示波器探秘之信号篇

示波器本质上是一种图形显示设备,它描绘电信号的图形曲线。在大多数应用中,呈现的图形能够表明信号随时间的变化过程:垂直(Y)轴表示电压,水平(X)轴表示时间。有时称亮度为Z 轴。(参看图2。)这一简单的图形能够说明信号的许多特性,例如:信号的时间和电压值振荡信号的频率信号所代表电路的“变化部分”信号的特定部分相对于其他部分的发生频率是否存在故障部件使信号产生失真信号的直流值 (DC) 和交流值 (AC)信号的噪声值和噪声是否随时间变化


**理解波形和波形的测量**

通常把随时间重复的模式称为波,声波、脑电波、海浪、电压波形都具有重复的特点。示波器测量的是电压波形。波的周期是波动重复的部分。波形是波的图形表现形式。电压波形描述水平方向的时间和垂直方向的电压。
波形能够揭示信号的许多特性。当看到波形的高度变化,则表示电压值在变化。当看到的是平坦的水平线,则表示在一段时间内,信号没有变化。平直斜线表示线性变化,电压以恒定的斜率上升或下降。波形中的尖角指示的是突然的变更。图3提供出普通波形图,而图4展示出这些普通波形的来源。
**波的类型**

大多数波都属于如下类型:正弦波方波和矩形波三角波和锯齿波阶跃波和脉冲波周期和非周期信号同步和异步信号复杂波正弦波

有几个原因说明正弦波是基本波形。它具有和谐的数学特性,这与您高中在三角学课程中学习到的正弦函数曲线的形状一样。房间墙角的电源出口输出的电压值也如同正弦波那样变化。信号发生器振荡电路产生的测试信号通常就是正弦波。大多数AC电源产生的是正弦波。(AC表示的是交流,实际上电压值也在改变。DC表示的是直流,同时意味着稳定的电流和电压,电池产生的就是DC。)衰减的正弦波是振荡电路产生的特殊实例,它随时间而衰减。图5是正
弦波和衰减的正弦波的示例。
**方波和矩形波**

方波是另一种常见的波形。从本质上看,方波是以相同的时间间隔,不停开关的电压(或者不断为高低值)。它是测试放大器的标准波形,好的放大器在增加方波幅值的同时有最小的失真。电视、广播和计算机电路中经常使用方波作为定时信号。

矩形波与方波类似,不同之处在于高低电压值的间隔时间并不等长。在分析数字电路时,矩形波非常有用。图6 是方波和矩形波的示例。

**锯齿波和三角波**

锯齿波和三角波来源于线性控制电压的电路。例如,模拟示波器的水平扫描,或者电视的光栅扫描。这类波形以恒定速率对电压电平值进行转换。这些渐增过程称为斜坡信号。图7 是锯齿波和三角波的示例。
**同步信号和异步信号**

如果二信号之间具备定时关系,则称它们是同步的。举例来说,计算机中的时钟、数据和地址信号就是同步信号。异步用来说明信号之间没有定时关系。比如说,接触计算机键盘的行为和计算机内部的时钟之间没有时间的关联,两者可被认为是异步的。

**复杂波**

一些波形组合正弦波、方波、阶跃波和脉冲的特性,形成新的波形,对于许多示波器来说是一种考验。信号的信息可以置入幅值、相位中,可能还置入频率变量当中。例如,图9表示的是平常的复合视频信号,但是在低频包络里也置入了许多高频波形周期。对于这个例子,理解各处的相对电平和定时关系是非常重要的。为了观察这样的信号,需要用示波器来捕获低频包络,并以一定的亮度级表示复杂高频波形。如此一来,就可以观察到整个混合图象,方便直观地进行解释说明。对于如图9所示的视频信号,模拟和数字的荧光示波器非常适合观察这样的复杂波形。显示器提供必要的发生频率的信息,或者亮度等级,这些对理解波形的实际特性颇为重要。
**波形测量**

使用示波器时有许多测量参数。本小节将对一些常见的测量参数进行说明。

**频率和周期
**
不断重复的信号具有频率特性。频率的单位是赫兹(Hz),表示一秒时间内信号重复的次数。成为周期每秒。重复信号也具有周期特性,即信号完成一个循环所需要的时间量。周期和频率互为倒数关系,即1/ 周期等于频率,同理1/ 频率等于周期。例如,如图10 所示,该正弦信号的频率是3Hz,而周期是1/3 秒。
**电压**

电压是电路两点间的电势能或信号强度。有时把地线或零电压作为参考点。如果测量的是波形从最高峰值到最低峰值的电压值,则称为电压的峰值- 峰值。

**幅度**

幅度是指电路两点间电压量。幅度通常指被测信号以地或零电压为参考时的最大电压。图11 所示的波形的幅度为1V,而电压的峰值- 峰值为2V。
**相位**

参照正弦波很容易理解相位。正弦波的电压值是基于圆形运动的。参照图11,一个圆的度数是360°,而正弦波的一个周期也是360°。为描述经过的周期数,可以参照正弦波的相位的角度。相移用来描述两个不同相似信号在时间上的差值。图12中,标号为“电流”的波形比标号为“电压”的波形超前90°,因为两者到达同一点刚好相差1/4 周(360o/4 = 90°)。在电子学中,相移比较普遍。
**利用数字示波器对波形进行测量**

现代的数字示波器使波形测量变得更为容易。通过前面板按钮,以及基于屏幕的菜单,方便选择全自动的测量参数。包括幅值、周期、上升/下降时间,等等。许多数字仪器也能提供均值和均方值的计算、占空比和其他数学运算。自动化测量通过屏幕读取数值。一般来说,读取的数值可能比直接利用有刻度的工具更为准确。
一些数字荧光示波器用到的全自动波形测量参数有:周期频率宽度+宽度-上升时间下降时间幅度消光率平均光功率占空比+占空比-延迟相位突发宽度峰值-峰值均值周期均值周期区高低最小值最大值过冲+过冲-均方值周期均方值
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