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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 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 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。 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。 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。 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。 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) 周期信号f(t)=f(t+kT),T:信号周期,展开为傅立叶级数: 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。 常见信号波形图及频谱 书p56 表3-1 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。 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。 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。 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。 1、电子枪 ? 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。 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。 ? 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。 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。 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”。 (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: (2)X、Y偏转板上分别加变化电压,有下面两种情况: (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。 示波器两个偏转板上都加正
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