第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術

時域頻域概念通用示波器的原理本章重要內容本章其余內容頻譜分析儀邏輯分析儀1/16/20231第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術3.1信號時域與頻域的關系

一、信號的時域分析與頻域分析信號是信息的載體和具體表現形式，信息需轉化為傳輸媒質能夠接受的信號形式方能傳輸。廣義的說，信號是隨著時間變化的某種物理量。只有變化的量中，才可能含有信息。1/16/20232第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術信號的描述通常以時間為自變量，表示為隨時間變化的函數。信號可分為連續信號和離散信號兩種結構。在實際的物理系統中，信號還可以分為確定性信號和隨機信號。1、信號1/16/20233第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術3、頻域分析頻域分析也稱為頻譜分析，是指對信號在頻率域內進行分析。分析的結果是以頻率為坐標的各種物理量的譜線和曲線，可得到各種幅值譜、相位譜、功率譜和各種譜密度等。f02f03f04f0Anf頻率成分頻率幅值圖一個周期信號的頻譜1/16/20235第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術時域分析與頻域分析是對模擬信號的兩個觀察面。時域分析是以時間軸為坐標表示動態信號的關系；頻域分析是把信號變為以頻率軸為坐標表示出來。一般來說，時域的表示較為形象與直觀，頻域分析則更為簡練，剖析問題更為深刻和方便。目前，信號分析的趨勢是從時域向頻域發展。然而，它們是互相聯系，缺一不可，相輔相成的。1/16/20236第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術信號的時域分析與頻域分析既相互獨立又密切相關。可以通過傅里葉變換把它們聯系起來并互相轉換。二、信號的時域分析與頻域分析的關系頻域平面時域平面頻域（不顯示負向變換）時域頻域1/16/20237第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術周期信號f(t)=f(t+kT)，T：信號周期，展開為傅立葉級數：C0=A0

或：滿足狄里赫利條件：①在一個周期里連續或只有有限個第一類間斷點②在一個周期里只有有限個極大值和極小值③積分

存在1/16/20239第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術物理意義：一個周期信號可以分解為直流分量和一系列諧波分量。或者說，一個周期信號由一個直流分量和一系列諧波分量疊加成。一般的電信號都可以展開為傅立葉級數。1/16/202310第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術常見信號波形圖及頻譜書p56表3-11/16/202311第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術示波器的分類

根據示波器對信號的處理方式的不同可分為模擬、數字兩大類：1、模擬示波器——采用模擬方式對時間信號進行處理和顯示。2、數字示波器——對信號進行數字化處理后再顯示。模擬示波器可分為通用示波器、多束示波器、取樣示波器、記憶示波器和專用示波器等。1/16/202313第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術一、通用示波器基本組成示波器是利用示波管內電子射線的偏轉，在熒光屏上顯示出電信號波形的儀器。基本組成部分：示波管、X軸放大器、Y軸放大器、掃描發生器（鋸齒波發生器）、觸發同步和電源1/16/202314第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術二、波形顯示原理

（一）示波管CRT主要由電子槍、偏轉系統和熒光屏三部分組成，基本結構如下圖所示。

電信號變化為光信號的轉換器。1/16/202315第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術電子束聚焦的原理：電子從陰極K發射，經G1、G2、A1、A2聚焦和加速后進入偏轉系統。

電子在電子槍中的運動軌跡

幾個重要電位關系：UG1<UK；UG2>UA1；UG2>>UG1；UA2>UA1>>UKE加速加速1/16/202317第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術2、偏轉系統示波管的偏轉系統由兩對相互垂直的平行金屬板組成，分別稱為垂直偏轉板和水平偏轉板。當有外加電壓作用時，偏轉板之間形成電場；在偏轉電場作用下，電子束打向由X、Y偏轉板共同決定的熒光屏上的某個坐標位置。為了示波器有較高的測量靈敏度，Y偏轉板置于靠近電子槍的部位，而X偏轉板在Y的右邊。1/16/202318第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術電偏轉原理由陰極熱激發的電子經第二陽極加速后，在到達熒光屏之前，還要經過由水平偏轉極板和垂直偏轉極板所圍成的空間。在偏轉極板上加上幾十伏特的偏轉電壓。當電子穿過偏轉極中間時，由于受電場力的作用而使電子束偏離直線。偏轉電壓越大，電場力越大，熒光屏上的亮點偏離熒光屏中心越遠——電偏轉原理。1/16/202319第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術結論：電子束偏轉距離與外加偏轉電壓成正比;偏轉靈敏度越大(值越小)，示波管越靈敏。但與被測電壓無關。增加l、L，減小d，都可以提高偏轉靈敏度。減小UA2，提高靈敏度，但UA2低，亮點輝度變弱。為提高Y軸偏轉靈敏度，可在偏轉板至熒光屏之間加一個后加速陽極A3。彎折偏轉結構：增加電子束偏轉角電子束1/16/202321第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術3、熒光屏熒光屏將電信號變為光信號，是示波管的波形顯示部分。在使用示波器時，應避免電子束長時間的停留在熒光屏的一個位置，否則將使熒光屏受損。因此在示波器開啟后不使用的時間內，可將“輝度”調暗。當電子束停止轟擊熒光屏時，光點仍能保持一定的時間，這種現象稱為“余輝效應”。考慮：觀察高頻信號和緩慢變化的信號分別適用哪種余輝時間的示波管？1/16/202322第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術(二)波形顯示的基本原理1．顯示隨時間變化的圖形（1）Ux、Uy為固定電壓時，有下面四種情況：光點出現在熒光屏的中心位置。

光點僅在垂直方向偏移：Uy為正電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向上移；Uy為負電壓時，光點從熒光屏的中心往垂直方向下移。

1/16/202323第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術（2）X、Y偏轉板上分別加變化電壓，有下面兩種情況：a）僅在垂直偏轉板的兩板間加正弦變化的電壓，則光點只在熒光屏的垂直方向來回移動，出現一條垂直線段。1/16/202325第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術b)僅在水平偏轉板的兩板間加鋸齒電壓，則光點只在熒光屏的水平方向來回移動，出現一條水平線段。1/16/202326第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術（3）Y偏轉板加正弦波信號電壓，X偏轉板加鋸齒波電壓，熒光屏上將顯示出被測信號隨時間變化的一個周期的波形曲線。1/16/202327第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術若兩信號的初相相差90度，且在X、Y方向的偏轉距離相同，在熒光屏上畫出的圖形為圓。1/16/202329第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術2、掃描的概念圖中電子束的運動軌跡是1-2-3-4-5-6。到達6后由于x方向所加的電壓突然回到零，因此電子束將由6快速回到初始位置1。電子束的這種運動稱為掃描。通常將1-6的運動稱為掃描正程；將6迅速返回1稱作掃描逆程，逆程的光跡為連結6-1之間的線段。鋸齒波光點在鋸齒波作用下掃動的過程稱為“掃描”，能實現掃描的鋸齒波電壓稱為掃描電壓。1/16/202330第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術uY周期：TYuX周期：TX＝TYuXuY共同作用下，亮點軌跡正好是一條與uY相同的正弦曲線。X大小可代表時間的長短。1/16/202331第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術（1）Tx=nTy(n為正整數)：熒光屏上將穩定顯示n個周期的被測信號波形。n=2如果掃描電壓周期Tx與被測電壓周期Ty保持Tx=nTy的關系，則稱掃描電壓與被測電壓“同步”。

3、同步的概念1/16/202332第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術（2）Tx≠nTy(n為正整數)，即不滿足同步關系時，顯示的波形不穩定。1/16/202333第三章信號的時域、頻域與數據域測試技術三、電子示波器的分類通用示波器采用單