第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

第三章信号的时域、频域与数据域测试技术 本章重要内容 • 时域频域概念 • 通用示波器的原理本章其余内容 • 频谱分析仪 • 逻辑分析仪第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

3.1 信号时域与频域的关系一、信号的时域分析与频域分析 • 信号是信息的载体和具体表现形式，信息需转化为传输媒质能够接受的信号形式方能传输。广义的说，信号是随着时间变化的某种物理量。只有变化的量中，才可能含有信息。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

1、信号 • 信号的描述通常以时间为自变量，表示为随时间变化的函数。 • 信号可分为连续信号和离散信号两种结构。 • 在实际的物理系统中，信号还可以分为确定性信号和随机信号。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

2、时域分析 • 对信号的传统分析方法是波形分析。 • 表示信号的时间函数，包含了信号的全部信息量，信号的特性首先表现为它的时间特性。 • 可以显示，例如信号幅值对应的时间；同一形状的波形重复出现的周期长短；信号波形本身变化的速率（如脉冲信号的脉冲持续时间及脉冲上升和下降边沿陡直的程度）。 • 以时间函数描述信号的图象称为时域图，在时域上分析信号称为时域分析。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

3、频域分析 • 频域分析也称为频谱分析，是指对信号在频率域内进行分析。分析的结果是以频率为坐标的各种物理量的谱线和曲线，可得到各种幅值谱、相位谱、功率谱和各种谱密度等。频率幅值 An 频率成分 f0 2f0 3f0 4f0 f 图一个周期信号的频谱第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。一般来说，时域的表示较为形象与直观，频域分析则更为简练，剖析问题更为深刻和方便。目前，信号分析的趋势是从时域向频域发展。然而，它们是互相联系，缺一不可，相辅相成的。时域分析与频域分析是对模拟信号的两个观察面。时域分析是以时间轴为坐标表示动态信号的关系；频域分析是把信号变为以频率轴为坐标表示出来。一般来说，时域的表示较为形象与直观，频域分析则更为简练，剖析问题更为深刻和方便。目前，信号分析的趋势是从时域向频域发展。然而，它们是互相联系，缺一不可，相辅相成的。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

频域（不显示负向变换）频域平面时域平面二、信号的时域分析与频域分析的关系频域时域 • 信号的时域分析与频域分析既相互独立又密切相关。可以通过傅里叶变换把它们联系起来并互相转换。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

三、时域和频域下的信号分析 • 时域分析 • 信号时域分析（线性系统叠加原理） • 卷积积分的应用及其数学描述 • 频域分析 • 周期信号的频域分析(三角与指数傅立叶级数） • 非周期信号的频域分析（傅立叶积分） • 信号在频域与时域之间的变换（正反傅立叶变换式）第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

周期信号f(t)=f(t+kT)，T：信号周期，展开为傅立叶级数：周期信号f(t)=f(t+kT)，T：信号周期，展开为傅立叶级数：满足狄里赫利条件： ①在一个周期里连续或只有有限个第一类间断点 ②在一个周期里只有有限个极大值和极小值 ③积分存在或： C0=A0 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

物理意义： • 一个周期信号可以分解为直流分量和一系列谐波分量。或者说，一个周期信号由一个直流分量和一系列谐波分量叠加成。 • 一般的电信号都可以展开为傅立叶级数。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

常见信号波形图及频谱书p56 表3-1 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

3.2 通用示波器的组成及分类 • 前言 • 示波器是一种用途广泛的电子测量仪器，用它能直接观察电信号的波形，也能测定电压信号的幅度、周期和频率等参数。用双踪示波器还可以测量两个信号之间的时间差或相位差。凡是能转化为电压信号的电学量和非电学量都可以用示波器来观测。借助示波器可以直观地“看到”电路各点的状态。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

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。 • 模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

一、通用示波器基本组成 • 示波器是利用示波管内电子射线的偏转，在荧光屏上显示出电信号波形的仪器。基本组成部分：示波管、X轴放大器、Y轴放大器、扫描发生器（锯齿波发生器）、触发同步和电源第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

二、波形显示原理（一）示波管 电信号变化为光信号的转换器。 • CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

灯丝F 阴极K 栅极G1、G2 阳极A1、A2 1、电子枪 • 电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成。 • 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。 • 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

E 加速加速 电子在电子枪中的运动轨迹 • 电子束聚焦的原理：电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。 几个重要电位关系： UG1<UK；UG2>UA1；UG2>>UG1；UA2>UA1>>UK 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

2、偏转系统 • 示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板。 • 当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。 • 为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

 电偏转原理 • 由阴极热激发的电子经第二阳极加速后，在到达荧光屏之前，还要经过由水平偏转极板和垂直偏转极板所围成的空间。在偏转极板上加上几十伏特的偏转电压。当电子穿过偏转极中间时，由于受电场力的作用而使电子束偏离直线。偏转电压越大，电场力越大，荧光屏上的亮点偏离荧光屏中心越远——电偏转原理。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

Y d l 电偏转原理偏转距离： Y轴偏转灵敏度：其中： l为偏转板的长度；L为偏转板中心到屏幕中心的距离；d为偏转板间距；UA2为阳极A2上的电压;UY偏转板间电压。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

电子束 结论： • 电子束偏转距离与外加偏转电压成正比; • 偏转灵敏度越大(值越小)，示波管越灵敏。但与被测电压无关。 • 增加l、L，减小d，都可以提高偏转灵敏度。 • 减小UA2，提高灵敏度，但UA2低，亮点辉度变弱。为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3。弯折偏转结构：增加电子束偏转角第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

3、荧光屏 • 荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分。 • 在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗。 • 当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余辉效应”。 考虑：观察高频信号和缓慢变化的信号分别适用哪种余辉时间的示波管？第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

(二)波形显示的基本原理 1．显示随时间变化的图形（1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：光点出现在荧光屏的中心位置。光点仅在垂直方向偏移：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

光点仅在水平方向偏移：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。光点仅在水平方向偏移：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移。当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况： a）仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

b)仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。b)仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

（3）Y偏转板加正弦波信号电压，X偏转板加锯齿波电压，荧光屏上将显示出被测信号随时间变化的一个周期的波形曲线。 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

（4）显示任意两个变量之间的关系 • 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，在相位和频率测量中常会用到。若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

锯齿波 2、扫描的概念 • 图中电子束的运动轨迹是1-2-3-4-5-6。到达6后由于x方向所加的电压突然回到零，因此电子束将由6快速回到初始位置1。电子束的这种运动称为扫描。 • 通常将1-6的运动称为扫描正程；将6迅速返回1称作扫描逆程，逆程的光迹为连结6-1之间的线段。 • 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

uY周期：TY • uX周期：TX ＝TY • uX uY共同作用下，亮点轨迹正好是一条与uY相同的正弦曲线。  X大小可代表时间的长短。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

3、同步的概念 （1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形。如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。 n=2 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

（2）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。 第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

三、电子示波器的分类 • 通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器。 • 多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。 • 取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。 • 记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。 • 专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器。第三章信号的时域、频域与数据域测试技术

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