的位于探極末端或校準盒內。調整其大小以滿足RC=RiCi的條件,使探頭誤差與頻率無關。具體做法是將示波器標準信號發生器產生的方波(通常為1kHz)加到探極上,用螺絲刀左右旋轉補償電容C,直到調出如圖7.11(a)所示正確的方波(即正確補償)為止。否則,會產生如圖7.11(b)、(c)所示電容過補償或欠補償的波形。

圖7.11探極的補償結果

(2)耦合方式選擇開關。耦合方式選擇開關一般有三個擋位:AC、DC和GND(即接地)。AC為交流耦合,此時被測信號經電容耦合至衰減器,用于觀察交流信號;DC為直流耦合,被測信號直接接至衰減器,用于觀測頻率很低或含有直流成分的信號;接地耦合時,在不斷開被測信號的情況下,為示波器提供測量直流電壓時的參考地電平。

(3)衰減器。衰減器一般為阻容步進衰減器,其電路原理與探極中的10∶1衰減一樣。其分壓比做成許多擋,改變衰減器衰減比即改變示波器偏轉靈敏度,從而使顯示波形的幅度得以調整。

(4)阻抗變換及倒相放大器。阻抗變換及倒相放大器的作用是將來自衰減器的單端信號轉換為雙端輸出的對稱信號送給Y輸出放大器(差分放大器),這樣可以克服放大器零點

漂移的影響,也提高了放大器輸入阻抗,同時隔離前后級的影響,又滿足了Y偏轉板對稱信號輸入的要求。

2)前置放大器

前置放大器的作用是:初步對前級輸出信號進行放大,補償延遲級對信號的衰減損耗;為X通道的觸發電路提供大小合適的內觸發信號,以得到穩定可靠的內觸發脈沖,并具有靈敏度調節、校正、Y軸移位等控制作用。

3)延遲級

為了顯示穩定的脈沖波形,示波器通常采用內觸發方式來產生掃描電壓,即掃描電壓的產生由被測信號來觸發。

4)輸出放大器

輸出放大器是Y通道的主放大器,其作用是將延遲后的被測信號放大到足夠的幅度,用以驅動示波管的垂直偏轉系統,使電子束獲得Y方向的滿偏轉,以便觀測微弱信號。Y軸輸出放大器大都采用推挽式放大器,并采用頻率補償與負反饋,以獲得穩定的增益、足夠的帶寬、較小的失真。

3.X軸通道

X軸通道由觸發電路、掃描信號發生器和X軸放大器組成,其組成框圖如圖7.12所示。它的主要作用是,在內觸發信號的作用下,輸出大小合適、與時間呈線性關系的周期性的雙端對稱的掃描電壓(鋸齒波電壓),經過X軸放大器放大以后,再加在示波管水平偏轉板上,以驅動電子束進行水平掃描。X軸通道還為示波管提供增輝、消隱脈沖,對于雙蹤示波器還提供交替顯示時的控制信號。圖7.12X軸通道組成框圖

1)觸發電路

觸發電路的作用在于選擇觸發源并產生穩定可靠的觸發信號,以觸發掃描發生器產生穩定的掃描電壓。其組成框圖如圖7.13所示,主要由觸發源選擇開關、耦合方式選擇開關、觸發電平及斜率選擇器、放大整形電路等組成。

圖7.13觸發電路組成框圖

(1)觸發源選擇。

(2)觸發耦合方式選擇。

(3)觸發方式選擇。

(4)觸發電平及斜率選擇。

觸發電平由“觸發電平”旋鈕進行調節;觸發斜率即觸發極性,指的是觸發點位于觸發信號的上升沿還是下降沿,位于上升沿的稱為“+”極性觸發,位于下降沿的稱為“-”極性觸發。通過“觸發極性(SLOPE)”選擇開關S3進行選擇。

(5)放大整形電路。

觸發電平及觸發極性可以直接從顯示波形上進行判斷,如圖7.14所示。圖7.14不同觸發電平、觸發極性下的波形

2)掃描信號發生器

掃描信號發生器又稱時基電路,用來產生線性良好的鋸齒波,并提供增輝、消隱脈沖和雙蹤示波器的交替顯示控制信號等。現代示波器通常用掃描信號發生器環來產生掃描信

號,一般由掃描電壓產生電路、掃描閘門及比較和釋抑電路組成,如圖7.15所示。

圖7.15掃描信號發生器組成框圖

3)X軸放大器

X軸放大器的作用是將經“內”“外”輸入選擇后的單端輸入X軸信號進行放大,轉換成為大小合適的雙端輸出信號后加在X軸偏轉板上,使電子束在水平方向上產生足夠的偏轉,得到合適的波形。當示波器用于顯示被測信號波形時,其單端輸入的信號是內部掃描電路產生的掃描電壓;當示波器工作在“X－Y”方式時,其單端輸入的信號則是外加的X信號。

X軸放大器的電路原理與Y軸放大器相同,并提供“水平位移”“掃描擴展”“尋跡”等功能。

4.電源部分

電源部分為示波管和其他電子管(或晶體管)元件提供所需的各組高低壓電源,以保證示波器各部分正常工作。

7.3.2示波器的多波形顯示

1.多線示波

多線示波是指采用多線示波管(又稱為多束示波管)制成的多線示波器來顯示多路波形。多線示波管內裝有多個(一般有兩個)獨立的電子槍,每個電子槍能同時發出一束電子束,每一電子束都有各自獨立的偏轉系統,偏轉系統各自控制電子束的偏轉,共用一個熒光屏進行顯示。多線示波器各通道間相互獨立,交叉干擾小,測量準確度高,但它制造困難,成本高,所以較少使用。

2.多蹤示波

多波形顯示常用的方法是多蹤示波。其組成及原理與單蹤示波器類似,是在單蹤示波器的基礎上增加了電子開關而形成的。它也采用單束示波管,其內只有一個電子槍和一套

Y偏轉板,通過在Y通道上增設的電子開關來高速控制幾個被測信號輪流地接入Y偏轉板而在熒光屏上顯示出多個波形,即采用了時分復用技術,這一技術充分利用了電子開關的高速轉換特性和人眼的視覺惰性。多蹤示波具有實現簡單、價格低的優點,因而得到了廣泛應用。最常用的是雙蹤示波器,即能夠顯示兩個波形的多蹤示波器,其簡要原理框圖如圖7.16所示。

圖7.16雙蹤示波器的簡要原理框圖

根據電子開關工作方式的不同,雙蹤示波器有以下5種顯示方式:

(1)“通道1(CH1)”:只接入Y1通道,單蹤顯示Y1的波形。

(2)“通道2(CH2)”:只接入Y2通道,單蹤顯示Y2的波形。

(3)“疊加(CH1+CH2)”:兩通道同時工作,Y1、Y2通道的信號在公共通道放大器中進行代數相加后送入垂直偏轉板,顯示兩路信號疊加后的波形。Y2通道的前置放大器內設有極性轉換開關,可改變輸入信號的極性,從而實現兩信號的“和”或“差”的功能。

(4)“交替(ALT)”:此時Y1、Y2

門控電路的開或閉受時基閘門脈沖的控制,第一次掃描時接通Y1通道,第二次掃描時接通Y2

通道,只要輪流顯示的間隔時間較短,就可交替地顯示Y1、Y2

通道輸入的信號,無閃爍感。若通道1輸入正弦波,通道2輸入同頻率的三角波,則屏上顯示的波形如圖7.17(a)所示。

(5)“斷續(CHOP)”:此時Y1、Y2門控電路的開或閉受電子開關內的斷續器(自激多諧振蕩器)產生的高頻自激振蕩信號(如200kHz的方波)的控制,在每一次的掃描過程中,高速輪流接通兩個輸入信號,從而顯示出每個被測信號的某一段,以后各次掃描重復以上過程。這樣顯示出的波形是由許多線段組成的,只要轉換頻率遠遠高于被測信號的頻率,這些線段及其間隔就很短,看起來顯示的波形好像是連續的,如圖7.17(b)所示。

圖7.17交替和斷續方式下顯示的波形

7.3.3通用模擬示波器的主要技術性能指標

通用模擬示波器的主要技術性能指標如下

(1)頻帶寬度BW:簡稱帶寬,通常指Y通道的工作頻率范圍,即Y通道輸入信號上、下限頻率之差。現代示波器的下限頻率都已延伸至0Hz,因而示波器的頻帶寬度可用上限頻率來表示。這個帶寬也就是我們所熟悉的3dB帶寬,是指輸入不同頻率的等幅正弦波信號,當示波器顯示(測量)的波形幅度隨頻率變化下降到實際幅度的0.707倍時的輸入信號頻率值。為盡可能地準確顯示被測信號的波形,通常要求:

(2)輸入靈敏度:指輸入信號在無衰減的情況下,光點在屏幕上偏轉一格(div)所需信號電壓的峰峰值,單位為mV/div。一格是指熒光屏刻度的一大格,等于1cm或0.8cm,隨管熒光屏型而定。

(3)輸入阻抗:通道的輸入阻抗包括輸入阻抗和輸入電容,一般用MΩ/pF來表示,如1MΩ/35pF。低電容、高阻抗是其基本要求,頻帶寬度越寬,則要求輸入電容越小。

(4)掃描速度:在無擴展情況下,光點在X方向偏移1cm或1div所經過的時間,單位為“cm/s”或“div/s”。它表明了示波器能觀測的時間和頻率范圍。

(5)時域響應:反映輸入脈沖等瞬變信號時示波器Y通道的過渡特性。當輸入理想的矩形脈沖波后,從示波器顯示的波形中可看出上升時間tr、下降時間tf、上沖δ、反沖ε、

平頂跌落Δ等脈沖參數。頻帶寬度BW與上升時間tr之間一般有確定的內在關系,即

7.3.4YB4365型雙蹤示波器

主要特點及技術指標如下。

1.主要特點

(1)屏幕顯示設定狀態,多種參數均可在屏幕上以字符形式顯示。

(2)具有光標卡尺線,可對光標線之間的ΔU、ΔT、1/ΔT等參數進行測量。

(3)可自動設定最佳掃描速度,并跟隨輸入信號自動設定掃速。

(4)采用先進的表面貼裝工藝,體積小,可靠性高。

(5)開關電源供電,確保儀器在電壓90~260V之間正常使用。

2.技術指標

7.4取樣示波器7.4.1取樣的概念1.取樣原理取樣示波器與普通示波器的主要區別在于取樣示波器運用了取樣技術。欲觀察一個波形,可以把這個波形在示波器上連續顯示,也可以在這個波形上取很多的點,把連續波形變換成離散波形,只要取樣點數足夠多,這些離散點也能夠反映原波形的形狀。這種從被測連續波形上取得一系列樣點(也就是獲取一系列離散時刻對應的信號幅值)的過程就是取樣,又稱采樣。

對一個連續時間的輸入信號ui(t)的取樣如圖7.18所示,取樣過程在取樣保持器中完成。圖7.18取樣原理

2.實時取樣與非實時取樣

取樣分為實時取樣和非實時取樣兩種。從信號波形一個周期中取得大量取樣點來表示一個信號波形(也就是取樣脈沖的周期遠小于輸入信號的周期),并且取樣持續的時間等于

輸入信號的一個周期或多個周期或輸入信號實際經歷的時間,這種取樣方式稱為實時取樣,如圖7.19(a)所示。

從被測信號的許多相鄰周期波形上取得樣點的方法稱為非實時取樣,或稱為等效取樣,如圖7.19(b)所示。

圖7.19實時與非實時取樣示意圖

步進間隔Δt與信號最高頻率fh間應滿足取樣定理:

7.4.2取樣示波器的工作原理

取樣示波器利用了非實時取樣的原理,與通用示波器類似,取樣示波器也主要是由示波管、X通道和Y通道組成的,其原理框圖如圖7.20所示。

圖7.20取樣示波器的原理框圖

相比較而言,取樣示波器與通用示波器主要有以下區別:

(1)取樣示波器延遲級放在取樣門前面,以便在內觸發時提前提取一部分被測信號作為觸發信號,這樣觀測時不會丟掉信號的陡峭前沿。

(2)取樣示波器X通道產生時基掃描信號,是利用每一個Δt步進延遲脈沖去觸發階梯波形成電路,使它的輸出增長一級,掃描信號是線性階梯波。由于Δt步進延遲脈沖的作用,掃描信號與取樣脈沖是同步的。而通用示波器中,掃描信號是線性的。

(3)通用示波器中,每觸發一次,能產生一個完整的掃描信號;而取樣示波器中,每觸發一次,只能獲得一個樣點。

(4)取樣示波器顯示的波形由許多點組成,波形反映被測信號包絡,但波形是經過變換的,波形經歷時間遠大于被測信號的實際經歷時間。

7.4.3取樣示波器的主要參數

取樣示波器除了具有通用示波器的性能指標外,還具有其本身的技術參數,主要有:

(1)頻帶寬度。由于取樣以后信號頻率已經變低,因此對取樣示波器的頻率限制主要在取樣門。首先,取樣門用的元件(如取樣二極管)的高頻特性要足夠好;其次,取樣脈沖本身要足夠窄,以保證在取樣期間被觀測的信號幅度基本不變。

一般來說,一個系統的頻帶寬度是指系統頻率特性下降3dB所對應的頻率范圍。當取樣門所用元件工作頻率足夠高時,取樣門的最高工作頻率與取樣脈沖底邊的寬度τ成反比,其表達式為

式中,τ為取樣脈沖底邊的寬度。所以在取樣示波器中可利用調整取樣脈沖底寬來調整頻寬。

(2)取樣密度。取樣密度是指電路掃描時,在示波器屏幕X軸上每格顯示的被測信號所對應的取樣點數,常用每厘米的光點數來表示。

(3)等效掃描速度。通用示波器的掃描速度是指單位時間內電子束在水平方向上的位移。

(4)取樣頻率。取樣頻率即取樣脈沖的重復頻率。取樣頻率越高,越能反映被測信號的特性。

7.5數字存儲示波器

7.5.1數字存儲示波技術簡介數字存儲示波采用數字電路實現,先經過A/D轉換器,模擬輸入信號波形被轉換成數字信息,存儲于數字存儲器中;需要顯示時,再從存儲器中讀出,通過顯示處理器處理后,將波形顯示在顯示屏上。數字存儲示波的基本原理框圖如圖7.21所示。

圖7.21數字存儲示波的基本原理框圖

1.數字存儲示波器的主要特點

與模擬示波器相比,數字存儲示波器有以下優點:

(1)波形可長期保存、多次顯示。

(2)支持負延時觸發。

(3)便于觀測單次過程和突發事件。

(4)具有多種顯示方式。

(5)便于進行數據分析、處理。

(6)具有多種輸出方式,便于進行功能擴展和自動測試。

(7)集成度高,體積小,重量輕。

2.信號采樣

1)采樣方式

數字存儲示波器首先對輸入信號利用A/D轉換進行采樣,也就是上節介紹的取樣,只是A/D還要將每個樣點的幅度量化成數字比特。

在實時采樣中,一個信號的所有采樣點在一個單一的信號獲取段中取得,見圖7.22(a)。

等效時間采樣又大體分為兩類:序列采樣和隨機性采樣,見圖7.22(b)、(c)。

圖7.22數字存儲顯示技術中的各種采樣技術

2)采樣速率

采樣速率又稱為數字化速率,對它的描述方式通常有以下三種:

(1)用采樣次數來描述,表示為單位時間內采樣的次數,如20×106次/s(20MS/s)。

(2)用采樣頻率來描述,如20MHz。

(3)用信息率來描述,表示每秒鐘存儲多少位(比特)的數據,如每秒鐘存儲160兆位的數據,這對于一個8位的A/D轉換器來說,就相當于20×106次/s的采樣速率。

實際上,一個示波器的采樣速率是隨時基設置的不同而改變的。二者之間的關系是

3.波形顯示技術

在一個信號波形被采集、數字化、存儲和處理之后,有多種方法可以將它重現,如點顯示法、點線連接(線性插入)法、正弦插入以及修改型正弦插入法等。

在顯示過程中,可能會發生失真。采樣理論(參看奈奎斯特關于采樣頻率的定律)指出:采樣頻率必須高于信號的最高頻率分量的兩倍,否則在顯示時就會失真。

1)點顯示技術

點顯示就是在屏幕上以有間隔的點的形式將被獲取的信號波形顯示出來。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。考慮到有效存儲帶寬問題,一般要

求為每個信號周期顯示20~25個點。

2)數據點插入技術

在波形顯示技術中,常常使用插入器將一些數據補充給儀器,插在所有相鄰的采樣點之間。實際應用主要有線性插入和曲線插入兩種方式。線性插入法僅按直線方式將一些點

插入到采樣點之間。在有足夠的點可以用來插入的時候,這是一種令人滿意的辦法。

一些生產高速模擬

電路的廠家就在儀器的信號獲取環節中或在獲取信號之后設置插入器,以下簡要介紹幾種常用的插入技術。

(1)向量式顯示(線性插入)。

(2)正弦插入。

(3)改進型正弦插入。

(4)SineX/X插入。

7.5.2數字存儲示波器的技術性能指標

除具有與模擬示波器相同的垂直靈敏度、掃描速度、頻率響應等指標外,數字存儲示波器主要還有以下幾個技術性能指標。

(1)采樣速率。

(2)帶寬。

(3)有效存儲帶寬。

(4)上升時間。

類似于模擬示波器,一般數字示波器的上升時間和帶寬滿足以下公式:

(5)測量分辨率。

(6)存儲容量。

圖7.23上升時間

DSO還有以下一些其他的重要性能和特征,在選用時必須注意。

(1)當使用DSO進行模擬顯示時,應注意它的模擬能力。

(2)各種復雜的觸發能力,如延時觸發、預觸發、毛刺觸發、狀態觸發等。

(3)包絡顯示能力,指示波形的最大值和最小值等。

(4)閃爍/峰尖捕捉能力。

(5)與打印機、PC、網絡的連接口問題。

(6)協助噪聲濾波的均值計算等。

(7)波形的數學計算、分析、測量及信號加工能力。

(8)通道數。

7.5.3模擬/數字示波器

圖7.24為一個實際的帶有計算機接口的模擬/數字示波器的典型框圖。

圖7.24模擬/數字示波器原理框圖

在此儀器中,作為模擬示波器所需要的所有基本單元模塊(如同步衰減器、前置放大器、觸發電路、延時線、垂直和水平輸出放大器、Z軸電路等)都包括在如下附加電路中:

(1)微處理器及相關電路;

(2)數字時基;

(3)數字獲取存儲器;

(4)數字顯示;

(5)向量發生器;

(6)存儲獲取電路;

(7)通信接口。

TEK2232型示波器各部分的主要技術指標如下:

7.6數字熒光示波器

如前所述,同模擬示波器相比,數字存儲示波器(DSO)具有強大的輸入波形的捕獲、存儲與回顯功能,擁有精確的測量、分析及其結果的數字化顯示功能,擁有預觸發、后觸發、毛刺觸發、狀態觸發、窗口觸發、總線觸發、N周期觸發等多種先進靈活的觸發方式,可捕獲并顯示單次信號和非周期信號,可進行聯網通信、遠程測量而組成自動測試系統等。但它也存在不足之處,主要體現在以下兩個方面。

(1)只能表征信號的幅度-時間信息,屏幕上顯示的波形具有同等的亮度,不能像模擬示波器那樣通過不同的顯示亮度來表示信號出現的頻度。

(2)實時性不足。如圖7.21所示,常規的數字存儲示波器信號處理流程是一種串行結構。

在這個過程中,信號調理、觸發和ADC采樣幾乎都是實時的,而數據存滿采集存儲器、顯示處理單元對這些數據的處理分析、測量和最終的顯示,則對整機實時性帶來很大的影響,其耗費時間主要包括以下三點。

①采樣波形數據存儲時間。

②波形數據處理時間。

③圖像顯示時間。

數字熒光示波器(DPO)是一臺能將電信號波形進行數字化,并且以三維數據(信號的幅度、時間以及幅度相對于時間的分布)實時地儲存、分析、顯示的儀器,其結構簡圖如圖

7.25所示。

圖7.25數字熒光示波器(DPO)結構簡圖

DPO數字熒光示波器的并行結構從根本上解決了DSO數字存儲示波器波形捕獲率低、死區占比率高、波形漏失嚴重的缺陷。在測試項目、測試速度以及測試精度上都全面

領先于數字存儲示波器。總結起來,其主要特點包括以下四點。

(1)集模擬示波器與數字示波器優點于一身。

(2)具有超高波形捕獲速率。

(3)超強的動態波形三維顯示能力。

(4)持續的超高速采樣。

基于以上特點,DPO在應對USB/HDMI等高速串行數據通信信號、光盤等讀出信號、無線通信中復雜數字調制信號等動態復雜信號的觀測中具有其他示波器難以企達的優勢,成為這些應用領域的首選。

7.7示波器的應用

7.7.1示波器的選用1.示波器的選擇我們應根據測量任務來選擇示波器,具體通過被測信號的特性和示波器的性能來選擇合適的示波器。1)根據被測信號的特性來選擇(1)定性觀察頻率不高的一般周期性信號,可選用普通示波器或簡易示波器。

(2)觀察非周期信號、寬度很小的脈沖信號,應選用具有觸發掃描或單次掃描的寬帶示波器。

(3)觀察快速變化的非周期性信號,應選用高速示波器。

(4)觀察頻率很高的周期性信號,可以選用取樣示波器。

(5)觀察低頻緩慢變化的信號,可選用長余輝、慢掃描示波器或數字熒光示波器。

(6)需要對兩個信號進行比較時,應選用雙蹤示波器;需要對兩個以上信號進行比較時,則選用多蹤示波器或多束示波器。

(7)若被測信號為一次性過程或復雜波形,需將被測信號存儲起來,以便進一步分析、研究,可選用存儲示波器。

(8)當希望既能觀測模擬或脈沖信號波形,又能分析數字邏輯或總線信號時,可選用混合示波器(MSO)。

2)根據示波器的性能來選擇

(1)頻帶寬度和上升時間。一般要求示波器的頻帶寬度BW≥3fmax(fmax為被測信號的最高頻率);示波器的上升時間tr≤try(try為被測信號的上升時間)。

如果示波器的頻帶寬度不夠,則輸入信號中的高頻分量將被極大地衰減。如將一個50MHz的方波加至一個頻寬為150MHz的數字示波器上,將得到如圖7.26(a)所示的波形;若加至一個頻寬為500MHz的數字示波器上,得到的波形將如圖7.26(b)所示。

圖7.2650MHz方波在不同頻寬示波器上顯示的波形

(2)垂直偏轉靈敏度。如需觀測微弱信號,應選擇具有較高垂直偏轉靈敏度(即V/div值較小)的示波器;反之,應選擇V/div值較大的示波器。

(3)輸入阻抗。盡量選用高輸入阻抗(即輸入電阻大而輸入電容小)的示波器。這對觀測一些負載能力較弱的電路的波形十分重要,否則會造成觀測波形與實際情況不符。例如,對于高頻振蕩器,低阻抗示波器探頭的接入很可能造成其停振。

(4)掃描速度。被測信號頻率越高,所需示波器掃描速度越高,反之,掃描速度越低。

2.示波器的使用要點

示波器在使用時應注意以下幾點:

(1)選擇合適的電源,并注意機殼接地。

(2)經過探極衰減后的輸入信號切不可超過示波器允許的輸入電壓范圍,并應注意防止觸電。

(3)根據需要,選擇合適的輸入耦合方式。

(4)對模擬示波器輝度要選擇適中,不宜過亮,且光點不能長時間停留在同一點上,特別是暫時不觀測波形時,更應該將輝度調暗,以免縮短示波管的使用壽命。盡量避免在陽光直射或明亮環境下使用示波器。

(5)聚焦要合適,不宜太散或過細。

(6)對于模擬示波器測量前要注意調節“軸線校正(TRACEROTATION”)旋鈕,使顯示屏刻度軸線與顯示波形的軸線平行。

(7)盡量在顯示屏有效尺寸內進行測量。對于模擬示波器進行定量測量時一定要先校準(“垂直偏轉靈敏度(V/div)細調”“時基因數(t/div)細調”旋鈕務必置于“校準(CAL)”位置),并注意讀數時的探極衰減倍數。

(8)探極要與示波器配套使用,不能互換,且使用前要校準。校準方法是,將標準信號源(或示波器自身)產生的標準方波信號通過探極加到示波器,適當調整探極內補償電容直到正確補償為止(得到如圖7.11(a)所示的波形)。另外,探極衰減系數為10∶1或100∶1時,被測信號電壓為測量值的10倍或100倍。

(9)波形不穩定時,通常按“觸發源”“觸發耦合方式”“觸發方式”“掃描速度”“觸發電平”的順序進行選擇調節。

7.7.2示波器測量應用

1.直流電壓的測量

直流電壓的測量步驟如下:

(1)置“掃描方式”開關于“AUTO”位置,選擇掃描速度,以使掃描不發生閃爍現象。

(2)視所測電壓的大小,置“V/div”到適當位置,將“微調”旋至“CAL”位置。

(3)置“交流地直流”開關于“GND”位置。此時的掃描垂直位置即為零伏基準線。調節垂直“位移”旋鈕,使該掃描線準確地落在水平刻度線上,以便讀取信號電壓,如圖7.27(a)所示。

(4)將被測電壓加至輸入端后,將“交流地直流”開關置于“DC”位置,此時所顯示的直線位置即為所測電壓值,如圖7.27(b)所示。若直線位于零伏基準線之上,則所測電壓為

正;若直線位于零伏基準線之下,則所測電壓為負。

(5)若所測電壓超出顯示范圍,應增大“V/div”;若所測電壓數值過小,應減小“V/div”后重新測量。

(6)在圖7.27(b)中,“V/div”旋鈕的擋位值為1V/div,被測直流電壓波形與零伏基準線之間為2.8個格,由此可算出直流電壓為2.8V。

圖7.27直流電壓的測量

2.交流電壓的測量

交流電壓的測量步驟如下:

(1)置“交流地直流”開關于“GND”位置。調節垂直“位移”旋鈕,使該掃描線準確地落在水平刻度線上。

(2)視被測電壓的大小,置“V/div”到適當位置,將“微調”旋至“CAL”位置。

(3)將被測電壓加至輸入端后,將“交流地直流”開關置于“AC”位置,此時所顯示的波形即為所測交流電壓,如圖7.28所示。

(4)在圖7.28中,“V/div”旋鈕的擋位值為50mV/div,波形的峰值與谷值之間為3.6個格,由此可算出所測交流電壓的峰峰值為180mV。

圖7.28交流電壓的測量

3.時間、周期與頻率的測量

1)周期的測量

用示波器測量時間與用示波器測量電壓的原理相同,只不過測量時間所關注的是X軸系統。

2)時間間隔的測量

時間間隔的測量與周期的測量方法完全相同,只不過x為波形某兩點(根據被測量的定義來確定具體的兩個點)之間的水平距離。基于此方法,利用雙蹤示波器可測出兩輸入信號間的時間差。

3)頻率的測量

用示波器測量信號頻率的方法基本上可分為兩大類。一種是利用掃描工作方式(即測周期法);另一種是用示波器的XY工作方式(即李沙育圖形法),下面分別加以介紹。

(1)測周期法。通過前述方法測出周期,計算其倒數就得到被測信號的頻率。如圖7.28所示,“t/div”旋鈕的擋位值為0.1ms/div,交流電壓的一個周期在水平方向共有5格,由此可得出,其周期為0.5ms,頻率值為1/0.5ms,即2000Hz。

圖7.29幾種常用的李沙育圖形

4.相位的測量

同用示波器測量頻率一樣,用示波器測同頻率的兩個信號之間的相位差也有兩種方法。

1)雙蹤示波器測時間間隔法

利用雙蹤示波器按前述的方法測出兩路信號的周期T和其時間間隔Δt,利用下式即可求出其相位差:

在圖7.30中,u1與u2的一個周期在水平方向上占5格,u1

與u2

之間的相位差為.65格,由此可得,u2超前u1

為1.65/5×2π≈2π/3,即u2超前u1的相位角為120°。

圖7.30u1與u2的相位差測量

2)李沙育圖形法

測量原理同李沙育圖形測頻法。測量時,u1

接示波器X軸輸入,u2

接Y軸輸