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示波器信号波形的分析特性与应用

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

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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。

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示波器

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。

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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,模拟数字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。

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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。

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