电子测量与仪器PPT教学课件-第6章 时域测量.ppt

6.1 时域测量引论 6.2 示 波 管 6.3 波形显示原理 6.4 通用电子示波器 6.5 取样技术在示波器中的应用 6.6 数字示波器,第6章 时域测量,6.1 时域测量引论,电子示波器简称示波器。它是 一种用荧光屏显示电量随时间变化 过程的电子测量仪器。它能把人的肉眼无法直接观察的电信号，转换成人眼能够看到的波形，具体显示在示波屏幕上，以便对电信号进行定性和定量观测，其它非电物理量亦可经转换成为电量使用示波器进行观测，示波器是一种广泛应用的电子测量仪器，它普遍地应用于国防、科研、学校以及工、农、商业等各个领域。,6.1.1电子示波器的功用,612 示波器的分类,当前常用的示波器按技术原理可分为： 模拟式 数字式,从性能上按示波器的带宽可分为： 中、低档示波器，带宽在60mhz以下； 高档示波器，带宽在60mhz以上，大多在300mhz以下。 更高档的带宽已达12ghz。,电子示波器的主要用途是： 观测电信号波形。 测量电压电流的幅度、频率、时间、相位等电量参数。 显示电子网络的频率特性。 显示电子器件的伏安特性。,613 示波器的组成,图6.2 示波器的基本组成,6.2 示 波 管,一、电子枪， 电子枪由灯丝(f)、阴极(k) 、第一栅极(g1)、第二栅极（前加速极）(g2)、第一阳极(a1)、第二阳极(a2)和第三阳极(a3)组成。 灯丝f在交流低压(如63v)下，使钨灶烧热，用于加热阴极。 阴极k是个表面涂有氧化钡(其逸出功小，内部自由电子容易逸出)的金属圆筒，在灯丝加热作用下，温度升高，就能发射电子。 第一栅极g1是一个端面带有圆孔(电子可以通过)的无底圆筒，套于阴极之外。栅极g1电位比阴极k低。,第二栅极g2是一个较长的圆筒，通常与第二阳极a2同电位，以使电子束具有较大的近轴性和速度。还有一个重要作用是，它隔离开g1和a1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。 第一阳极a1是一个短圆筒，口径较大，不阻挡电子，主要与第二阳极a2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 第二阳极a2是个更大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与a1构成电子透镜。电子透镜的机理与光学透镜相似，是通过改变电位来改变电场分布的，使电场等位面的曲率改变。从而改变电子流的方向，达到聚焦的目的。通常a2的电位是生产厂家调节好的，置于示波器机箱内；而a1的电位器旋钮置于机箱面板上，供使用者调节聚焦用。,g2、 a1、 a2构成一个对电子束的控制系统。这三个极板上都加有较高的正电位，并且g2与a2相连。穿过栅极交叉点f1的电子束，由于电子间的相互排斥作用又散开。进入g2、 a1、 a2 构成的静电场后，一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动，另一方面由于a1与g2、a1与a2形成的电子透镜的作用向轴线聚拢，形成很细的电子束。如果电压调节得适当，电子束恰好聚焦在荧光屏s的中心点f2处。 第三阳极a3位于荧光屏附近，具有上万伏的高压。用于对电子束加速,二、偏转系统 1静电偏转,比例系数hy称为示波管的偏转因数，单位为cm/v dy=1/hy，称为示波管的偏转灵敏度，单位为v/cm。,2磁偏转,磁偏转系统的结构,623 荧光屏 示波管正面内壁涂的一层荧光物质，将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在荧光屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间。不同荧光材料，余辉时间不样，小于10ms的为极短余辉，10ms1ms为短余辉(通常为蓝色，便于摄影感光)，1ms0.1s为中余辉(通常为绿色，眼睛不易疲劳)，0.11s为长余辉，大于1s为极长余辉(通常为黄色)。,63 波形显示原理,631 显示随时间变化的图形,1光点扫描显示原理,2信号与扫描电压的同步,tn=2ts,3连续扫描和触发扫描,(1)选择tn=ts,(2)选择tn=t,触发扫描的特点是：只有在被测脉冲到来时才扫描一次，,632 显示两个变量之间的关系,图611 用示波器显示射极输出器的跟随特性,6.4 通用电子示波器,6.4.1 通用示波器的组成,642 示波器的y(垂直)通道 垂直通道的任务是检测被观察的信号，并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转极板y上。同时，为了与水平偏转系统配合工作，要将被测信号进行一定的延迟。为了完成上述任务，垂直偏转系统由探头、输入衰减器、y前置放大器、延迟线和y输出放大器组成。,1探头 1)无源电压探头,r电缆的总电阻应适当，典型数值为400左右。 r电缆实际上是一种分布式电阻电容网络，其电容数值为2030pf/rn,2)有源电压探头,源极跟随器式有源探头的基本电路,3)电流探头,2 输入衰减器 由于经常需要观察幅度较小的电压波形，示波器的灵敏度设计得较高，但当需要观察幅度较大的信号时，就必须接入衰减器。 对衰减器的要求是输入阻抗高，同时在示波器的整个通频带内衰减的分压比均匀不变。要达到这个要求，仅用简单的电阻分压是达不到目的的。因为在下一级的输入及引线都存在分布电容，这个分布电容的存在，对于被测信号高频分量有严重的衰减，造成信号的高频分量的失真(脉冲上升时间变慢)。为此，必须采用图6.17所示的阻容补偿分压器，,图617 输入衰减器原理示意图,3延迟线 当示波器工作在“内”触发状态时，利用垂直通道输入的被测信号去触发水平偏转系统产生扫描电压波，从接受触发到开始扫描需要一小段时间，这样就会出现被测信号到达y偏转板而扫描信号尚未到达x偏转板的情况，为了正确显示波形，必须将接入y通道的被测信号进行一定的延迟，以便与水平系统的扫描电压在时间上相匹配。通常延迟时间在50200ns之间，这个延迟准确性要求不高，但延迟应稳定，否则会导致图像的水平漂移和晃动。,对延迟线的基本要求是:它只起延迟作用，在垂直系统的工作频带内，它能够无失真地并有一定延时地传递信号。,4垂直偏转放大器 被测信号经探头检测引入示波器后，微弱的信号必须通过放大器放大后加到示波器的垂直偏转板，使电子束有足够大的偏转能量。y放大器应该有稳定的增益，较高的输入阻抗，足够宽的频带和对称输出的输出级。 通常，把y放大器分成前置放大器和输出放大器两部分。前置放大器的输出信号一方面引至触发电路,作为同步触发信号；另一方面经过延迟线延迟以后,引至输出放大器。这样，即可使加在y偏转板上的信号比同步触发信号滞后一定的时间，保证在显示屏上可看到被测脉冲的前沿。,643 示波器的x(水平)通道 水平偏转通道即x通道，其作用是产生一个与时间呈线性关系的电压，并加到示波管的x偏转板上去，使电子射线沿水平方向线性地偏移，形成时间基线。 示波器的x通道上要由扫描发生器环、触发电路和x放大器组成。,1触发电路 触发电路包括触发源选择、触发信号耦合方式选择、触发电平与触发极性的选择。 (1)触发源 触发信号有三种来源： 内触发。内触发信号来自于示波器内的y通道触发放大器，它位于延迟线前。当需要利用被测信号触发扫描发生器时，采用这种方式。,外触发。用外接信号触发扫描，该信号由触发“输入”端接入。当被测信号不适于作触发信号或为了比较两个信号的时间关系等用途时，可用外触发。 电源触发。来自50hz交流电源(经变压器)产生的触发脉冲，用于观察与交流电源频率有时间关系的信号。例如，整流滤波的纹波电压等波形，在判断电源干扰时也可以用它。,(2)触发耦合方式 为了适应不同的信号频率，示波器设有四种触发耦合方式，可用开关进行选择。 “dc直流耦合。用于接入直流或缓慢变化的信号，或者频率较低并且有直流成分的信号，一般用“外”触发或连续扫描方式。 “ac交流耦合。触发信号经电容c1接入，用于观察由低频到较高频率的信号，用内触发或外触发均可。使用方便，所以常用这一耦合方式。,“ac低频抑制”。触发信号经电容c1及c2接入，电容量减小，阻抗较大，用于抑制 2khz以下的低频成分。例如观测有低频干扰(50hz噪声)的信号时，用这一种耦合方式较合适，可以避免波形晃动。 “hf”高频耦合。触发信号经电容c1及c3接入，电容量较小，用于观测大于5mhz的信号。,(3)触发电平及触发极性选择 其作用是让使用者可以选定在被测信号波形的某一点上产生触发脉冲，也就是可以自由选定从信号的某一点开始观测。,2扫描器发生环 扫描器发生环又叫时基电路，由扫描门、积分器及比较和释抑电路组成，如图所示。,1）扫描门 时基闸门电路是一个典型的施密特电路，它是双稳态触发电路。,2)积分器,图6 23 密勒积分器,在示波器中，把积分器产生的锯齿波电压送入x放大器加以放大，再加至水平偏转板。由于这个电压与时间成正比，就可以用显示屏上的水平距离代表时间。定义显示屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度ss(t/cm)。则,3)比较和释抑电路,图624 比较和释抑电路示意图,要明确3个时刻、3个时间、1个关系：th tb。,图6 26 在连续扫描情况下，比较和释抑电路的工作,3x放大器,连续扫描,644 示波器的多波形显示,多线显示、多踪显示和双扫描显示等,645 通用示波器的应用,1通用示波器的主要技术指标,1)带宽，上升时间,上升时间是在y通道输入端加一个理想的阶跃信号，显示屏上显示波形从稳定幅度的10上升到90所需的时间。,2)扫描速度,扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。,扫描速度是光点的水平移动速度，单位是cm/s或div/s,扫描速度的倒数称为时间因数，它相当于光点移动单位长度(cm或div)所需的时间,一般要求时间因数的误差要小于10。,3)偏转灵敏度,偏转灵敏度dy反映示波器观察微弱信号的能力。,指在单位输入信号作用下，光点在屏幕移动1cm或1div所需的电压，单位为mv/cm或m/jdiv。,dy的倒数叫偏转因数,4)输入阻抗,5)扫描方式,6)触发特性,此外，还有校准信号(频率、幅度)、额定电源电压、功率消耗、外型尺寸、连续工作时间等技术指标。,2通用示波器的选用原则,上升时间tx=0,bw=100mhz,tr=0.35/100=3.5ns,tx=10ns,屏幕上看到的上升时间trx为,则被测信号的上升时间,通常要求选用的示波器上升时间要小于被测脉冲信号上升时间35倍,3 通用示波器的基本测量方法,1)电压的测量,(1)直接测量法,(2)比较测量法,(3)位移法,2)时间的测量,(1)直接测量法,(2)时标法,(3)位移法,3)相位的测量,(1)线性扫描法,(2)李萨如图形法测相位(椭圆法),图6 38 李萨如图形测相位示意图,65 数字示波器,651 数字示波器的组成原理,1模拟+数字存储示波器,2单处理器数字示波器,3多处理器数字示波器,1)模拟部分,2)采集处理器,3)波形翻译器,4)主微处理器,652 信号的采集处理技术,1早期数字示波器的缺点,1)屏幕更新率低,2)有混迭失真,2采样方式,1)实时采样,2)随机采样,3)顺序采样,非实时采样,3采样速率,用采样次数描述，表示单位时间内采样的次数，如20ms/s(20106次秒)。,用采样频率描述，如20mhz。,用信息率描述，表示每秒储存多少位(bit)的数据。如每秒储存160兆位(160mbs)的数据,4采集器件,1)并联比较式a/d转换器,图652 两路组合采集原理框图,2)ccd+a/d技术,图653 ccd+a/d组合采集原理图,图 644 采样存储器的结构形式,6触发功能,5采样存储器,7采样速率与记录长度,8有效比特分辨率,653 波形显示技术,2数据点插入技术(插值技术),1点显示技术,1)矢量式显示(线性插入),2)正弦内插,3)改进型正弦插入,4) 插入,3有效存储带宽,4显示屏幕,654 技术性能指标,1带宽(bw),2上升时间(risetime),3垂直灵敏度(vertical deletion coefficient),4垂直灵敏度误差,5垂直分辨率(vertical resolution),6采样速率(sample rate),7记录长度,8扫速,9扫速误差,10水平(时间间隔)分辨率(horizontal resolution),11触发灵敏度(trigger sensitivity),12触发晃动(trigger jitter),655 基本功能,1自动刻度(auto scan),2存储调出(s