电子测量仪器与应用(第3版)电子教案.ppt

电子测量仪器与应用 (第3版) 电子教案,主编 李明生 副主编 丁向荣 孙敏,中等职业学校电子信息类教材（电子技术专业）,课程目录,第1章 电子测量和仪器的基本知识 第2章 信号源 第3章 电子电压表 第4章 电子示波器 第5章 电子计数器 第6章 频域测量及其仪器 第7章 电子元器件参数及特性测量仪器 第8章 逻辑分析仪 第9章 基于（based on）计算机的仪器,第1章,电子测量和仪器的基本知识,学习目标,1、了解电子测量的意义、内容和特点。 2、了解测量误差的来源与分类。 3、掌握测量误差的表示方法。 4、了解电子测量仪器的分类及仪器误差的表示方法。初步掌握电子测量仪器正确使用的常识。 5、理解有效数字的概念，会对测量结果进行简单的数据处理。,测量：测量是人类对客观事物取得数量概念的认识过程。,电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。,测量结果=数值（大小及符号）+相应的单位,注意：没有单位的量值是没有物理意义的,1.1 电子测量的意义、内容和特点,1.1.2 电子测量的内容,电能量的测量：如i、u、p等的测量； 电路、元器件参数的测量：如r、l、c、q、d等； 电信号特性的测量：如f、 t 、波形、时间等； 电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等； 特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。,1.测量频率范围宽； 2.仪器量程宽； 3.测量准确度高； 4.测量速度快； 5.易于实现遥测； 6.易于实现测量自动化和测量仪器微机化。,1.1.3 电子测量的特点,1.2.1 按测量方式分类,1、直接测量：用预先按已知标准量定度好的测量仪器，对某一未知量直接进行测量，从而得到被测量值的测量方法称为直接测量。,2、间接测量：对一个与被测量有确定函数关系的物理量进行直接测量，然后通过代表该函数关系的公式、曲线或表格，求出被测量值的方法，称为间接测量。,3、组合测量：是一种兼用直接测量与间接测量的方法 。,1.2 电子测量方法的分类,1.2.2 按被测信号的性质分类,1、时域测量 ：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；,2、频域测量 ：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；,3、数据域测量 ：对数字系统逻辑特性的测量。,4、随机测量 ：例如各类噪声、干扰信号等，利用噪声信号源进行动态测量，这是一种比较新的测量技术。,1.3.1 测量误差的表示方法,1.绝对误差 （1）定义：由测量所得到的被测量值x与其真值a0之差，称为绝对误差，即,式中的真值a0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值a来代替真值a0。实际值也称为约定真值。,特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。,1.3 测量误差的基本概念,（2）修正值：与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值，用c表示。,测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器的修正值c和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值 a= xc 。,（1）相对真误差：绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用表示 。,特点：只有大小和符号，没有单位。,（2）实际相对误差：真值是不能确切得到的，通常用实际值a代替真值来表示相对误差 。,2.相对误差,（3）示值相对误差：误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值x代替实际值a 。,（4）引用相对误差：经常用绝对误差与仪器满刻度值x m之比来表示相对误差，称为引用相对误差（或称满度相对误差）。,电工仪表按mm值分0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5及5.0七级。准确度等级常用符号s表示。,测量仪器使用最大引用相对误差来表示它的准确度。,1.3.2 测量误差的来源与分类,1、仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。 2、影响误差：由于各种环境因素（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。 3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。 4、人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。,1、系统误差：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。,2、随机误差：在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差。,3、粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。,1.3.2 测量误差的来源与分类,1.4.1 测量结果的表示,1.4 测量结果的表示及有效数字,一、 测量结果的表示 测量结果表示为：一定的数值和相应的计量单位。 例：40kv、465khz等。,1.4.2 有效数字及有效数字位,1、定义：对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数，从它最左端一位非零数字起，到最末一位所有数字都称为有效数字。,2、知识点： 1）可以从有效数字的位数估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字末位单位的一半。 2） “0”在最左面为非有效数字。 3）有效数字不能因选用单位的变化而变化。 例：0.1030a 表示含有误差：0.0001/2=0.00005a； 有效数字位：1、0、3、0(最左端的0非有效数字)； 用ma单位表示：103.0 ma，而不是103 ma，末位的0不能去掉。,1.4.3 数字的舍入规则,保留n位有效数字，n位以后的数字： 1）小于5舍去，末位不变； 2）大于5进1，在末位增1； 3）等于5时，当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1。 表示带有绝对误差的数字时，有效数字的末位应和绝对误差取齐，即两者的欠准数字所在数字位必须相同。,例1：将下列数据舍入保留三位有效数字：,16.5(0.05010.1/2=0.05,舍去且往前位增1),16.43 16.46 16.35 16.45 16.4501 ,16.4 (0.030.1/2=0.05,舍去),16.5 (0.060.1/2=0.05,舍去且往前位增1),16.4 (0.05=0.1/2,3为奇数，舍去且往前位增1),16.4 (0.05=0.1/2,4为偶数，舍去),1.5.1 电子测量仪器的分类,一般分为专用仪器和通用仪器两大类，本课程主要讨论后者。,1.5 电子测量仪器的基本知识,通用仪器 (按照功能分类),1.5.2 电子测量仪器的误差,1、固有误差：,2、工作误差：,3、稳定误差：,4、变动量：,指在基准工作条件下测量仪器的误差。,是在额定工作条件内任一值上测得的某一性能特性的误差。,由于测量仪器稳定性不好引起性能特性的变化产生的误差称为稳定误差。,当同一个影响量相继取两个不同值时，对于被测量的同一数值，测量仪器给出的示值之差，称为电子测量仪器的变动量。,1.5.3 电子测量仪器的正确使用,1、仪器仪表的使用环境,2、仪器仪表的维护措施,3、使用仪器的注意事项 （1）仪器的正确选用和连接 （2）仪器开机前注意事项 （3）仪器开机后注意事项 （4）仪器使用时注意事项 （5）仪器使用后注意事项,4、仪器仪表的计量检定,本章小结,1、电子测量的意义以及电子测量方法的分类。,2、测量误差的表示方法,绝对误差,相对误差（用最大引用相对误差确定电子测 量仪表的准确度等级。）,3、测量误差,4、要根据要求确定有效数字位。 对多余数字位进行删略，必须遵循数字的舍入规则“四舍五入”； 对数据进行近似运算也要遵循一定规则。,5、电子测量仪器正确使用的基本知识。,第2章,信号源,学习目标,1了解信号源的分类。 2理解正弦信号发生器的主要性能指标及用途。 3能画出低频信号发生器、高频信号发生器的组成框图，理解其工作原理，并注意其使用要点。 4了解合成信号发生器的主要技术指标及其分类与用途。了解模拟直接合成法工作原理，理解间接合成法、数字直接频率合成法的工作原理。 5理解几种函数信号发生器的工作原理与用途。 6会操作低频信号发生器、高频信号发生器、函数信号发生器等信号源，能使其输出符合要求的信号。,2.1 概述,2.1.1 信号源的用途 （1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。,2.1.2 信号源的分类,1、按其性能指标:普通信号发生器和标准信号发生器。,2、按输出波形:正弦信号发生器和非正弦信号发生器。,3、按调制方式:调频信号发生器、调幅信号发生器、调相信号发生器、脉冲调制信号发生器。,按产生信号的频段分为：,2.2 正弦信号源,2.2.1 正弦信号源的分类,超低频信号发生器，频率范围0.0001hz1000hz； 低频信号发生器，频率范围1hz1mhz； 视频信号发生器，频率范围20hz10mhz； 高频信号发生器，频率范围100khz30mhz； 甚高频信号发生器，频率30mhz300mhz； 超高频信号发生器，频率300mhz以上。,1频率特性 （1）频率范围；（2）频率准确度；（3）频率稳定度,2输出特性 （1）输出电平范围； （2）输出电平准确度； （3）输出阻抗。,3调制特性 主要包括调制频率，调幅系数等。,2.2.1 正弦信号源的主要技术特性,2.2 正弦信号源,2.2.2 低频信号发生器,1低频信号发生器的基本组成及工作原理,(1)主振级 产生低频的正弦波信号，其振荡频率范围即为信号发生器的有效频率范围，是低频信号发生器的核心部件。 常采用rc振荡器，尤以文氏电桥振荡器为多。,(2)电压放大级和功率放大级 放大主振级产生的微弱振荡信号，满足信号发生器对输出信号幅度的要求， 将振荡器与后续电路隔离，防止因输出负载变化而影响振荡器频率的稳定。 应具有输入阻抗高、输出阻抗低、频率范围宽、非线性失真小等性能。,(3)衰减器和匹配器： 衰减器：调节输出电压使之达到所需的值。 匹配器：实际为变压器，其作用是使输出端连接不同负载时都能得到最大的输出功率。 连续调节由电位器实现，也称细调；步进调节由电阻分压器完成，也称粗调。,(4)监测电压表 用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。,2.2.3 高频信号发生器,1高频信号发生器的基本组成及工作原理,（1）主振级：产生频率可调的高频正弦信号，一般采用lc振荡电路，信号发生器的频率特性主要由主振级决定。,（2）缓冲级：放大主振级输出的高频信号；隔离主振级与后续电路，提高振荡频率的稳定性。,（3）调制级：对主振信号调幅，输出调幅信号，满足某些测量需要。,（4）内调制信号发生器：输出内调制信号，频率为400hz或1000hz。,（5）输出级：放大、衰减调制级的输出信号，使信号发生器有足够的电平调节范围；滤除不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗。,（6）可变电抗器：可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号，多采用二极管调频电路。,函数信号发生器三种组成方案： 第一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波； 第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波； 第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。,函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。,2.4 函数信号发生器,2.4.1 函数信号发生器的工作原理,1.脉冲式函数信号发生器,2. 正弦波式函数信号发生器,3. 三角波式函数信号发生器,本章小结,1、信号发生器时域测量和频域测量不可缺少的设备。,2、信号发生器的基本组成：振荡器、变换器和输出电路。振荡器是核心。,3、正弦信号发生器的性能指标：频率特性、输出特性和调制特性。 低频信号发生器主振级主要采用文氏桥振荡器，电路中常采用负温度系数的热敏电阻以促进振荡器起振和稳定输出信号幅度。 高频信号发生器具有一种或一种以上调制或调制组合（调幅、调频、脉冲调制）。,4、函数信号发生器有三种产生信号的方法： 先产生正弦波，再产生方波和三角波； 先产生方波，再产生三角波和正弦波； 先产生三角波，再产生方波和正弦波。,综合实践1 函数信号发生器的使用,一实践目的 1掌握函数信号发生器的正确使用方法。 2熟悉函数信号发生器的测量方法。 二实践器材 1函数信号发生器一台，型号 。 2示波器一台，型号 。 三实践内容及步骤 1.打开仪器电源开关，预热15min左右，准备使用。 2.调节函数信号发生器面板上的旋钮，使之调出实践记录表1.1中所列的频率和幅度的正弦波信号。并用示波器观测波形（完成后在相应的格内打“”）。反复进行训练，直到熟练掌握。 3. 调出实践记录表1.2所列的频率和幅度的方波，并用示波器观测波形（完成后在相应的格内打“”）。反复进行训练，直到熟练掌握。 4. 调出实践记录表1.3所列的调制波，用示波器观测波形，并在空格内画出所观察到的波形。,第3章,电子电压表,学习目标,1了解电压测量的特点、电压表的分类。理解交流电压的基本参数。 2了解模拟式电子电压表（峰值型、均值型、有效值型）的工作原理；能熟练掌握均值电压表、峰值电压表的读数换算方法。 3理解数字电压表的主要技术性能；了解逐次逼近比较式、双斜积分式等基本a/d转换器的工作原理；了解数字多用表中的自动功能。 4了解数字多用表的组成框图、工作原理及特点，掌握多用表的选用原则和使用方法。 5掌握模拟电压表和数字电压表的选用原则和使用方法。,3.1.1 电压测量的特点,3.1 电子电压表基础,、被测电压频率范围宽 、被测电压值范围广 、输入阻抗高 、抗干扰能力强 、测量精确度高 、被测电压波形多样,1、电子电路中的许多参数可视为电压的派生量； 2、各种电路的工作状态可用电压的形式反映出来； 3、电子设备的各种信号，主要以电压量来表现； 4、很多电子测量仪器都用电压量来指示。,3.1.2 交流电压的基本参数,峰值是交变电压u(t)在所观察的时间内或一个周期内偏离零电平的最大电压幅值，记为up，正、负峰值不等时分别用up+和up-表示。,u(t)在一个周期内偏离直流分量（平均值）u0的最大值称为幅值或振幅值，记为um，正、负幅值不等时分别用um+、um-表示，,峰值以零为参考电平，振幅值以直流分量为参考电平。对于不含直流分量的正弦交流信号，振幅值等于峰值，且正负峰值相等。,1、峰值,2、平均值,数学上定义为：,不同信号的平均值有可能相同，数学平均值定义不能唯一说明信号的特征。 交流电压测量中，平均值通常指经过全波或半波整流后的波形（一般若无特指，均为全波整流）。,（1）全波平均值,（2）半波平均值,正半波平均值：,负半波平均值：,3、有效值（均方根值 ）,通常所说的交流电压的量值就是指它的有效值。,对于理想的正弦波交流电压其有效值为：,5、波峰因数,4、波形因数,对于正弦波：,波峰因数kp定义为交流电压的峰值与有效值之比，即：,对于正弦波：,为了表征同一信号的有效值及平均值的关系，引入波形因数。,为了表征同一信号的峰值、有效值的关系，引入波峰因数。,波形因数kf定义为交流电压有效值与平均值之比，即：,3.2 模拟交流电压表,3.2.1 模拟式电压表的主要测量方案,1、放大检波式（视频毫伏表 ）：先放大再检波，因此灵敏度很高，通频带窄。,2、检波放大式：先检波再放大，因此通频带很宽,灵敏度较低。,灵敏度高，通频带宽。,3、外差式电压表（高频微伏表 ）,被测信号通过输入电路后，在混频器中与本机振荡器的振荡信号混频，输出频率固定的中频信号，经中频放大器放大后进入检波器变换成直流电压，驱动直流表头指针偏转。,3.2.2 模拟式电子电压表的主要类型,1、均值电压表,（1）定度系数（记为）,几乎所有交流电压表都是按照正弦波有效值定度的。,用均值电压表测量正弦波电压，其示值就是被测电压的有效值；测量非正弦波电压，其示值并无直接的物理意义，只知道被测电压的平均值为：,若被测电压的波形已知，可根据平均值求出其它的有效值。,（2）波形换算,（3）波形误差 当被测电压不是正弦波时，直接将电压表示值作为被测电压的有效值而带来的误差，通常称为“波形误差”。,检波器输出直流电压正比于其输入的交流电压的峰值。,串联式峰值检波器电路中的电容c起滤波作用。,并联式峰值检波器，电路中的电容c有隔直流和滤波作用。,2、峰值电压表,（）定度系数,用峰值电压表测量正弦波电压，其示值就是正弦波有效值；测量非正弦波电压，其示值并无直接的物理意义。,若被测电压波形已知，则可根据峰值及波峰因数求出其有效值。,（2）波形换算,（3）波形误差,有效值电压表内部所使用的检波电路为有效值检波器,其输出直流电压正比于输入交流电压的有效值。,（1）分段逼近式有效值检波器,（2）热电转换式有效值电压表,（3）计算式有效值检波器,不管用哪种方案构成有效值电压表，表头刻度总为被测电压的有效值，而与被测电压波形无关。,3、有效值电压表,3.3 数字电压表,3.3.1 数字电压表(dvm)组成,数字式电压表首先对被测模拟电压进行处理、量化，再由数字逻辑电路进行数据处理，最后以数码形式显示测量结果。,直流数字电压表主要根据a/d转换器的转换原理不同，可分为以下几种类型。,（）比较型数字电压表 测量精确度高、速度快，但抗干扰能力差。 （）积分型数字电压表 抗干扰能力强，成本低，但转换速度慢。 （）复合型a/d转换器 将比较型和积分型结合，取其各自优点，兼顾精确度、速度、抗干扰能力，从而适用于高精度测量。,a/d转换器是数字电压表的核心。,3.3.2 数字电压表的主要技术指标,1、测量范围 （1）量程 表示电压表所能测量的最小电压到最大电压范围。 其中不经衰减器和输入放大器的量程称为基本量程，它是测量误差最小的量程。,（2）显示位数 显示位数是指数字电压表能够完整显示这十个数码的位数，称完整显示位。,只能显示05的显示位称为,这两种都是非完整显示位，位于最高位。,把只能显示0和1两个数码的显示位称为,显示位。,显示位。,（）超量程能力 超量程能力是数字电压表的一项重要指标，它是指数字电压表能测量的最大电压超过其量程值的能力。 一台数字电压表有无超量程能力，决定于它的量程分挡情况和能够显示的最大数字情况。 超量程能力公式：,使用具有超量程能力的电压表，在有些情况下可以提高测量精度。,2、分辩力 分辩力是指数字电压表能够显示被测电压的最小变化值的能力，即显示器末位跳变一个字所需的最小电压变化值。 在不同量程上,数字电压表的分辩力是不同的。在最小量程上数字电压表具有最高的分辩力。,3、测量误差 数字电压表的测量误差包括固有误差和工作误差，这里只讨论固有误差。 固有误差是指在基准条件下的误差。常以如下形式给出：,固有误差由两部分构成：读数误差和满度误差。,读数误差： 与当前读数有关。主要包括dvm的刻度系数误差和非线性误差。 满度误差： 与当前读数无关，只与选用的量程有关。满度误差有时也用与之相当的末位数字的跳变个数来表示，记为n个字 。 当被测量（读数值）很小时，满度误差起主要作用，当被测量较大时，读数误差起主要作用。为减小满度误差的影响，应合理选择量程，以使被测量大于满量程的2/3以上。,例：某5位dvm在5v量程测得电压为2v，已知5v量程的固有误差计算式为u=(0.005%ux+0.004%um)，试求dvm的固有误差、读数误差和满度误差各是多少？满度误差相当于几个字？ 解：因为dvm位数为5，且量程为5v，所以电压表末尾1个单位为0.0001v。 读数误差为：0.005%ux=0.005%2v=0.0001v 满度误差为：0.004%um=0.004%5v=0.0002v 固有误差：（0.0001v+0.0002v）=0.0003v 满度误差相当于2个字,3.3.3 a/d转换器原理,1、逐次比较式a/d转换器,工作原理类似于天平，在转换过程中，用被测电压与一已知的标准电压（d/a转换器输出电压）进行比较，并用比较结果控制d/a转换器的输入，使其输出电压大小向被测电压靠近，直到两者趋于相等为止。此时d/a转换器的输入量（也就是比较寄存器的输出量）即为a/d转换器的输出数字量。,2、双斜积分式a/d转换器 是一种间接式a/d转换器。其转换原理是通过两次积分，将被测电压变换成与其平均值成正比的时间间隔，然后在该时间间隔内对时钟脉冲进行计数，以实现a/d转换。,（1）准备阶段（t0t ） ： 计数器复零，电路处于休止状态。,（2）采样阶段（t1t2）： 该阶段a/d转换器对被测电压ux定时积分。,（3）比较阶段（t2 t3）： 本阶段对基准电压进行定值反向积分。,3.4 数字多用表,3.4.1 数字多用表的特点,1、特点： 准确度高、数字显示、读数迅速准确、分辨力高、输入阻抗高、能自动调零、自动转换量程、自动转换及显示极性。 用大规模集成电路，体积小，可靠性好，测量功能齐全，操作简便。内部有较完善的保护电路，过载能力强。 2、不足之处： 不能反映被测量的连续变化过程以及变化的趋势。不适于作电桥调平衡用的零位指示器。价格偏高。,vc890c型数字万用表,3.5 电压表的选择和使用,（）根据被测电压的种类选择电压表的类型。 （）根据被测电压的大小选择量程适宜的电压表。 （）保证被测量电压的频率不超出电压表的频率范围。 （）其他条件相同的情况下，应尽量选择输入阻抗大的电压表。在测量高频电压时，应尽量选择输入电容小的电压表。 （）测量非正弦波电压，应根据被测电压波形的特征，适当选择电压表的类型，以便正确理解读数的含义并对其进行修正。 （）注意电压表的误差范围,3.5.1 电压表的选择,使用注意事项 （）正确放置电表。 （）测量前，要进行机械调零和电气调零。 （）注意被测电压与电压表之间的连接。 （）正确选择量程。 （）注意输入阻抗的影响。 （）测量电阻时，数字多用表的内部电压极性是红笔为“”，黑笔为“”，而模拟多用表却恰好相反，用它来判断有关电路时应注意。,3.5.2 电压表的正确使用,1、电压测量是电子测量的重要内容之一。 电子电压表是一种常用的电子测量仪器，按其工作原理可分为模拟电压表和数字电压表。 2、在测量交流电压时，必须对被测交流电压进行交直流转换。最重要的转换方法是检波法，采用的电路是检波器。 根据其输出直流信号和被测交流电压表征值的关系，可将检波器分为均值响应、峰值响应和有效值响应三种类型。 3、模拟式交流电压表根据其所用检波器，可分为均值电压表、峰值电压表和有效值电压表。由于不同电压表的测量范围、频带宽度不同，因而各有其适用场合。 用峰值表和均值表测量非正弦波电压会产生波形误差，必要时需进行换算以提高测量精度。,本章小结,4、数字式电压表根据其所用a/d转换器，可分为积分型和非积分型两类。 前者抗干扰能力强，测量精确度高，但测量速率较低；后者测量速度快，但抗干扰能力差。总的来说，积分型特别是双斜积分式dvm性能较优，应用较广泛。 5、数字多用表以直流电压测量为基础，使用各种转换电路实现多种测量功能。 此外，数字多用表还具有测量精确度高及具有某些自动功能等优点，因而获得越来越广泛的应用。 6、测量电压时要注意选择合适的电压表，并采用正确的测量方法。,综合实践2 数字多用表的使用,一实践目的 1熟悉数字多用表的面板布置，识别各种标志符号 2掌握数字多用表基本测量方法 二实践器材 1数字多用表，型号 。 2直流稳压电源，型号 。 3电阻元件、电容、二极管、三极管若干。 三实践内容 1.交流电压的测量 2.直流电压的测量 3.常见电子元件参数值的测量,第4章,电子示波器,4.1 概述,（对信号的处理方式）,示波器的分类,示波器,组成：电子枪、偏转系统和荧光屏 工作原理： 由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。,4.2 示波测量的基本原理,4.2.1 阴极射线示波管,示波管结构图及供电电路,1电子枪 （1）作用：发射电子并形成很细的高速电子束，轰击荧光屏使之发光。,（2）组成：灯丝f、阴极k、栅极g和阳极a1、a2。 1）灯丝f、阴极k 灯丝用于加热阴极。 阴极受热后发射电子。 2）控制栅极g 控制栅极用来控制射向荧光屏的电子流密度，从而改变荧光屏上波形的辉度（亮度）。g的负电位绝对值越大，打到荧光屏上电子的数目越少，图形越暗，反之越亮。 调节“辉度电位器”rp1改变栅、阴极之间的电位差即可达到此目的。,3）第一阳极a1、第二阳极a2 a1和a2对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度。 调节a1的电位，即可调节g与a1和a1与a2之间的电位，调节a1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节a2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。 示波管的“辉度”与“聚焦”并非相互独立，而是有关连的。在使用示波器时，这二者应该配合调节。,g1、a1、a2的电位关系为：vgva1，因此，电子从g至a1、a1至a2将得到会聚并加速，而从k至g将发散。,2偏转系统 （1）工作原理：线性偏转理论 电子的位移与所加电压的大小成正比。 （2）结构： 由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（y）偏转板和水平（x）偏转板。 偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；有外加电压，则在偏转电场作用下，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。,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，通常制作成矩形平面。,电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。 1、扫描 （1）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。 （2）扫描电压波形：锯齿波,4.2.2 波形显示原理,2、波形显示原理 y偏转板：加被测信号 x偏转板：加扫描电压信号,1）设ux=uy=0，则光点在垂直和水平方向都不偏转，出现在荧光屏的中心位置,2）设ux=0，uy=umsint ,由于x偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段。,3）设ux=kt，uy=0 ,由于y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的是一条水平线段。,由上三种情况可看出： 1、x偏转板上所加电压控制电子的水平运动； 2、y偏转板上所加电压控制电子的垂直运动； 3、电子位移长度取决于所加电压的大小。,4）设y偏转板加正弦波信号电压uy=umsint，x偏转板加锯齿波电压ux=kt，且有tx=ty。荧光屏显示被测信号随时间变化的稳定波形。,5）设y偏转板加正弦波信号电压uy=umsint， x偏转板加锯齿波电压ux=kt，且有tx=2ty，荧光屏显示被测信号随时间变化的稳定波形。,第一扫描周期,第二扫描周期,6）设y偏转板加正弦波信号电压uy=umsint，x偏转板加锯齿波电压ux=kt，且有tx=3/2ty，荧光屏显示被测信号随时间变化的不稳定波形。,(1)当扫描电压的周期是被测信号周期的整数倍时，即tx=nty（n为正整数），扫描的后一个周期描绘的波形与前一个周期完全重合，荧光屏上得到稳定的波形，此时，扫描信号与被测信号同步。,3、扫描电压与信号的同步,(2)为了在屏幕上获得稳定的波形显示，应保证每次扫描的起始点都对应信号的相同相位点，即保证扫描信号与被测信号同步。,(3)电子束在被测电压与同步扫描电压的共同作用下，亮点在荧光屏上所描绘的图形反映了被测信号随时间变化的过程，当多次重复就构成稳定的图像。,4、x-y显示方式 示波器又是一个xy图示仪。 若加在水平偏转板上的不是由示波器内部产生的扫描锯齿波信号，而是另一路被测信号，则示波器工作于xy显示方式，它可以反映加在两副偏转板上的电压信号之间的关系。,4.3 通用示波器,1、组成:主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。此外，还包括电源电路及校准信号发生器。,431通用示波器的基本组成,（2）偏转灵敏度 指输入信号在无衰减的情况下，亮点在屏幕的y方向上偏转单位距离（1cm即1div）所需的电压峰一峰值。表示了示波器y通道的放大/衰减能力，其下限表征示波器观测微弱信号的能力，其上限表示示波器输入所允许加的最大电压（峰-峰值）。,2、示波器的主要技术指标,（1）频带宽度bw和上升时间tr,tr反映了示波器y通道跟随输入信号快速变化的能力。,bw一般指y通道的频带宽度。,（3）输入阻抗 y通道的输入阻抗包括输入电阻和输入电容。输入电阻越大越好，输入电容越小越好。 （4）扫描速度 常用时基因数表示。 时基因数是扫描速度的倒数，指在无扩展情况下，亮点在x方向偏转单位距离所需的时间。 为了观测缓慢变化的信号，则要求示波器具有极慢的扫描速度。 为了观测很宽频率范围的信号，就要求示波器的扫描速度能在很宽范围内调节。,作用： 将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，驱动电子运动，使被测信号在屏幕上显示出来。,构成： 输入电路、y前置放大器、延迟线和y后置放大器等。,4.3.2 通用示波器的垂直系统（通道）,1、输入电路 作用：引入被测信号，并为前置放大器提供良好的工作条件。,输入电路必须有适当的通频带、输入阻抗、较高的灵敏度、大的过载能力、适当的耦合方式，尽可能靠近被测信号源，一般采取平衡对称输出。,（1）探头 作用：便于直接探测被测信号，提供示波器的高输入阻抗，减小波形失真及展宽示波器的工作频带等。,探头分有源探头及无源探头。无源探头由r、c组成，其原理电路如图所示。其中c是可变电容，调整c对频率变化的影响进行补偿。,（2）耦合方式选择开关 ac：交流耦合，适于观察交流信号。 dc：直流耦合，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。 gnd：接地，用于确定零电压。,（3）步进衰减器 作用：衰减输入信号，进行频率补偿。面板上用“v/cm”标记的开关改变分压比从而改变示波器的偏转灵敏度。,步进调节设置示例：电阻衰减直流分量；电容器衰减交流分量。,2、延迟线 作用：把加到垂直偏转板上的信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，保证在屏幕上扫描出信号全过程。,3、y通道中的放大电路 为了保证示波器的频带宽度，y通道放大器为宽带放大器，多采用带有高频补偿网络的多级差动反馈放大电路。它的基本任务是将被测信号不失真地放大到足够幅度，使电子束在y方向获得足够的偏转。另外，在y放大器中还设有极性倒换、移位、寻迹等功能。 4、触发放大电路 设置此放大电路的目的，是使从延迟线之前引出的被测信号，先经过此电路加以放大，以便有足够幅度驱动触发整形电路。,作用：产生并放大一个与时间呈现线性关系的锯齿波电压，形成时间基线；能选择适当的触发或同步信号，产生稳定的扫描电压，以确保显示波形的稳定；还要能产生增辉或消隐信号，去控制示波器的z通道。,构成：触发电路、扫描电路和水平放大器等。,4.3.3 通用示波器的水平系统（通道）,1、扫描发生器（时基发生器）电路 作用：扫描发生器电路在触发脉冲启动下，产生线性变化的锯齿波扫描电压。 结构：它由时基闸门、扫描电压产生电路、电压比较电路及释抑电路组成，上述电路组成一个闭环，故也称扫描发生器环。,扫描发生器环的基本工作过程： 触发脉冲到来后，打开时基闸门，扫描电压产生电路开始产生线性变化的锯齿波电压，此电压送至x放大器，控制电子束自左向右扫描，同时也送往比较器； 当锯齿波电压达到预定的幅度后，电压比较器输出经释抑电路产生停止信号，关闭时基闸门，使扫描电压产生电路进入回程期； 在回程期，释抑电路起“抑止”作用，防止后续触发脉冲去开启时基闸门，直到闸门输入端及扫描电路完全恢复到初始状态才释放闸门。,扫描正程：从时基闸门打开到闸门关闭的一段时期。 释抑期：从扫描正程开始到闸门“释放”时为止的一段时间，比逆程期长。 一次扫描至少包括扫描正程和释抑期，释抑期内既完成扫描回程，又保证电路恢复到初始状态，等待下一个触发脉冲触发。,2、扫描方式 （1）连续扫描：扫描电压是连续的，即扫描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新的正程，扫描是不间断的。 （2）触发扫描：由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式，适用于测量脉冲信号。 （3）自动扫描：无触发信号时，连续扫描；有触发信号时，触发形成扫描。 （4）单次扫描：只在第一个触发脉冲到来时启动扫描一次，主要用于观测非周期信号。,3、触发整形电路 作用：为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。,结构：包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。,（1）触发源选择 内触发（int）：采用来自y通道的被测信号作触发信号源。 外触发（ext）：用外接的、与被测信号有严格同步关系的信号作为触发源，用于比较两个信号的同步关系。或者，当被测信号不适于作触发信号时使用。 电源触发（line）：用50hz的工频正弦信号作为触发源，适用于观测与50hz交流有同步关系的信号。,（2）触发耦合方式 dc 直流耦合：用于接入直流或变化缓慢的信号，或者频率很低且含有直流成分的信号。一般用于外触发或连续扫描方式。 ac 交流耦合：用于观察由低频到较高频率的信号，“内”、“外”、“电源”触发均可使用，是常用的一种耦合方式。 ac（h）高频耦合：属低频抑制状态。用于观察高频信号。,（3）触发极性 （4）触发电平,（5）放大整形电路 扫描信号发生器要稳定工作，对触发信号有一定的要求，因此，需对触发信号进行放大、整形。 整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。,4、x放大器 作用：主要是放大扫描电压，使电子束在水平方向获得足够偏转，同时还兼设寻迹、水平位移、扫描扩展等功能。 扫描扩展：就是在不改变扫描电压产生电路参数的情况下提高扫描速度。通过提高x放大器的放大倍数，使扫描锯齿波的幅度加大，因而使光点在相同的时间里，在扩展后通过的水平距离较扩展前大得多，从而使扫描速度得到提高。 当示波器工作于x-y方式时，x放大器则作为x外接输入信号的传输通道。,4.3.4 示波器的多波形显示,1、双线示波器 双线示波器是把两个相互独立的电子枪和偏转系统封装在同一个示波管内，利用同一荧光屏加以显示。 双线示波器适于观测同一时间出现的两个瞬变信号，且图像清晰，无间断现象。但它的制造工艺要求高，使其应用受到一定限制。,2、双踪示波器 双踪示波器使用单束示波管，利用y轴电子开关，采用时间分割的方法轮流地将两个信号接至同一垂直偏转板，实现双踪显示。,根据电子开关工作方式的不同，双踪示波器有5种显示方式：ya、yb、yayb、交替和断续 。,（1）交替：电子开关的转换频率受扫描电路控制，以一个扫描周期为间隔，电子开关轮流接通ya和yb。若扫描频率较高，两个信号轮流显示的速度很快，由于荧光屏的余辉效应和人眼的视觉滞留效应，便会获得两个波形“同时”显示的效果。,这种显示方式只适用于被测信号频率较高的场合。,用交替显示方式易产生 “相位误差”：若示波器处于交替触发状态，即显示ya信号时用ya信号触发，显示yb信号时用yb信号触发，则原来有相位差的两个信号会显示为相位相同的信号。 解决办法：用相位超前的信号作固定的内触发源，或者改用“断续”显示方式。,（2）断续：示波器的电子开关工作在自激振荡状态，将两个被测信号分成很多小段轮流显示。由于转换频率比被测信号频率高得多，间断的亮点靠得很近，人眼看到的波形好像是连续波形。,这种显示方式只适用于被测信号频率较低的场合。,4.5 数字存储示器,将捕捉到的波形通过a/d转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。,4.5.1 数字存储示波器的特点,（1）对信号波形的采样、存储与波形的显示可以分离 （2）能长期存储信号 （3）具有先进的触发功能 （4）具有很强的处理能力 （5）便于观测单次过程和缓慢变化的信号 （6）多种显示方式 （7）可用字符显示测量结果 （8）便于程控和用多种方式输出 （9）便于进行功能扩展 （10）实现多通道混合信号测量 （11）便携式示波器,4.5.2 数字存储示波器的主要技术指标,（1）最高取样速率（数字化速率） 指单位时间内取样的次数，用每秒钟完成的a/d转换的最高次数来衡量，单位为采样点/秒（sa/s），也常以频率来表示。 取样速率愈高，示波器捕捉信号的能力愈强。 （2）存储带宽 主要反映在最大数字化速率（取样速率）时还要能分辨多位数（精确度要求）。 最大存储带宽由取样定理确定，即当取样速率大于被测信号中最高频率分量频率的两倍时，即可由取样信号无失真地还原出原模拟信号。 通常信号都是有谐波分量的，一般用最高取样速率除以25作为有效的存储带宽。,（）分辨力 分辨力指示波器能分辨的最小电压增量和最小时间增量，即量化的最小单元。它包括垂直分辨力（电压分辨力）和水平分辨力（时间分辨力）。 （）存储容量(存储深度) 由采集存储器（主存储器）的最大存储容量来表示，常以字（word）为单位。 （）读出速度 指将数据从存储器中读出的速度，常用t/div来表示。,4.5.3 数字存储示波器的组成及工作原理,1、数字存储示波器的组成,工作原理可分为波形的取样与存储、波形的显示、波形的测量与处理等几部分。,2、工作过程 (1)存储阶段：模拟输入信号先经适当地放大和衰减，送入a/d转换器进行数字化处理，转换为数字信号，最后，在逻辑控制电路的控制下依次将a/d转换器输出的数字信号写入存储器ram中。 (2)显示阶段： 将信号从存储器中读出，送入d/a转换器变换为模拟信号，经垂直放大器放大后加到示波管的垂直偏转板。 cpu的读地址信号加至d/a转换器，得到一阶梯波电压，经水平放大器放大后加至示波管的水平偏转板，从而达到在示波管上以稠密的光点重现输入的模拟信号的目的。,2、工作原理 （1）取样：就是从被测波形上取得样点的过程。 实时取样：从一个周期的信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法。,非实时取样（等效取样）：从被测信号的许多相邻周期的信号波形上取得样点的方法。要解决示波器上限频率不够高的问题，应该采用非实时取样。,非实时取样只适用于周期性信号顺序进行的取样称为顺序取样；否则称为随机取样。,（3）数字时基发生器 用于产生取样脉冲信号，以控制a/d转换器的取样速率和存储器的写 入速度。,（2）a/d转换 a/d转换器是波形存储的关键部件，它决定了示波器的最高取样速率、存储带宽以及垂直分辨力等多项指标。,（4）地址计数器 地址计数器用来产生存储器地址信号，由二进制计数器组成。 计数器的位数由存储深度来决定。,（5）存储器 为了实现对高速信号的测量，应该选用存储速度较高的ram，若要测量的时间长度较长，则应选用存储深度较大的ram。 要想断电后仍能长期存储波形数据，则应配有e2prom，有些新型数字示波器配有硬盘和软驱，可将波形数据以文本文件的形式长期保存。 （6）预置触发功能 预置触发功能含有延迟触发和负延迟触发两种情况。 在数字存储示波器中可以通过控制存储的写操作过程来实现预置触发。,4.5.4 数字存储示波器的显示方式,1、存储显示 是数字存储示波器最基本的显示方式。 （1）cpu控制方式 无论是y轴还是x轴的数据，都必须通过cpu传送，数据传送速度受到一定的限制。 （2）直接控制方式 直接控制方式的数据传送不经过cpu而直接对内存进行输入输出操作，因此速度很快。 2、双踪显示 双踪显示与存储方式密切相关。存储时，为了使两条复现的波形在时间上保持原有的对应关系，常采用交替存储技术。,3、 锁存和半存显示 锁存显示：把一幅波形数据存入存储器之后，只允许从存储器中读出数据进行显示，不准新数据再写入。 半存显示：指波形被存储之后，只允许存储器奇数（或偶数）地址中的内容更新，但偶数（或奇数）地址中的内容保持不变。 4、 滚动显示 表现形式是被测波形连续不断地从屏幕右端进入，从屏幕左端移出。 5、插值显示 就是在被测信号相邻两个采样点之间进行估值。 数字存储示波器广泛采用插值方法有矢量插值法和正弦插值法。,4.6 示波器的基本测量实例,4.6.1 模拟示波器测量实例,测量时应注意将偏转因数的微调旋钮置于“校准”位置（顺时针旋到底），还要注意输入探头衰减开关的位置。,1、电压测量,电压测量换算公式：,电压测量方法是先在示波器屏幕上测出被测电压的波形高度，然后和相应通道的偏转因数相乘即可。,（2）交流电压的测量 使用示波器测量电压的优点是在确定其大小的同时可观察波形是否失真，还可同时显示其频率和相位，但示波器只能测出被测电压的峰值、峰峰值、任意时刻的电压瞬时值或任意两点间的电位差值，如要求电压有效值或平均值，则必须经过换算。,（1）直流电压的测量 示波器测量直流电压的原理是利用被测电压在屏幕上呈现一条直线，该直线偏离时间基线（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比的关系进行的。,、时间测量 时间测量包括测量信号周期（频率也可由周期计算出），脉冲宽度、前后沿等。,用示波器测量时间时应注意时基因数的微调应置于“校准”位置（顺时针旋到底），同时还要注意有没有扫描扩展。,计算公式：,（1）正弦周期测量 对于周期性信号，周期和频率互为倒数，只要测出其中一个量，另一个参量可通过公式求出。,（2）矩形脉冲宽度和上升时间测量 对于同一被测信号中任意两点间的时间间隔的测量方法与周期测量法相同。,（3）测量测量两个信号（主要指脉冲信号）的时间差 将两个被测信号分别接到y轴两个通道的输入端，采用“断续”或“交替”显示。 注意：要采用内触发，并且触发源选择时间领先的信号所接入的通道，在“交替”显示时不得采用ch1和ch2交替触发。 当脉冲宽度很窄时，不宜采用“断续”显示。,、比值测量 （1）正弦波相位差测量 使用双踪示波器测量相位时，可将被测信号分别接入y系统的两个通道输入端。 选择相位超前的信号作触发源，采用“交替”或“断续”显示。适当调整“y位移”，使两个信号重叠起来，,在测量相位时，x轴扫描因数“微调”旋钮不一定要置于“校准”位置，但其位置一经确定，在整个测量过程中不得更动。,注意：在采用“交替”显示时，一定要采用相位超前的信号作固定的内触发源。如被测信号的频率较低，应尽量采用“断续”显示方式，亦可避免产生相位误差。,（2）调幅系数测量,单音调制时，调幅波可用下式表示： u=um(1+msint