取样示波器.doc

7.4取样示波器
本节要求：
（1） 掌握取样的基本概念。
（2） 掌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） 了解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所有取样点，来表示一个信号波形的方法称为实时取样；从被测信号的许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。

图7-27 实时取样示意图

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。

图7-29 取样保持器的基本模型
在t=t1时，取样脉冲p(t)到来，取样门开关S闭合，输入信号ui(t)被取样，形成离散输出信号uo(t)，uo(t)称为“取样信号”。若取样脉冲宽度τ很窄，则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间输入信号的瞬时值。依次类推，可取样点若干。
两个取样脉冲的时间间隔为
(7-8)
式中，T为被测信号的周期；Δt为步进延迟时间；m为两个取样脉冲之间被测信号周期的个数（图中m=1）。则所得的取样信号的包络可重现原信号波形，因为波形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示。
步进间隔Δt与信号最高频率fh应满足取样定理
(7-9)
在实时取样条件下，以为取样间隔，完成一个信号周期（T）的采样需n次，即；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
(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。
随机采样也是经过若干个信号周期取得一组取样值，但取样不是顺序进行，而是随机出现的，取样时同时记录取样点出现的相对位置，这样在显示时才能根据不同的位置，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，当这些光点足够密集时，则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，阶梯持续时间，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，扫描电压不是规则的阶梯波，而应该根据每个样点原来的位置分别扫描。

图7-30 顺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

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。与普通示波器相比，主要差别是增加了取样电路和步进脉冲发生器。
垂直Y通道由延迟线、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。被测信号经延迟线送至取样门，在步进延迟的取样控制下取样。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生器，产生步进延迟脉冲。步进延迟脉冲送到垂直系统，控制取样脉冲发生器和延长门控制器另外，步进延迟还用于控制水平扫描电路。每一个步进延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，示波管屏幕上隔一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、平衡门、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。

图7-32 闭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、交流放大器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β）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
(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上的电压送到交流放大器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
(7-12)
式中，A为交流放大器的增益。
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
(7-13)
式中，β为反馈电路的反馈系数。
第二个取样脉冲到来时，取样门闭合输入的被测信号与cs上的电压ui1之差给取样电容Cs充电，充电的电压值经过传递系数K和增益A后，将在保持电容上与前一次的输出信号叠加，得到uo2为
(7-14)
式中，ui2为被测信号在t2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步进延迟脉冲，其组成如图7-33所示。

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，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升高一个台阶。
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。

图7-34 步进延迟脉冲产生的波形图
从图7-34中可以看出，每个步进延迟脉冲相对于它自己的触发脉冲而言，产生了不同的延迟，即延迟脉冲是步进延迟的。
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τ成反比。
对于脉冲宽度为τ的规则脉冲，3dB截止频率作为。对于底宽为τ的尖脉冲， 3dB截止频率为。
因此，取样门的最高工作频率可表示为
(7-15)
式中，τ为取样脉冲底宽。
可见，取样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
(7-16)
式中，Us为X方向最大偏转电压；ΔUs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历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+Δt）的时间，但它等效于被测信号经过了nΔt的时间。
(7-17)
式中，Us为X方向最大偏转电压；N为X轴偏转格数；为快斜波的斜率。
本节思考题和习题
1．非实时取样示波器能否观察非周期性重复信号？能否观察单次信号？为什么？
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，问示波器屏幕上显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。