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1、精选学习资料 - - - - - - - - - 7.4 取样示波器本节要求：（1）把握取样的基本概念；（2）把握取样示波器的组成及其垂直通道水平通道的工作原理；（3）明白取样示波器的基本参数；7.4.1 概述1取样的基本概念取样就是从被测波形上取得样点的过程；取样分为实时取样和非实时取样两种；从一个信号波形中取得全部取样点,来表示一个信号波形的方法称为实时取样；从被测信号的很多相邻波形上取得样点的方法称为非实时取样,或称为等效取样；输入信号Vi tt取样脉冲pt取样信号Vott图 7-27 实时取样示意图输入信号1mT2t33 t44 t52 t取样脉冲取样信号sTmTtt经放大和延长电路后
2、的信号（显示波形）t图 7-28 非实时取样示意图2取样原理在取样技术中, 取样保持器是核心电路, 取样保持器在原理上可等效为一个取样开关（取样门）和保持电容的串联；输入信号ui t取样门Ruot输出信号S取样脉冲Cpt图 7-29 取样保持器的基本模型在 t=t1 时,取样脉冲 pt到来,取样门开关 S 闭合,输入信号 uit被取样,形成离散输出信号 uot,uot称为“ 取样信号”；如取样脉冲宽度 很窄,就可以认为每次取样所得离散的取样信号幅度就等于该次取样瞬时输入信号的瞬时值；依次类推,可取样点如干；名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 5 页精选学习资料 - - -
3、- - - - - - 两个取样脉冲的时间间隔为T s mT t 7-8 式中, T 为被测信号的周期； t 为步进推迟时间；m 为两个取样脉冲之间被测信号周期的个数（图中 m=1）；就所得的取样信号的包络可重现原信号波形,由于波形包络所经受的时间变长了,故可用低频示波器显示；步进间隔 t 与信号最高频率 fh 应满意取样定理1t2 f h 7-9 在实时取样条件下,以 t 为取样间隔,完成一个信号周期（T）的采样需 n 次,即T n t ；在非实时取样时,设每 m个信号周期取样一次,经过 n 次取样之后完成对信号的一次取样循环,那么,一次取样循环的时间 t 和信号周期 T 的关系为t n m
4、T t mn 1 T 7-10 即,非实时取样后得到的 n 个取样点形成的包络等效为原信号的一个周期,而这 n 个取样点来自于原信号的（mn+1）个周期,因而,取样后比原信号频率降低了（mn+1）倍；非实时采样只适用于周期性信号；随机采样也是经过如干个信号周期取得一组取样值,但取样不是次序进行,而是随机出现的, 取样时同时记录用样点显现的相对位置,这样在显示时才能依据不同的位置,确定信号的采样点,从而确定信号；3 显示原理连续周期信号经（非实时）取样后,得到一系列时间上离散的采样点（窄脉冲串）,并经放大和延长电路后保持,再通过 Y放大器施加到 Y偏转板, 荧光屏上将显示出一系列不连续的光点,当
5、这些光点足够密集时,就可观测到近似连续的波形；取样示波器中的水平扫描信号为阶梯波电压,阶梯连续时间mTt ,阶梯数对应屏幕上显示的不连续的光点数；对于随机取样,光点的显示也是依照取样的先后进行的,因而,扫描电压不是规章的阶梯波,而应当依据每个样点原先的位置分别扫描；输入信号1mT2t344 t5tY放大器输出t 2 t3 tX放大器输出mTt（扫描阶梯波电压）sT图 7-30 次序取样示波器的显示过程7.4.2 取样示波器的组成及工作原理1. 取样示波器的基本框图名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 至YY输入推迟线取样
6、电路Y延长门垂直偏转板放大器内触发电路步进脉冲扫描信号水平至X 偏转板外触发外发生器发生器放大器图 7-31 取样示波器的组成框图取样示波器主要由示波管、X 通道和 Y 通道组成；与一般示波器相比,主要差别是增加了取样电路和步进脉冲发生器；垂直 Y 通道由推迟线、延长门和Y 放大器等电路组成,最关键的电路是取样电路,它产生正比于取样值的阶梯电压；被测信号经推迟线送至取样门,在步进推迟的取样掌握下取样；取样信号经放大和脉冲延长后送到偏转放大器；水平 X 系统由触发电路、步进脉冲发生器、扫描信号发生器和X 放大器等电路组成；被测信号或外触发信号经触发电路产生所需的触发同步信号；该信号馈入步进脉冲发
7、生器,产生步进推迟脉冲；步进推迟脉冲送到垂直系统,掌握取样脉冲发生器和延长门掌握器,另外,步进推迟仍用于掌握水平扫描电路；每一个步进推迟脉冲送至阶梯波发生电路,产生阶梯电压； 阶梯波每上升一阶,示波管屏幕上隔肯定距离就显示一个光点,所以取样示波器屏幕上的扫描线是由断续的光点组成的,每两点相差一个阶梯电压；2. 取样示波器的垂直通道垂直通道中的取样电路产生正比于取样值的阶梯电压；取样门的种类很多,有单管门、平稳门、行波门和闭环取样电路等；闭环取样电路的组成框图如图 7-32 所示；反馈电路ui t取样门CsA延长门S2Cm+跟随器uotS1取样脉冲沟通延长门脉冲至Y放大器-放大器图 7-32 闭
8、环取样电路的组成框图闭环取样电路由取样门 S1、取样电容 Cs、沟通放大器 A、延长门 S2、保持电容 Cm、电压跟随器和反馈电路（设反馈系数为 ）组成；其中,保持电容 Cm 后面的电压跟随器是增益为 1 的高输入阻抗放大器,它的作用是使 Cm上的电压得以保持；第一个取样脉冲到来时,取样门闭合,输入的被测信号对取样电容 Cs 充电,充电的电压值为u cs Ku i 1 7-11 式中, ui1 为被测信号在 t1 时刻的瞬时电压值；K为取样门的传输函数；取样电容 Cs 上的电压送到沟通放大器 A 放大,在延长门闭合期间对保持电容 Cm充电,充电的电压值 ucm,也即是跟随器输出电压值 uo1为
9、u o 1 u cm KAu i 1 7-12 式中, A 为沟通放大器的增益；另一方面,保持电压经过反馈电路送回取样电容Cs,故取样电容Cs 上最终得到的电压为u csKAui17-13 式中, 为反馈电路的反馈系数；其次个取样脉冲到来时,取样门闭合,输入的被测信号与cs 上的电压 ui1 之差给取样名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 5 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电容 Cs充电,充电的电压值经过传递系数 信号叠加,得到 uo2为K 和增益 A 后,将在保持电容上与前一次的输出u o2KAu i1KA u i2u i1KAui2 7-14 式中,
10、 ui2 为被测信号在t 2 时刻的瞬时电压值；依次类推,取样电路的输出是由离散的、与被测信号成正比的阶梯波构成的；3. 取样示波器的水平通道 取样示波器的 X通道主要包括触发、放大、分频单元、快斜波发生器、比较器、阶梯波发生器和 X 放大器；最有特色的阶梯波发生器,主要用来产生每隔mT+ t 上升一级的阶梯波,产生形成取样和延长门的t 步进推迟脉冲,其组成如图7-33 所示；至取样门触发脉冲快斜波取样脉冲泵水平至X发生器发生器电压阶梯波偏转板发生器比较器发生器放大器图 7-33 步进脉冲发生器的原理框图触发脉冲由被测信号经m倍分频产生,用于启动快斜波发生器,使之输出快斜波；在电压比较器中,
11、快斜波与阶梯波发生器产生的阶梯波进行比较,当快斜波达到阶梯波的幅度时, 电压比较器的输出状态发生变化,此变化电压经脉冲形成电路形成脉冲；脉冲有两个作用： 一方面使取样脉冲发生器输出一个取样步进脉冲加到Y 通道, 打开 Y 通道的取样门对被测信号进行取样；另一方面驱动泵发生器使阶梯发生器的输出上升一个台阶；由于在取样过程中阶梯波不断逐阶提高,快斜波又具有良好的线性,以至每一次快斜波到达阶梯波高度的时刻都要比上一次推迟一段时间t ；触发脉冲mT快斜波、阶梯波步进推迟sTmTt3 t4123脉冲t2 t图 7-34 步进推迟脉冲产生的波形图从图 7-34 中可以看出,每个步进推迟脉冲相对于它自己的触
12、发脉冲而言,产生了不同的推迟,即推迟脉冲是步进推迟的；4. 取样示波器的主要参数（1）取样示波器的带宽对取样门的要求是元件的高频特性要足够好；取样脉冲本身要足够窄, ；当取样门所用元件工作频率足够高时,取样门的最高工作频率与取样脉冲底边的宽度 成反比；名师归纳总结 对于脉冲宽度为 的规章脉冲, 3dB 截止频率作为f3dB0.44；对于底宽为 的尖脉冲,第 4 页,共 5 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 3dB 截止频率为f3 dB0.64；因此,取样门的最高工作频率可表示为f3 dB0.44 0.64 7-15 式中, 为取样脉冲底宽；可见,取样
13、示波器的频带宽度与取样脉冲底边的宽度成反比；（2）取样密度取样密度是指电路扫描时,在示波器屏幕X 轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数,常用每厘米的光点数来表示；屏幕上的光点总数为n U sU s 7-16 式中, Us 为 X 方向最大偏转电压； U s为阶梯波每级上升的电压；n 为屏幕上的光点总数；（3）等效扫速 等效扫速定义为被测信号经受时间与水平方向展宽的距离比；在通用示波器中扫描速度为荧光屏每厘米代表的时间（t/cm）；在取样示波器中,虽然在屏幕上显示 n 个亮点需要 n（mT+ t）的时间,但它等效于被测信号经过了 n t 的时间；1 U st T FN U F 7-17 式中, Us为 X 方向最大偏转电压；N 为 X 轴偏转格数；U F / T 为快斜波的斜率；本节摸索题和习题1非实时取样示波器能否观看非周期性重复信号？能否观看单次信号？为什么？问示波器屏幕上显2已知方波的重复频率为20MHz,用带宽为f3dB=30MHz的示波器观测它,示的波形是否会有明显的失真？为什么？3试述取样示波器的基本原理；名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 5 页