第六章 时域测量

6.1 时域测量引论 对于一个携带信息的模拟调制信号，可以从三个方面去进行研究，即时域(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频 谱仪)及调制域(Modulation Domain)。 T 图6.1 调频波频谱图 F U 调制域 频域 时域

一、示波器的功用 1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。 2. 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌， 能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信 号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子 仪器难以胜任的。 3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。 4. 示波器是其它图式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑 分析仪以及医用B超等各种图示仪器就容易理解了。

二、示波器的分类 从1947年世界上第一台示波器诞生至今经历了数十年的发展进步，已出现了多种多样的示波器。大致情况如下： 技术原理上分为：模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。 按显示屏可分为：阴极射线示波管（CRT）、液晶屏（TFT）及荧光屏（VFD）。 按显示原理分为：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等。 按带宽分档情况：模拟示波器60MHz以下为低档，300MHz以上算高档，最高带宽只做到1~2GHz水平。 数字示波器500MHz以下为低档，500~2GHz为中档，2GHz以上为高档。

三、示波器的组成 Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、延迟线和 输出放大器组成，实质上是个多级宽频带、高增益放大器， 主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测 量灵敏度。 X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器 组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。 显示屏：主要由阴极射线管组成， 常以CRT (Cathode Ray Tube) 表示，通常称为示波管。当前以 光点和光栅方式作显示屏的主要 采用示波管。另外，平板显示屏 是后起之秀，发展很快，尤其是 液晶显示屏（LCD）已经应用于 示波器了。 Y(垂直) 通 道 X(水平) 电源 图6.2 示波器的基本组成 显示屏

显示屏的种类 当前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及荧光屏VFD。本节着重介绍当前应用最广的示波管和TFT液晶屏。 示波管CRT 静电偏转：光点轨迹显示---用于示波器、雷达距离显示器、医疗仪器 磁场偏转：光栅增辉显示---用于电视机、医疗仪器、雷达环显等 被动发光： 液晶屏LCD+背光板--数字三用表等小型电子仪器 平板显示FPD 主动发光 液晶屏TFT---示波器、计算机显示器、电视机显示器等 荧光屏VFD---示波器、家电产品的显示屏 等离子PDP---电视机显示屏 发光二极管LED---数字仪表、大型广告显示屏 场致发射FED---成品率低，尚处商品化研发中 电致发光EL板---仪表数显、广告装饰 显示屏的 种类 当前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及荧光屏VFD。本节着重介绍当前应用最广的示波管和TFT液晶屏。

6.2 平板显示技术（只简介TFT-LCD ） 液晶(Liquid Crystal)介于液态与固态之间，具有规则性分子排列的有机化合物，加电或受热后会呈透明的液体状态，断电或冷却后则会出现结晶颗粒的混浊固体状态。 最为常见的为TFT-LCD（Thin Film Transistor LCD 薄膜晶体管液晶显示器）。 图 液晶显示器的一个像素结构原理图 红(R)荧光粉 绿(G)荧光粉 绿(G)可见光 蓝(B)荧光粉 玻璃板 透明电极(公用) 透明电极 液晶体 背光灯源

LCD平板显示器是矩阵式结构 ，每一个交叉点就是一个像素 行（X）驱动信号由扫描电路产生；列（Y）驱动信号则是将要显示的信号经过数字化以后写入数据存储器，而后再读出用于显示。 液晶平板显示器的结构示意图 液晶平板显示器的等效电路示意图

§6.3 示波管及波形显示原理 一、示波管：大型的真空电子器件，也叫阴极射线管（CRT） 功能：将电信号转换成为光信号在荧光屏上显示出来. 组成：电子枪、偏转系统、荧光屏三部分构成。 K G1 G2 A1 A2 Y2 X2 F ~6.3V -1KV 0V X1 亮度 Ug1 聚焦 UA1 辅助聚焦 后加速极 A3 ＋15KV 电子枪 偏转系统 荧光屏 Y1 真空玻璃管 图6.3 阴极射线示波管

（一）电子枪：发射电子并形成很细的高速电子束 阴极K：涂有氧化物的镍制小筒，受热后氧化层发射电子. 栅极G1：电位低于K,对电子形成排斥力，使电子向轴心会聚，形成交 叉点. 调节G1电位，改变射向荧光屏的电子流密度， 控制荧光屏光点的亮暗，所以叫辉度调节. 前加速级G2：对电子束有较强的加速作用，对G1和A1有隔离作用. 第一阳极A1：聚焦阳极；第二阳极A2：加速阳极. 灯丝：通电后能产生热量 重要！ 重要！

（二）偏转系统：X偏转板、Y偏转板，决定电子束怎样偏转或决定任意瞬间光点在荧光屏上的坐标. 2、偏转灵敏度： 表示亮点在荧光屏上偏转1cm所需加于偏转板上的电压值. 此值越小，表示灵敏度越高. 此值是常数，与偏转板外加偏转电压无关. 比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy＝1／hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。

（三）荧光屏 在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。 1、余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点：亮度下降为原始值的10％，所延续的时间称为余辉时间．不同荧光材料余辉时间不一样： 小于10μs的为极短余辉； 10μs～1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）； 1ms～0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）； 0.1s～1s为长余辉（通常是黄色）； 大于1s为极长余辉（通常是黄色）。 2、结构：圆形、矩形 3、刻度：内刻度、外刻度

二、波形显示原理 1、扫描——时间基准的概念 2、同步的概念 扫描基线 扫描电压：X轴上所加的锯齿波电压 扫描:光点在锯齿波电压下扫动的过程 扫描正程：光点由左到右连续扫动 扫描回程：光点由屏的右端迅速返回起点的过程 2、同步的概念 显示稳定波形的条件（同步）：扫描电压的周期TX与被测信号周期TY的比值为整数倍，即： 内同步：被测信号产生一个同步触发信号来控制扫描发生器. 外同步：外接信号产生一个同步触发信号来控制扫描发生器，但外接信号与被测信号周期有一定关系.

3、显示任意两个变量之间的关系 李沙育图形：两个输入信号必须是正弦信号，可通过波形形状得到两个输入信号的频率比.

4.连续扫描和触发扫描 Ts t uy ux Tn 图 连续扫描和触发扫描的比较 1mS 1µS 连续扫描： 一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。 触发扫描： 一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。

5、性能指标： 频率响应（频带宽度）：通道的工作频率范围 偏转灵敏度：表示亮点在荧光屏上偏转1cm(或1格)时所需加于偏转板上的电压值(峰--峰值). 扫描频率：水平扫描的锯齿波频率 扫描速度：表示亮点在荧光屏X轴方向移动单位长度1cm(或1格)所表示的时间. 其值愈小,偏转灵敏度愈高 越高表示示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强

输入阻抗：输入端对地的电阻和分布电容的并联阻抗 瞬态响应：表示Ｙ通道放大电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。 上升时间tr: 下降时间tf: 上冲s0: 是脉冲波前沿的上冲量b与A之比的百分数。 下冲sn: 是脉冲波后沿的下冲量f与A之比的百分数。 预冲sp: 是脉冲波阶跃之前的预冲量d与A之比的百分数。 下垂δ：是脉冲波平顶部分的倾斜幅度e与A之比的百分数。 决定了可观察的最高信号频率和脉冲的最小宽度。

上次课要点 本次课主要内容 2 1 2 1 示波管的组成、功能 显示稳定波形的条件 重点：辉度旋钮、聚焦旋钮 水平偏转通道的组成 垂直偏转通道的组成 重点：衰减器、延迟线 1 水平偏转通道的组成 重点：扫描发生器 2

§6.4　模拟示波器 一、示波器的基本组成 通用示波器的主要组成框图

二、垂直偏转通道（Y轴系统） 由输入电路、放大器、延迟线三部分构成 1、输入电路： （1）输入耦合方式:

(2)衰减器: 具有频率补偿作用的阻容衰减器（重点） 结论： （a）当R1C1=R2C2时称为最佳补偿，此时衰减分压比与频率无关。 ui uo C1 C2 R1 R2 结论： （a）当R1C1=R2C2时称为最佳补偿，此时衰减分压比与频率无关。 （b）由一系列的RC分压器组成，改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度。 （c）通常示波器的灵敏度都是按1、2、5步进，例如，0.05~20V/cm分9档。

(3)探头

把加于垂直偏转板的被测信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间。 2、延迟线：内同步 为什么要用延迟线？ 作用 把加于垂直偏转板的被测信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间。 （重点） *100MHz以内利用平衡螺旋线来做延迟线，75ns/m,阻抗为100Ώ *200M~300MHz,用同轴射频电缆， 5ns/m,阻抗为75Ώ *500MHz用椭圆双芯屏蔽延迟线。

3、放大器 (1)前置放大器 (2)输出放大器：采用推挽式放大器（差动放大器）

4、垂直通道极性转换电路

三、水平偏转系通道（X轴系统）-重点和难点 作用： 组成： 形成线性良好的锯齿波电压，使屏幕上准确而稳定的显示被测信号波形。 触发电路、扫描电路、X轴放大器

1、触发电路：控制时基的扫描闸门，以实现与被测信号的完全同步。 （1）触发源：内触发、外触发、电源触发 （2）耦合方式：DC直流耦合、AC交流耦合、AC低频抑制、AF （3）触发极性：正极性、负极性 （4）触发电平：正电平、负电平

（5）触发方式和触发整形电路：不同形式的触发方式作用在触发整形电路上，产生不同形式的扫描触发信号。 常态方式（NORM)：无触发信号或触发电平不合适，就无触发脉冲，也就无扫描基线。 自动触发方式（AUTO):触发整形电路是一个射级定时的多谐振荡器，固有频率由电路时间参数决定。 高频触发方式：原理同自动触发方式。不同点是：射级电容小，自激震荡频率较高，高频信号与之同步时，同步分频比不需要太高，使同步较为稳定。常用来观测高频信号。

上次课要点 本次课主要内容 2 1 2 1 示波器Y轴系统的组成 重点：衰减器、延迟线 示波器X轴系统中触发电路的构成：触发源、触发电平、触发极性、触发方式 2 本次课主要内容 扫描发生器环的组成 重点：扫描发生器、延迟线闸门电路 1 示波器的多波形显示 重点：显示方式 2

2、扫描电路（重点和难点） 作用： 组成： （1）扫描发生器：密勒积分器 产生线性度良好、频率固定、幅度相等的锯齿波电压 扫描发生器、闸门电路、比较释抑电路 （1）扫描发生器：密勒积分器 *开关K由晶体管担任 *改变R或C作为“扫描速度”粗调 *改变E作为“扫描速度”微调

(2)扫描闸门电路 作用：作为扫描发生器的开关的控制信号，控制锯齿波的起点和终点。 施密特电路：是电平控制的触发电路，最大特点是具有滞后特性（回差特性）。

（3）比较释抑电路（难点） ui 欲看3个脉冲： 1、5号脉冲触发有效 2、3号脉冲无用 4号脉冲要抑制 注意： 三个时刻：t1、tp、t2 -E 充电 放电 UP uo ui tp tw 欲看3个脉冲： 1、5号脉冲触发有效 2、3号脉冲无用 4号脉冲要抑制 注意： 三个时刻：t1、tp、t2 三个时间：tb、th、tw 要求： th>tb（释抑放电时间大于回扫时间）

5)连续扫描状态 予置： E0>E1 环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up ，Ch充电，到E2扫描结束，Ch又放电。 当有信号（红色触发脉冲）则环路被信号所同步。

为保证回扫结束以前闸门不被可能来的脉冲触发，造成回扫未完又开始一次新的扫描，释抑电容的放电时间常数明显大于积分电容的时间常数。 3、X放大器： 作用：为水平偏转板提供对称的推动电压 改变放大器的增益可以使光迹在水平方向得到若干倍的扩展 改变放大器有关的直流电位使光迹产生水平位移

（三）校正 幅度校正器、时间基准校正器 （四）Z轴系统 是脉冲放大器，将闸门信号放大，加到栅极，使显示的波形正程加亮，相对逆程就是消隐。

§6.5 示波器的多波形显示 一、双线示波器 二、双踪示波器 把两个相互独立的电子枪及偏转系统封装在同一个示波管内，利用同一个荧光屏进行显示。 二、双踪示波器 uA uB

2.双时基扫描

6.6 模拟示波器的应用 1.通用示波器的主要技术指标 1)带宽、上升时间 Y通道的频带宽度(Bw)， 2)扫描速度 6.6 模拟示波器的应用 1.通用示波器的主要技术指标 1)带宽、上升时间 Y通道的频带宽度(Bw)， 2)扫描速度 扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度 是光点的水平移动速度，单位是s/cm，或s/div。div(格)一 般为1cm。 3)偏转灵敏度 偏转灵敏度Dy反映示波器观察微弱信号的能力。单位为 mV/cm或V/div。 4)输入阻抗 示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。 5)扫描方式

示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能的 扩展，还出现了多种的双时基扫描。 2.通用示波器的选用原则 选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的 是带宽。 示波器Y通道 BW=100MHz tr=0.35/BW =3.5nS tx=0 tx=10nS trx=3.5nS trx=？ trx=10+3.5 ？ 因两独立变量应均方相加

则 但这样测读太麻烦，最好 这要满足什么条件呢？经误差分析， 可得右图关系： tx/tr=1时，屏幕读数相对误差 Δtrx/trx% 图6.28 示波器带宽对读出误差的影响 但这样测读太麻烦，最好 这要满足什么条件呢？经误差分析， 可得右图关系： tx/tr=1时，屏幕读数相对误差 通常要求选用的示波器上升时间要 tx/tr=3～5 对于一般连续信号 BW/fh=3～5 这里fh是被测信号中的最高频率 分量。

50MHz的方波实际上看起来是什么样呢? 没有足够带宽的影响: 波形上升时间慢 幅度有衰减 60MHz 示波器 100MHz 示波器 350MHz 示波器 500MHz 示波器

1 观测一个10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？ >30MHz 2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？ >20MHz 例如： 1 观测一个10MHz正弦波，为使失真小应选什么示波器？ >30MHz 6MHz 2 测量电视机的视频信号要选什么示波器？ >20MHz 38MHz 3 测量电视机的中频信号要选什么示波器？ >120MHz 50~1000MHz 4 测量电视机的高频信号要选什么示波器？ >3000MHz “5倍准则：示波器所需带宽=被测信号的最高频率成分× 5。” 3.通用示波器的基本测量方法 利用示波器可以进行电压、频率、相位差以及其它物理量的测 量。

6.7 取样技术在示波器中的应用 一、取样示波器的基本原理 以上介绍的通用示波器是“实时示波器”，测量时间(一个扫 6.7 取样技术在示波器中的应用 以上介绍的通用示波器是“实时示波器”，测量时间(一个扫 描正程)=被测信号的实际持续时间，看到的就是正发生的。 但有两点不足:1. BW >1500MHz周期重复信号难以实现→取样 2. 单次、非周期信号难以观测（拍照）→存储 BW再提高受到下列因素的限制： （1）受到示波管的上限工作频率的限制。 （2）受Y通道放大器带宽的限制； (3) 受时基电路扫描速度的限制。 一、取样示波器的基本原理 1.实时取样和非实时取样 取样的概念是以少量间断的样品表征一个连续的完整过程。 例如，电影、数字音视频技术都是建立在取样技术的基础上的。

同理，欲观察一个波形，可以把这个波形在示波器上连续显示， 也可以在这个波形上取很多的取样点，把连续波形变换成离散 波形，只要取样点数足够多，满足取样定理的要求，显示这些 离散点也能够反映原波形的形状。上述取样方法叫“实时取样” 。取样信号uo(t)的频谱比原信号ui(t)还要宽。由此可知，实时 取样并不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的 困难。 ui(t) t Uo(t) 图6.34 取样过程 (a) 输入信号　(b) 取样门与取样脉冲　(c) 取样信号

非实时取样---不是在一个信号波形上完成全部取样过程，而取 样点是分别取自若干个信号波形的不同位置，如图6.35所示。

因要经过mt+Δt的停留时间，然后跳至下一点。可见X、Y偏转板上都应该加阶梯波 2.显示信号的合成过程 图6.36 在屏幕上由取样点合成信号波形的过程 t ux uy ↑ u5 u1 u2 u3 u4 两对偏转板上加什么样的电压呢? 因要经过mt+Δt的停留时间，然后跳至下一点。可见X、Y偏转板上都应该加阶梯波

二、取样示波器的基本组成 Y通道的作用是在取样脉冲的作用下，把高频信号变为低频信 号。延长电路起记忆作用，把每个取样信号幅度记录下来并 展宽。水平系统的主要任务是产生时基扫描信号，同时产生Δt 步进延迟脉冲送Y轴系统。

6.8 数字示波器 一、数字示波器的组成原理 数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage 6.8 数字示波器 数字示波器通常称为数字存储示波器(Digital Storage Oscilloscope，缩写 DSO)。 一、数字示波器的组成原理 1.模拟+数字存储示波器 输入 放大器 同步 放大 逻辑控 制电路 Y输出 X输出 扫描 发生器 模拟 滤 波 D/A A/D RAM 数字 Y 图6.38 模拟＋数字存储示波器框图 显示器 这示波器，其实时带宽为20或40MHz，最大采样 率为10MS/s或25MS/s。

2.单处理器数字示波器 RAM CPU ROM GPIB I/O D/A A/D X Y 放大 触发信号 X通道 Y通道 CRT 取样门 取样通道 与保持 Ux Uy 图6.39 数字储示波器框图 被测信号 ui 其他 命令 或用软件完成

Ui 读出数字量 锁存及D/A变换 t us Ux U1s 图6.41 数字存储示波器的读出显示过程 A/D变换及存储 存储数字量 图6.41 数字存储示波器的读出显示过程 图6.40 数字存储示波器的采样存储过程 RAM A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 地址 D0 D1 D2 D3 D12 D4 D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11 数据

3.多处理器数字示波器（用北京普源精电的示波器来说明）

力科（ LeCroy ）的产品，更突出了数字处理和软件的功能。 现代数字示波器在向功能模块化发展，通常一台数字示波器可由4大功能模块组成，即捕获、观察、测量与分析）和归档。 可见，现代数字示波器中软件数据处理已占很大的比重了。 美国力科公司是世界3大示波器厂商之一，主要做高端产品。 显示 显示处理器 RAM 放大器 触发器 存储器 采集 A / D 数字处理器 连接到 计算机打印机 的数据总线 协处理器 操作系统 应用软件 ＆ 可存储到 IC存储卡 软盘 硬盘 输入信号 4 归档 1 采集 3 测量与分析 2 显示 图6.43 LeCroy数字示波器工作原理简图