信号的时域、频域与数据域测试技术

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,时域频域概念,通用示波器的原理,本章重要内容,本章其余内容,频谱分析仪,逻辑分析仪,11/28/2024,1,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。,11/28/2024,2,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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。,1、信号,11/28/2024,3,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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,。,2、时域分析,11/28/2024,4,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。,f,0,2f,0,3f,0,4f,0,A,n,f,频率成分,频率幅值,图 一个周期信号的频谱,11/28/2024,5,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。,11/28/2024,6,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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。,二、信号的时域分析与频域分析的关系,频域平面,时域平面,频域,（不显示负向变换）,时域,频域,11/28/2024,7,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）,11/28/2024,8,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：,C,0,=,A,0,或：,满足狄里赫利条件：,在一个周期里连续或只有有限个第一类间断点,在一个周期里只有有限个极大值和极小值,积分 存在,11/28/2024,9,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。,11/28/2024,10,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3-1,11/28/2024,11,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。,11/28/2024,12,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。,11/28/2024,13,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,11/28/2024,14,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,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。,电信号变化为光信号的转换器。,11/28/2024,15,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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G,1,和G,2,和阳极A,1,、A,2,组成。,通过调节G,1,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A,1,的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G,2,与A,1,和A,1,与A,2,之间的电位；调节A,2,电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,灯丝F,阴极K,栅极G,1,、,G,2,阳极A,1,、A,2,1、电子枪,11/28/2024,16,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,电子束聚焦的原理：电子从阴极K发射，经G,1,、G,2,、A,1,、A,2,聚焦和加速后进入偏转系统。,电子在电子枪中的运动轨迹,几个重要电位关系：,U,G1,U,A1,；U,G2,U,G1,；U,A2,U,A1,U,K,E,加速,加速,11/28/2024,17,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。,11/28/2024,18,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。,11/28/2024,19,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,l,Y,d,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；U,A2,为阳极A,2,上的电压;U,Y,偏转板间电压。,偏转距离：,Y轴偏转灵敏度：,电偏转原理,11/28/2024,20,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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,U,A2,，,提高灵敏度，但,U,A2,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,A,3,。,弯折偏转结构：,增加电子束偏转角,电子束,11/28/2024,21,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？,11/28/2024,22,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）U,x,、U,y,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：U,y,为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；U,y,为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。,11/28/2024,23,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：U,x,为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；U,x,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。,11/28/2024,24,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：,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。,11/28/2024,25,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。,11/28/2024,26,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。,11/28/2024,27,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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。,（4）显示任意两个变量之间的关系,11/28/2024,28,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,。,11/28/2024,29,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,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。,锯齿波,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。,11/28/2024,30,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,u,Y,周期：T,Y,u,X,周期：T,X,T,Y,u,X,u,Y,共同作用下，亮点轨迹正好是一条与u,Y,相同的正弦曲线。,X大小可代表时间的长短。,11/28/2024,31,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,（1）T,x,=nT,y,(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。,n=2,如果扫描电压周期T,x,与被测电压周期T,y,保持T,x,=nT,y,的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”。,3、同步的概念,11/28/2024,32,第三章 信号的时域、频域与数据域测试技术,（2）T,x,nT,y,(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的波形不稳定。,11/28/2024,33,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。,