1、第3版 林德杰 主编机械工业出版社同名教材 配套电子教案第1章 测量的基本概念第2章 测量误差及数据处理第3章 信号的时域第4章 非电量的电测技术第5章 微型化和智能化传感器第6章 数字化测量技术第7章 抗干扰技术第3章 信号的时域、频域 与数据域测试技术第3章 信号的时域、频域与数据域测试技术3.1 概述3.2 通用电子示波器的组成及其原理3.3 智能化数字存储示波器3.4 示波器的主要工作特性机器选择3.5 信号的频谱分析3.6 逻辑分析仪的原理及应用3.1 概述 对于一个电信号，可以用它的瞬时幅值 随时间 的变化情况来表示，例如，用各种电子示波器对电信号的波形及表征它的各种参数进行测试的
2、方法，称为时域分析方法；同时也可以用信号所含的各种频率的分量（频谱分布）来表示，通常是利用频谱分析仪来对它进行测量，这种方法称为频谱分析方法。频域分析方法也称为频谱分析方法，它是指对信号在频率范围内的进行的分析，分析的结果是以各种频率为横坐标，各种频率的幅值为纵坐标的谱线，称为幅度频谱，简称频谱，见图3-1。图3-1 频谱图像图3-2 时域与频的关系示意图 既然时域分析和频域分析都可以表征同一信号的特征，那么，它们必然是可以互相交换的。若用时域分析法和频域分析法对同一电信号进行测量，它们显示的图形画在同一个图上即可以看出它们之间的内在联系，见图3-2。表3-1列出了一些常见电信号的波形图及其相
3、应的频谱图。表3-1常见信号的波形图及其频谱图频谱特征由表3-1可见，周期信号的频谱特征有：（1）离散性 周期信号的频谱由不连续的谱线组成，每一条谱线代表一个正弦分量，称为离散频谱或线状频谱。（2）谐波性 周期信号的频谱的每一条谱线只能出现在基频的整数倍的频率上。（3）收敛性 各次谐波的幅值大小随着频率的增加而逐渐减小，因此频谱是收敛的。3.2 3.2 通用电子示波器的组成及其原理通用电子示波器的组成及其原理 电子示波器是时域测量技术中最为灵活而应用广泛的电子测量一仪器。3.2.1 电子示波器的组成3.2.2 波形显示原理3.2.3 电子示波器的分类3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.1
4、电子示波器的组成 电子示波器是利用被测电压控制示波管中的电子束，通过电子束的偏转反映被测信号的变化。由电子束轰击在荧光屏上而激发出亮光，亮光连成的轨迹就代表了被测信号的波形。为了使显示的波形达到一定的精度，电子示波器必须由若干部分组成。就通用示波器而言，无论何种类型都由如图3-3所示的六大部分组成。图3-3 电子示波器的组成3.2.2 波形显示原理图3-4 示波管结构示意图3.2.2 波形显示原理1.示波管示波管 示波管由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，这三个部分密封在玻璃管内成为大型电真空器件，见图3-4。就其用途而言，它是把电信号变成光信号的转换器。（1）电子枪 电子枪由灯丝、栅极、前
5、加速电极、第一阳极和第二阳极组成。它的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。2）偏转系统 在示波管内有两对偏转极，一对是由 与 组成的 偏转极，它控制电子束产生垂直偏转；另一对是由 和 组成 偏转板，它控制电子束产生水平偏转。观察信号波形时，偏转板加的是经过 通道放大后的被测信号电压；而 偏转板加的是锯齿波扫描电压。荧屏显示的波形是电子束沿 和 两个方向运动合成的轨迹。2X1X1Y2YXYXYYYX3.2.2 波形显示原理 （3）荧光屏荧光屏 荧光屏一般为圆形曲面或矩形平面。由于矩形荧光屏的有效面积大，线性度好，目前常用矩形荧光屏。荧光屏内壁沉积有荧光物质形成光膜。它受电子轰击后将动能转换成光
6、能而形成亮点。当电子束随被测电压偏转时，这些亮点的轨迹便形成了信号的波形。当电子束停止轰击后，荧光膜还能持续发光，持续发光的时间称为余辉时间。1s1ms为短余辉；1ms0.1s为中余辉；0.1s1s为长余辉。观测高频信号宜用短余辉示波管；观测缓变信号宜用长余辉示波管；一般用途时，用中余辉示波管。3.2.2 波形显示原理2.波形显示原理波形显示原理 （1）电子束的运动轨迹 如前所述，电子束运动的轨迹取决于 偏转板和 偏转板两个静电场的合成作用，打在荧光屏上亮点的位置取决于加在 和 偏转板上的电压。（2）扫描时间基准 在 偏转板加上锯齿波电压时，电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开，形成时间基准线。
7、当仅在 偏转板加上锯齿波电压时，亮点沿水平方向作等速移动。当扫描电压到达最大值（）时，亮点亦达到最大偏转，然后从该点迅速返回到起始点。若扫描电压周期变化时，在屏幕上就显示一条水平亮线，这个过程称为扫描。在 偏转板有扫描电压的同时，在 偏转板加上被测信号电压，就可将其波形显示在荧光屏上，见图3-6。XYYXXXmUXY图3-6 波形显示原理图3-7 时显示的波形3.2.2 波形显示原理（3）同步的概念为了在屏幕上获得稳定的图像，必须等于 的整数倍，即 ，以保证每次扫描起始点都对应信号电压 的相同相位点上，这种过程称为同步。XTYTYXnTTyuYXTT23.2.3 电子示波器的分类 1.通用示波
8、器通用示波器 通用示波器是采用单束示波管组成的示波器。通用示波器又有单踪示波器和多踪示波器之分。多踪示波器由单束示波管和电子开关组成。2.多束示波器（亦称多线示波器）多束示波器（亦称多线示波器）多束示波器是采用多束示波管组成的示波器，在屏幕上显示的每条波形都是由单独的电子束所形成。3.取样示波器取样示波器 将高频信号以取样方式转换成低频信号，然后再用类似通用示波器的方式进行显示。用于观测300 MHz以上的高频信号及脉宽为几个纳秒的窄脉冲信号。4.记忆与存储示波器记忆与存储示波器 它是一种具有存储信息功能的示波器。将单过程、非周期信号或缓变信号长时间地保留在屏幕上或存储于电路中，供分析、比较用
9、。利用记忆示波管实现存储功能的称为记忆示波器；利用半导体数字存储器的称为数字存储示波器。5.特殊示波器特殊示波器 它是指能满足特殊用途或具有特殊装置的专用示波器，例如高压示波器等。3.2.4 通用电子示波器的原理 通用电子示波器由水平偏转电路、垂直偏转电路、示波管电路、校正信号、低压电源和示波管组成，其框图见3-8。由图可见，它是双踪示波器，具有触发扫描和增辉功能、双扫描显示、宽频带和附设幅值和时间校正信号。目前，多数示波器都已具备上述功能，所以称为通用示波器。3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.4.1 通用示波器的特点通用示波器的特点1.具有触发扫描与增辉措施2.Y通道放大器频带较宽3.
10、具有幅值与时间校正信号4.双扫描显示3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.4.2 Y通道电路的工作原理 前置 Y放大器由步进衰减器、电压跟随器、电压放大器和触发信号放大器等部分组成。通道是被测信号的主要通道，要求频带、增益及输入阻抗等指标尽量高一些。3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.4.3 触发同步电路的工作原理 无论触发信号的来源、幅值、波形和极性如何，经过触发同步电路后，统一变换成具有一定的幅值、宽度、陡度和极性并且与被测信号具有严格同步关系的脉冲，以便触发扫描闸门实现同步扫描，从而达到稳定显示波形的目的。触发同步电路组成框图见图3-12。图3-12 触发同步电路组成框图3.2.4
11、 通用电子示波器的原理3.2.4.4 扫描电路的工作原理 通用示波器常采用双扫描显示，双扫描（亦称为双时基）是指在 X 通道中设置两个扫描电路，它们可以是两个完全独立的扫描电路，也可以是其中一个独立（称为A扫描）的，而另外一个（称为B扫描）只有在A扫描工作一段时间后才开始扫描，故B扫描称为延迟扫描，这种双扫描系统应用较多。图3-15示出了这种双扫描系统的组成框图，其中A扫描为主扫描，B扫描为延迟扫描。图3-15 扫描电路原理框图3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.4.5 X输出放大器输出放大器 X输出放大器将由扫描电路送来的锯齿波扫描电压由单端输入转变成对称的双端输出，并进行功率放大，以便
12、驱动示波管内的水平偏转板X1和X2。在X输出放大器中设置了一个“拉10”开关（在示波器面板上），当这个开关拉出时，X输出放大器的增益提高10倍，完成10扩展功能，从而使扫描速度最小为0.2s/cm扩展为20ns/cm。因此，扩大了扫描速度的范围。3.2.4 通用电子示波器的原理3.2.4.6 双踪显示原理双踪显示原理 在示波器的庞大家族中，双踪示波器的应用最广泛。如何实现双踪显示呢？通常采用交替和断续两种显示方式。1.交替显示方式交替显示方式 电子开关的转换频率受扫描电路的控制。2.断续显示方式断续显示方式 电子开关工作在自激振荡状态（不受扫描电路控制），其频率在100Hz1000Hz范围内，
13、将两个被测信号分割成很小段轮流显示，见图3-17b。图3-17 双踪显示原理a）交替显示方式 b）断续显示方式3.3 3.3 智能化数字存储示波器智能化数字存储示波器3.3.1 概述概述 微型计算机技术进入了仪器仪表的设计与制造领域，使仪器仪表的原理、功能和精度水平都发生了根本的变化。不但简化、甚至淘汰了传统仪器仪表设计中某些难予实现和突破的关键问题，而且赋予这一代仪器仪表以识别（判断）、记忆、分析、计算和可程控等功能。人们称这些微机化的仪器仪表为“智能化仪器仪表”。智能化已成为仪器仪表发展的主要方向。与传统的示波器相比，智能化数字存储示波器具有许多特点：功能强、提高性能指标、自动化程度高、强
14、大的通信功能强、提高性能指标、自动化程度高、强大的通信功能、自诊断故障。功能、自诊断故障。3.3 3.3 智能化数字存储示波器智能化数字存储示波器3.3.2 智能示波器的组成原理及工作方式 图3-18示出了具有代表性的智能化数字存储示波器的组成原理框图。由图可见，垂直偏转部分、水平偏转部分和CRT显示部分与传统示波器的原理基本相似，所不同是微机控制与存储部分。各部分电路之间通过总线结构连接，操作者对仪器的控制是利用面板的键盘通过总线向CPU传送控制信号来实现的。整机的工作在程序控制下进行。图3-18 智能化数字存储示波器原理框图3.3 3.3 智能化数字存储示波器智能化数字存储示波器3.3.3
15、 智能示波器的主要功能及应用智能示波器的主要功能及应用 1.S/H与与A/D转换转换 该电路是示波器数字存储工作方式的基础部件。S/H和A/D转换的最高工作速度直接影响数字存储工作方式的工作带宽。S/H的速度远比A/D转换的速度高得多，故数字存储示波器的额定工作带宽主要受A/D转换速度的限制。2.触发方式触发方式 有常态触发和预置触发（延迟触发）两种方式。开机或复位后自动进入常态触发，而预置触发必须通过键盘预设定。3.存储器及存储方式存储器及存储方式 智能数字存储示波器的存储器主要有三种：信号存储器及存储方式、参考存储器和显示缓冲存储器。3.3 3.3 智能化数字存储示波器智能化数字存储示波器
16、 4.扫描发生器扫描发生器 由前述可知，模拟示波器由密勒积分电路产生锯齿波扫描电压，由于扫描电压正程具有非线性和具有一定的回扫时间，CRT上显示的波形失真。5.显示方式显示方式 智能化数字存储示波器由于微机的强大的控制、计算和存储能力，可实现多种灵活的显示方式，以适应不同波形的观测。6.测量与计算功能测量与计算功能 智能化数字示波器内部有微机系统、A/D和D/A等硬件，除了能在CRT上显示被测信号波形和波形参数外，还具备了数字化测量仪器仪表的所有功能。带宽和价格始终是智能化数字存储示波器是否能取代模拟示波器的两个至关重要的问题。这两个问题的突破性解决，是主要研究方向之一。3.4 示波器的主要工
17、作特性及其选择 3.4.1 主要工作特性主要工作特性 示波器的主要性能有几十项，为了知道正确选择和使用示波器，必须了解下列五项性能指标。1.频率响应（频带宽度）频率响应（频带宽度）2.时域响应（瞬态响应）时域响应（瞬态响应）表示放大电路在输入方波脉冲信号作用下的过渡特性。3.偏转灵敏度偏转灵敏度 指输入信号在无衰减情况下，亮点在屏幕上偏转1cm或1格）所需信号电压的峰峰值。4.输入阻抗输入阻抗 5.扫描速度（时基因素）扫描速度（时基因素）3.4 示波器的主要工作特性及其选择3.4.2 示波器的选择 示波器的种类很多，新产品日新月异，对使用者来说，如何根据被测信号的特点正确选择示波器，是一个很重
18、要的问题。3.4.2.1 一般选择原则 3.4.2.2 按示波器的性能来选择3.5 信号的频谱分析 电信号既可以用时域分析法来分析，也可以用频域分析法来分析，但它们分析的角度和适用场合是不同的。频域分析法用于测量各种电信号的电平、频响、频率纯度和谐波失真以及网络特性等是很有效的。其典型仪器是频谱分析仪。3.5.1 频谱分析仪的种类3.5.2 频谱分析仪的工作原理3.5.3 频谱分析仪的工作特性3.5 信号的频谱分析3.5.1 频谱分析仪的种类根据频谱分析仪的工作原理，可分如下几种类型：1.多通道滤波式多通道滤波式2.扫频滤波式扫频滤波式3.扫频外差式扫频外差式4.时基压缩式时基压缩式5.快速傅
19、立叶变换（快速傅立叶变换（FFT）式）式3.5 信号的频谱分析3.5.2 频谱分析仪的工作原理3.5.2.1 中频频谱分析仪的原理 中频外差式频谱分析仪有一次混频滤波式和多次混频滤波式两种。一次混频滤波式的滤波特性所获得的窄脉冲，实际上是一个动态幅频特性图形，不是一条理想的线条。而且其选频特性较差，灵敏度和频率分辨率较低，故较多使用多次混频滤波式组成中频频谱分析仪。图3-35示出了四次混频、滤波和中放的频谱分析仪的原理框图。这类仪器可获得较好的性能指标。图3-35 中频频谱分析仪组成框图3.5.2.2 低频频谱分析仪的原理 分析或测量频率较低的信号如声学、振动和生物电信号等，频谱仪必须解决的问
20、题是选用窄带滤波器。要使窄带滤波器获得较好的频率响应特性，要求扫描频率必须很慢，但这样难以得到清晰的显示。解决的方法之一是用数据存储显示器。图3-43为典型的低频频谱分析仪原理框图。图3-43 典型的低频频谱分析仪原理框图3.5 信号的频谱分析3.5.3 频谱分析仪的工作特性 扫频外差式频谱分析仪的主要工作特性有幅频特性、频率特性和扫频特性。1.幅频特性幅频特性2.频率特性频率特性3.扫频特性扫频特性 扫频速度对灵敏度和频率分辨率是由影响的。可以证明，扫频速度快，频率分辨率要变坏，灵敏度也要下降。要合理选择扫频速度，以保证有较高的灵敏度和较好的分辨率。3.5 信号的频谱分析3.5.4 频谱分析
21、仪的应用范围1.测量信号的参数测量信号的参数2.噪声测量噪声测量3.电子设备的调试电子设备的调试4.网络分析网络分析5.信号仿真测量信号仿真测量6.用于国防用于国防 此外，附有跟踪发生器的频谱仪，由于比一般频谱仪具有频率精确度高、灵敏度高、动态范围宽（大于120dB）、窄/宽扫描宽度和选择灵活等，更扩大了它的应用范围。3.6 逻辑分析仪的原理及应用逻辑分析仪能对数字系统的硬件、软件的逻辑状态进行分析、记录和显示。它能以表格、波形、图形或汇编形式将测量结果显示于CRT，从而实现对数字系统的硬件和软件的测试，对含有大量硬件和软件的数字系统的调试特别适用。3.6.1 逻辑分析仪的组成3.6.2 逻辑
22、分析仪的功能3.6.3 逻辑分析仪的工作过程3.6.4 逻辑分析仪的应用3.6 逻辑分析仪的原理及应用3.6.1 逻辑分析仪的组成逻辑分析仪的组成逻辑分析仪的种类很多，虽然在通道数量、存储容量、触发方式和显示方式等有较大区别，但其组成基本原理却是相同的，见图3-48。图3-48 逻辑分析仪的组成框图3.6 逻辑分析仪的原理及应用3.6.2 逻辑分析仪的功能1.可同时存储和观测多通道信号可同时存储和观测多通道信号2.触发功能触发功能3.显示功能显示功能图3-49 组合触发方式图3-50 延迟触发方式图3-51 限定触发方式图3-52 定时显示方式图3-53 状态表显示方式3.6 逻辑分析仪的原理及应用3.6.3 逻辑分析仪的工作过程1.数据的采集数据的采集2.数据存储数据存储3.工作过程工作过程图3-54 同步采样时被测脉冲的最小宽度3.6 逻辑分析仪的原理及应用3.6.4 逻辑分析仪的应用主要用于测试数字集成电路的逻辑功能、微机系统的逻辑状态和检测数字系统的故障等，现举例说明。1.测试数字逻辑和数字集成电路测试数字逻辑和数字集成电路2.测试时序关系和干扰信号测试时序关系和干扰信号3.检测微机系统的运行情况检测微机系统的运行情况Do you have made a progress today?图3-55 微机系统检测接线方法和显示
