第5章 时域测量.ppt

第5章时域测量 5 1概述5 2CRT显示原理5 3通用示波器5 4取样示波器5 5数字存储示波器 5 1概述 信号的时域测量是对以时间作为自变量的电参量的测量 即信号幅度随时间变化的规律 时域测量技术已普遍地应用于国防 科研 工业等各个领域 时域测量的典型仪器是电子示波器 简称示波器 5 1 1示波器的主要特点 时域测量的典型仪器是示波器 其主要特点如下 能显示信号波形 可测量瞬时值 具有直观性 输入阻抗高 对被测信号影响很小 测量灵敏度高 因为配有高增益放大器 所以能够观测微弱信号的变化 由于不用表针指示方式 因而过载能力强 目前示波器的最高灵敏度可达到10微伏 格 由于电子束的惯性小 因而速度快 工作频率范围宽 便于观察高速变化的波形的细节 适应于测试快速脉冲信号 目前示波器的工作频带最宽达1GHz以上 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系 故可作为比较信号用的高速X Y记录仪 5 1 2示波器的主要用途 示波器是一种直观 通用 精密的测量仪器 其主要用途如下 观测电信号的波形 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 5 1 3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模拟示波器模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示 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 2数字示波器数字示波器对信号进行数字化处理后再显示 它将输入信号数字化 时域取样和幅度量化 后 经由D A转换器再重建波形 数字示波器具有记忆 存储被观察信号功能 根据取样方式不同 数字示波器又可分为实时取样 随机取样和顺序取样三大类 5 1 4示波器的主要技术指标 1 频带宽度BW和上升时间tr示波器的频带宽度BW是指垂直偏转通道 Y方向放大器 对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0 707 3dB 的频率范围 如果通道的带宽不够 则对于信号的不同频率分量 通道的增益不同 信号波形便会产生失真 因此 为了能够显示窄脉冲 示波器Y通道带宽必须很宽 上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数 表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制 反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力 2 扫描速度示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低可用扫描速度 时基因数 扫描频率等指标来描述 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离 即光点水平移动的速度 荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线 其单位是cm s或div s 格 秒 扫描速度的倒数称为 时基因素 它表示单位距离代表的时间 单位为 t cm 或 t div 时间t可为 s ms或s 在示波器的面板上 通常按 1 2 5 的顺序分成很多档 3 偏转因素偏转因素指在输入信号作用下 光点在荧光屏上的垂直 Y 方向移动1cm 即1格 所需的电压值 单位为 V cm mV cm 或 V div mV div 偏转因素表示了示波器Y通道的放大 衰减能力 偏转因素的倒数称为 偏转 灵敏度 单位为cm V cm mV或diV V 4 输入阻抗输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗 在观测信号波形时 把示波器输入探头接到被测电路的观察点 输入阻抗越大 示波器对被测电路的影响就越小 5 输入方式即输入耦合方式 一般有直流 DC 交流 AC 和接地 GND 三种 可通过示波器面板选择 以适应不同的信号频率 6 触发源选择方式触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源 一般有内触发 INT 外触发 EXT 电源触发 LINE 三种 5 2CRT显示原理5 2 1CRT原理 典型的示波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器 CRT是示波器的重要组成部分 其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示 其构造与电视机显像管相同 主要由电子枪 偏转系统和荧光屏三大部分组成 三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内 其结构示意图如图5 1所示 电子枪产生高速的电子束 偏转系统控制电子束的偏转方向 使电子束按要求打在荧光屏上相应的部位产生荧光 从而描出被观测信号的波形 图5 1示波管及电子束控制电路 1 电子枪电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束 它由灯丝F 阴极K 栅极G1和前加速极G2和第一阳极A1 第二阳极A2组成 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Y1 Y2和水平偏转板X1 X2 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 电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外偏转电压成正比 即 5 1 式中 l为偏转板的长度 S为偏转板中心到屏幕中心的距离 b为偏转板间距 Ua为阳极A2上的电压Uy为偏转板上所加的电压 偏转距离与偏转板上所加电压和偏转板结构的多个参数有关 其物理意义可解释如下 若外加电压Uy越大 则偏转电场越强 偏转距离就越大 若偏转板长度l越长 偏转电场的作用距离就越长 因而偏转距离越大 若偏转板到荧光屏的距离S越长 则电子在垂直方向上的速度作用下 使偏转距离增大 若偏转板间距b越大 偏转电场将减弱 使偏转距离减小 若阳极A2的电压Ua越大 电子在轴线方向的速度越大 穿过偏转板到荧光屏的时间越小 因而偏转距离减小 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 正是由于荧光物质的 余辉效应 以及人眼的 视觉残留 效应 尽管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个点发光 但电子束在外加电压下连续改变荧光屏上的光点 我们就能看到光点在荧光屏上移动的轨迹 该光点的轨迹即描绘了外加电压的波形 5 2 2示波管显示原理 利用示波管中电子束在屏上形成的光点在垂直 水平方向上的偏转距离与加在Y轴 X轴上的偏转电压成正比这一特性 即可在屏幕上显示出被观测信号的波形 1 显示随时间变化的图形 1 扫描的概念若想观测一个随时间变化的信号 例如 那么只要把被观测的信号转变成电压加到Y偏转板上 电子束就会在y方 向上随信号的规律变化 任一瞬间的偏转矩离正比于该瞬间Y偏转板上的电压 但是如果水平偏转板间没加电压 则荧光屏上只能看到一条垂直的直线 如图5 3a所示 如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的电压 即加一个锯齿波电压 那么光点在X方向的变化就反映了时间的变化 若在Y方向上不加电压 则光点在荧光屏上构成一条反映时间变化的水平直线 称为时间基线 简称时基线 如图5 3b所示 a 只加信号电压 b 时间基线的获得 图5 3扫描过程 c 信号波形在时间轴上展开 当Y轴加上被观测的信号电压 X轴加上扫描电压时 则屏上光点的Y和X坐标分别与这一瞬间的信号电压和扫描电压成正比 由于扫描电压与时间成比例 因此荧光屏上所描绘的就是被测信号随时间变化的波形 如图5 3c所示 2 同步的概念在时域测量中 连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形 当扫描电压的周期是被观察信号周期的整数倍时 扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样 荧光屏上得到清晰而稳定的波形 这叫做信号与扫描电压同步 图5 4为扫描电压与被测信号同步时的情况 图中 扫描从1开始 在时刻8时扫描电压由最大值回到零 这时被测电压恰好经历了两个周期 荧光点沿8 9 10移动时 重复上一扫描周期光点沿0 1 2移动的轨迹 得到稳定的波形 如果没有这种同步关系 则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期描绘的图形不重合 如图5 5所示 在图5 5中 第1个扫描周期开始 光点沿0 1 2 3 4 5轨迹移动 当扫描结束 光点迅速从5回到0 接着第2个扫描周期开始 这时光点沿0 6 7 8 9 10轨迹移动 即与第一次扫描轨迹不重合 看到的波形则为虚线所示 使我们感到波形不稳定 图5 4扫描电压与被测信号同步 图5 5扫描电压与被测信号不同步 3 连续扫描和触发扫描扫描电压是连续的方式称为连续扫描 当欲观测脉冲信号 尤其是如图5 6a占空比很小的脉冲时 采用连续扫描存在一些问题 当选择扫描周期等于脉冲重复周期Tn Ts时 以看清脉冲波形的细节 如图5 6b所示 当选择扫描周期等于脉冲底宽时 只有一次扫描出脉冲波形 因此显示的脉冲波形本身很暗淡 而时基线却很亮 如图5 6c所示 利用触发扫描可解决上述脉冲示波测量所遇到的用难 工作在触发扫描方式下的扫描发生器平时处于等待状态 只有送入触发脉冲时才产生一个扫描电压 在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形 而不显示出时间基线 如图5 6d所示 图5 6连续扫描和触发扫描的比较 4 扫描过程的增辉在以上的讨论中假设了扫描回程时间为零 但实际上扫描回程是需要一定时间的 如图5 7所示 扫描电压的回扫时间为图中7 8段 荧光屏上将显示如虚线所示的回扫线 为使回扫产生的波形不在荧光屏上显示 可以设法在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子 即给示波器增辉 这种增辉可以通过在扫描期间给示波管第一栅极加正脉冲或给阴极加负脉冲来实现 这样就可以做到只有在扫描正程即有增辉脉冲时才有显示 其他时间荧光屏上没有显示 而且在等待扫描期间 即波形为一个光点的情况下 由于没有增辉脉冲 光点很暗 图5 7扫描回程对显示波形的影响 2 显示任意两个变量之间的关系在示波管中 电子束同时受X和Y两对偏转板的作用 而且两对偏转板上的电压和的影响又是相互独立的 它们共同决定光点在荧光屏上的位置 利用这种特点就可以把示波器变为一个X Y图示仪 使示波器的功能得到扩展 图5 8表示两个同频率信号分别作用在X Y偏转板上时的情况 如果这两个信号初相相同 则可在荧光屏上画出一条直线 若X Y方向的偏转距离相同 这条直线与水平轴呈45 如果这两个信号初相相差90 则在荧光屏上画出一个正椭圆 若X Y方向的偏转距离相同 则在荧光屏上画出一个圆 示波器两对偏转板上都加正弦电压时显示的图形叫李沙育 Lissajous 图形 a 与同相位b 超前90o图5 8两个同频率信号构成的李沙育图形 5 3通用示波器5 3 1通用示波器的组成 通用示波器的组成如图5 9所示 主要由示波管 垂直通道 Y通道 和水平通道 X通道 三部分组成 此外 还包括电源电路 它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源 通用示波器中附有校准信号发生器 产生幅度和周期非常稳定的校准信号 如1kHz 0 5Vpp的方波 用于示波器的校准 以便对被测信号进行定量测量 图5 9通用示波器的组成 5 3 2通用示波器的垂直通道 通用示波器的垂直通道由输入电路 前置放大器 延迟级和输出放大器等部分组成 它的主要作用是 对单端输入的被测信号进行变换和放大 得到足够的幅度后加在示波管的垂直偏转板上 向水平通道提供内触发信号源 补偿x轴通道的时间延迟 以观测如脉冲等信号的完整波形 1 输入电路输入电路主要包括探极 耦合方式转换开关 衰减器 阻抗变换及倒相放大器等部分 如图5 10所示 图5 10Y通道输入电路框图 1 探极探极用于被测信号与示波器的连接 一般使用示波器附带的高频特性良好 抗干扰能力强的高输入阻抗探极进行连接 探极分为有源探极和无源探极两种 无源探极是个低电容 高电阻探头 在带有金属屏蔽层的塑料外壳内部装有一个RC并联电路 其一端接探针 另一端通过屏蔽电缆接到示波器的输入端 如图5 11所示 电容C为一可变电容 调整其大小以满足的条件 使探头误差与频率无关 图5 11无源探极的结构 这种由RC元件组成的探极称为无源探极 如果在探极中装有由晶体管构成的射 源 极跟随器 则称为有源探极 它具有更高的输入阻抗 适于测量高频及快速脉冲信号 2 衰减器衰减器常由电路组成 其原理示意图如图5 13所示 当满足 衰减器的分压比为 5 5 这时分压比与频率无关 称为最佳补偿 示波器的衰减器实际上是由一系列RC分压器组成的 改变分压比即可改变示波器的偏转灵敏度 这个改变分压比的开关即为示波器灵敏度粗调开关 在面板上常用 V cm 或 V div 作为标记 3 输入耦合方式输入耦合方式设有AC GND DC三档选择开关 观察交流信号时 置 AC 档 确定零电压时 置 GND 档 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号时 置 DC 档 4 阻抗变换及倒相放大器阻抗变换及倒相放大器的作用是将来自衰减器的单端信号转换为双端输出的对称信号送给Y输出放大器 差分放大器 这样可以克服放大器零点漂移的影响 也提高了放大器输入阻抗 同时隔离前后级的影响 又满足了Y偏转板对称信号输入的要求 2 前置放大器前置放大器将信号适当放大 从中取出内触发信号 并具有灵敏度微调 校正 Y轴移位 极性反转等控制作用 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 Y前置放大器大都采用差分放大电路 输出一对平衡的交流电压 若在差分电路的输入端输入不同的直流电位 相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变 可通过调节 Y轴位移 旋钮 调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置 垂直偏转放大器设计中要考虑的因素 除了放大器应具有足够大的信号放大倍数外 还要考虑波形无失真地被放大 即放大器应具有足够的带宽 3 延迟线当示波器工作在 内 触发状态时 扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间tT 如图5 14a所示 其结果是 脉冲的上升过程无法被完整地显示出来 延迟线的作用就是把加到垂直偏转板的脉冲信号也延迟一段时间 使信号出现的时间滞后于扫描开始时间 这样就能够保证在屏幕上可以扫描出包括上升时间在内的脉冲全过程 如图5 14b所示 a 没有延迟线时的情况b 加入延迟线后的情况图5 14延迟线的作用 4 Y输出放大器Y输出放大器是Y通道的主放大器 它的功能是将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度 用以驱动示波管的垂直偏转系统 使电子束获得Y方向的满偏转 Y输出放大器应具有稳定的增益 较高的输入阻抗 足够宽的频带 较小的谐波失真 以使荧光屏能不失真地重现被测信号 Y输出放大器大都采用推挽式放大器 以使加在偏转板上的电压能够对称 有利于提高共模抑制比 电路中采用一定的频率补偿电路和较强的负反馈 以使得在较宽的频率范围内增益稳定 5 3 3通用示波器的水平通道 水平通道 X通道 如图5 15所示 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 设Sx为水平方向的偏转灵敏度 水平板上所加电压为Us t 则偏转距离x为 5 6 由上式可知 随时间线性增长的扫描电压加在水平偏转板上 屏幕电子束即能由左向右随时间作水平扫描 这种扫描称为线性时基扫描 图5 15X通道组成框图 示波器的水平通道包括三部分 触发电路 其中包括触发方式选择 触发整形电路 时基发生器 由闸门电路 扫描发生器和释抑电路组成 水平放大器 时基发生器是水平通道的核心 它产生线性度好 频率稳定 幅度相等的锯齿波电压 水平放大器用来放大锯齿电压波 产生对称的锯齿波输至水平偏转板 触发电路控制时基的扫描闸门 以实现与被测信号的严格同步 1 触发电路触发电路的作用在于选择触发源并产生稳定可靠的触发信号 以触发扫描发生器产生稳定的扫描电压 其组成框图如图5 16所示 主要由触发源选择 耦合方式选择开关 触发电平与斜率选择器 放大整形电路等组成 1 触发源选择触发源有内触发 外触发和电源触发三种类型 触发源的选择应该根据被测信号的特点来确定 以保证荧光屏上显示的被测信号波形稳定 图5 16触发电路组成框图 2 触发耦合选择 DC 直流耦合用于接入直流 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 AC低频抑制 耦合触发信号经电容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 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 触发方式示波器的触发方式通常有常态 自动和高频三种方式 这三种方式控制触发整形电路 以便产生不同形式的扫描触发信号 由该触发信号去触发扫描电压发生器 形成不同形式的扫描电压 4 触发极性选择和触发电平调节触发电平以及极性选择用于选择合适稳定的触发点 以控制扫描电压的起始时刻 并使波形显示稳定 触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻 并决定被显示信号的起始点 触发极性是指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿 触发电平是指触发脉冲到来时所对应的触发放大器输出电压的瞬时值 5 放大整形电路由于输入到触发电路的波形比较复杂 频率 幅度 极性都可能不同 而扫描信号发生器要稳定工作 对触发信号要有一定的要求 整形电路的基本形式是电压比较器 当输入的触发源信号越过 触发极性和电平 选择设定的触发门限时 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 2 扫描发生器环扫描发生器环又叫时基电路 用来产生线性良好的锯齿波 并提供增辉 消隐脉冲和双踪示波器的交替显示控制等 主要由积分器 扫描闸门及比较释抑电路组成 如图5 18所示 闸门电路产生快速上升或下降的闸门信号 闸门信号再启动扫描发生器工作 产生锯齿波电压 同时闸门信号被送给增辉电路 以便在扫描正程加亮扫描的光迹 释抑电路在扫描开始后将闸门封锁 不再让它受到触发 直到扫描电路完成一次扫描且回复到原始状态之后 释抑电路才解除对闸门的封锁 使其准备接受下一次触发 图5 18扫描发生器环 3 水平放大器其基本作用是将经 内 外 输入选择后的单端输入X轴信号进行放大 转换成为大小合适的双端输出信号加在X轴偏转板上 并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度 X放大器的输入端置于 内 时 X放大器放大扫描信号 置于 外 时 水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号 由于示波器除了显示随时间变化的波形外 还可以作为一个x y图示仪来显示任意两个函数间的关系 例如显示前面提到的李沙育图形 水平放大器的工作原理与垂直放大器类似 也是线性 宽带放大器 改变X放大器的增益可以使光迹在水平方向得到扩展 或对扫描速度进行微凋 以校准扫描速度 改变与放大器有关的直流电位也可以使光迹产生水平方向的位移 5 3 4通用示波器的其他电路 1 校正器校正器可产生幅度和频率准确的基准方波信号 如1kHz 0 5V 它为仪器本身提供校准信号源 以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数 示波器设有两个校正器 分别调整幅度和扫描速度 1 幅度校正器幅度校正器产生幅度稳定不变并经过校正的电压 一般为方波 用于校正Y通道灵敏度 2 扫描时间校正器扫描时间校正器产生的信号 用于校正X轴时间标度 或用来检验扫描因数是否正确 信号由示波器内设的晶体振荡器或稳定度较高的LC振荡器提供 2 高 低压电源低压电源为示波器内部电路提供所需的直流电压 一般采用串联式稳压电路 高压电源电路主要用于示波器的高 中压供电 3 Z轴的增辉与调辉Z轴增辉电路的作用是将扫描发生器中的闸门信号放大 使显示的波形正程加亮 调辉电路的作用是将外调制信号或时标脉冲信号加到示波管上 使屏幕显示的波形亮度发生相应地变化 5 3 5示波器的多波形显示 1 多踪和多线显示 1 多线显示多线示波器是利用多枪电子管来实现的 测试时各通道 各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除 可获得较高的测量准确度 典型仪器是双线示波器 双线示波器采用双线示波管构成 双线示波管在一个玻璃壳内装有两个完全独立的电子枪和偏转系统 其中两对X偏转板往往采用相同的扫描电压 但两个Y通道常接入不同的信号 并可单独调整灵敏度 位移 聚焦 辉度等开关或旋钮 因双线示波器两个Y通道相互独立 因而可以消除通道之间的干扰现象 这种示波器除了观察周期信号外 还可以观测同一瞬间出现的两个瞬变现象 即可以实时看到两个瞬变信号 这种能产生多个电子束的示波管 工艺要求较高 价格较贵 这就限制了它的普遍应用 2 多踪显示在单线示波的基础上增加了电子开关 利用分时复用原理 分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上 最终实现多个波形的同时显示 典型仪器是双踪示波器 双踪示波器也称双迹示波器 它的垂直偏转通道由A和B两个通道组成 如图5 20所示 两个通道的输出信号在电子开关控制下 交替通过主通道 并加于示波管的同一对垂直偏转板 A B两个通道是相同的 包括输入电路 前置放大器以及门电路等 平衡倒相器的作用是把输入信号转换为对称的波形输出 与单踪示波器不同的是前置放大器中设有移位控制 可分别控制两个显示图形的上下位置 电子开关由触发电路控制的一对放大器 或射极跟随器 构成 触发电路的两个稳定状态分别控制两个放大器 把通道A或通道B接于主通道 主通道由中间放大器 延迟线 Y后置放大器组成 它对两个通道是公用的 图5 20双踪示波器Y通道原理框图 由面板开关控制的电子开关 可使双踪示波器工作于五种不同的状态 A B A B 交替 断续 A 电子开关将A通道信号接于Y偏转板 形成A通道独立工作的状态 B 电子开关将B通道信号接于Y偏转板 形成B通道独立工作的状态 A B A B两通道信号代数相加后 接到Y偏转板 显示两信号迭加后的波形 B通道的前置放大器内设有极性转换开关 可改变输入信号的极性 从而实现两信号的 和 或 差 的功能 交替 将A B两通道信号轮流加于Y偏转板 荧光屏上交替显示两个通道的信号波形 如图5 21a所示 具体实现时 是以时基发生器的回扫脉冲控制电子开关的触发电路 每次扫描后 改变所接通道 使得每两次扫描分别显示一次A通道波形和一次B通道波形 显然 电子开关的切换频率是扫描频率的一半 由于扫描频率分档可调 就要求开关切换频率跟随扫描频率变化 而一旦扫描频率低于50Hz 开关切换的频率就低于25Hz 显示的波形闪烁 所以交替方式适合于观察高频信号 断续 是在一个扫描周期内 高速地轮流接通两个输入信号 被测波形由许多线段时续地显示出来 如图5 21b所示 采用断续工作方式 使电子开关工作于自激振荡状态 振荡频率高达500kHz 1MHz 自动地轮流将A B两通道信号加于Y偏转板上 显示图形由点线组成 这样就可使每扫描一次 完成两个通道波形的显示 只有当转换频率远高于被测信号频率时 人眼看到的波形好象是连续的 否则波形断续现象很明显 因此 断续方式适用于被测信号频率较低的情况 a 交替 方式b 断续 方式图5 21双踪显示 双踪和双线示波器各有优缺点 双踪示波器比普通示波器增加的部件不多 可以达到较高指标 价格只增加上5 现在生产的示波器几乎都具有双踪功能 它的缺点是工作于交替方式时 需两次扫描才能显示两个波形 因而无法观察两个快速的单次信号或短时间的非周期信号 双线示波器两个通道是完全独立的 可以弥补上述不足 并且两个偏转系统可以用不同的时基发生器 使仪器更为灵活多用 但由于示波管性能的限制 双线示波器的技术指标一般较低 2 双时基扫描双时基扫描示波器有两个独立的触发和扫描电路 两个扫描电路的扫描速度可以相差很多倍 这种示波器特别适用于在观察一个脉冲序列的同时 仔细观察其中一个或部分脉冲的细节 即既可看全景 又可看局部 自动双扫描示波器的电路组成如图5 22所示 它工作的有关波形如图5 23所示 图5 22自动双扫描示波器的电路组成 设输入信号为由4个脉冲组成的脉冲串 现欲通过双扫描示波器在同一屏幕上仔细观测其中的第3个脉冲 这时可用A扫描 称慢扫描 去完整显示脉冲列 而用B扫描 称快扫描 去展开第3个脉冲 为了能同时观测脉冲序列的全貌及其中某一部分的细节 在X通道设电子开关 把两套扫描电路的输出交替地接入X放大器 电子开关还控制Y线分离电路 在两种不同扫描时 给Y放大器加不同的直流电位 使两种扫描显示的波形上下分开 由于荧光屏的余辉和人眼的残留效应 使人感到 同时 显示了两种波形 这称为 A延迟B 在扫描正程期间扫描门可以提供增辉脉冲 把A B扫描门产生的增辉脉冲叠加起来 形成合成增辉信号 如图5 23所示 用它来给A通道增辉 则A通道所显示的脉冲序列中 对应的扫描期间的那个脉冲 被加亮 如图5 22所示 称为B加亮A 在双扫描示波器的实现中 只有A延迟B方式 有的只有B加亮A方式 若两种方式都有的 被称为自动双扫描 图5 23自动双扫描示波器的工作波形 5 4取样示波器 随着被测信号频率的上升 被测脉冲的前沿越来越陡 通用实时示波器的带宽受垂直放大器通频带 扫描速度 图像亮度和示波管频率响应特性等各种因素的限制已不能满足需要 难以观测100MHz以上高频或超高频信号以及ns级的脉冲信号 为了观测这样的信号 可以在普通示波器的前面加一个取样装置构成取样示波器 即运用取样技术 把一个高频或超高频的信号经过跨周期的取样 形成一个波形和相位完全相同 幅度相等或成某种严格比例的低频或中频信号 然后在荧光屏上以断续的亮点显示出被测信号的波形 取样示波器属非实时示波器 把高频信号变成波形与之相似的低频或中频信号 可以观测GHz以上的超高频周期信号 5 4 1取样技术 1 取样原理对一个连续时间的输入信号u t 的取样如图5 24所示 取样过程在取样保持器中完成 取样保持器在原理上等效为一个受取样脉冲p t 控制的开关和电容的串联 当电子开关K接通时 输入信号ui t 经R将C充电到此刻对应的瞬时值 当K断开时 C上电压维持不变 此时 输入信号ui t 被取样 在周期性取样脉冲p t 的作用下 可得到一系列的取样点 形成离散输出信号us t us t 称为 取样信号 图5 24取样门及取样脉冲2 实时取样与非实时取样取样分为实时取样和非实时取样两种 从信号波形一个周期中取得大量取样点来表示一个信号波形 也就是取样脉冲的周期远小于输入信号的周期 并且取样持续的时间等于输入信号的一个周期或多个周期或输入信号实际经历的时间 这种取样方式称为实时取样 如图5 25所示 图5 25实时取样过程从被测信号的许多相邻周期波形上取得样点的方法称为非实时取样 或称为等效取样 如图5 26所示 取样后的信号波形是一串脉冲序列 但其包络线同样重现了原信号的波形 但因为波形包络来自于输入信号的多个周期 所经历的时间变长了 高频率的周期性输入信号变成了低频信号 故可用低频通用示波器来显示 图5 26非实时取样过程 5 4 2取样示波器工作原理 取样示波器利用了非实时取样的原理 由示波管 X通道和Y通道组成 其原理框图如图5 27所示 与普通示波器相比 主要差别是增加了取样电路和取样脉冲发生器 为了观测信号的陡峭前沿 必须把延迟线放在取样示波器的输入端 垂直Y通道的作用是在取样脉冲的作用下 把高频信号变为低频 离散的取样信号 并转换放大后加至示波管的Y通道 垂直Y通道由延迟线 取样门 延长门和Y放大器等电路组成 被测信号经延迟线送至取样门 取样门平时关闭 只有步进延迟的取样脉冲到来时才打开并取出样品信号 由于取样脉冲是宽度极窄的脉冲串 因而取样后得到的是一串串很窄的取样脉冲 其幅度对应于取样时刻的被测信号幅度 在取样后必须对取样信号进行脉冲延长和放大 延长门起记忆作用 把每个取样信号幅度记录下来并展宽 这样窄串的取样信号就变成了正比于取样值的阶梯电压 此阶梯电压最后经偏转放大器接至通用示波器的y偏转板 图5 27取样示波器组成框图X通道由触发电路 取样脉冲发生器 时基单元和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 该信号馈入时基单元 产生出步进延迟脉冲 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的工作 为了在屏幕上显示出由不连续的亮点构成的取样信号波形 必须采用与取样信号同步的阶梯波作扫描电压 其波形对应关系如图5 28所示 顺序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 图5 28显示过程 取样示波器与通用示波器主要有以下区别 1 取样示波器延迟级放在取样门前面 以便在内触发时提前提取一部分被测信号作为触发信号 这样观测时不会丢掉信号的陡峭前沿 2 取样示波器X通道产生时基扫描信号 是利用每一个步进延迟脉冲去触发阶梯波形成电路 使它的输出增长一级 扫描信号是线性阶梯波 由于 t步进延迟脉冲的作用 扫描信号与取样脉冲是同步的 而通用示波器中 扫描信号是线性的 3 通用示波器中 每触发一次 能产生一个完整的扫描信号 而取样示波器中 每触发一次 只能获得一个样点 4 取样示波器显示的波形由许多点组成 波形反映被测信号包络 但波形是经过变换的 波形经历时间远大于被测信号的实际经历时间 故取样示波器是一种非实时取样过程 它只能观测重复信号 对非重复的高频信号或单次信号 只能用高速示波器进行观测 5 4 3取样示波器的主要参数 1 取样示波器的带宽由于取样以后信号频率已经变低 因此对取样示波器的频率限制主要在取样门 一个系统的频带宽度是指系统频率特性下降3dB所对应的频率范围 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 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 3 等效扫描速度通用示波器的扫描速度是指单位时间内电子束在水平方向上的位移 而对取样示波器 假设信号波形由n个取样点组成 虽然在屏幕上显示n个亮点需要的时间 但信号实际经历的时间为n t 所以等效扫描速度为 5 12 式中 L表示扫描线长度 4 取样频率取样频率即取样脉冲的重复频率 也是取样门的工作频率 取样频率越高 越能反映被测信号的特征 5 5数字存储示波器 数字存储示波器采用数字电路 将输入信号先经过A D转换器 将模拟波形变换成数字信息 存储于数字存储器中 需要显示时 再从存储器中读出 通过D A转换器 将数字信息变换成模拟波形显示在示波管上 因此 与记忆示波器相比 它具有存储时间长 能捕捉触发前的信号 可通过接口与计算机相连接等特点 5 5 1数字存储示波器的原理 数字存储示波器的基本结构框图如图5 29所示 当图中的三个选择开关同时置1时 接通模拟信号显示方式 示波器与普通示波器工作原理相同 当三个选择开关同时置2时 接通数字存储工作方式 在这种工作方式中 输入的被测信号通过A D转换器变成数字信号 由地址计数脉冲选通存储器的存储地址 将该数字信号存入存储器 存储器中的信息每256个单元组成一页 即一个地址页面 当显示信息时 给出页面地址 地址计数器则从该页面的0号单元开始 读出数字信息 送到D A转换器 变换成模拟信号送往垂直放大器进行显示 同时 地址信号亦经过X方向D A转换器 送入水平放大器 以控制Y方向信号显示的水平位置 图5 29数字存储示波器基本框图 存储示波器的工作过程如图5 30所示 当被测信号接入时 首先对模拟量进行取样 图5 30a中的ao a7点即对应于被测信号uy的8个取样点 这种取样是 实时取样 是对一个周期内信号的不同点的取样 它与取样示波器的跨周期取样是不同的 8个取样点得到的数字量 即二进制数字 01数列 分别存储于地址为00开始的8个存储单元中 地址号为00 07 其存储的内容为Do D7 在显示时 取出Do D7数据 进行D A变换 同时存储单元地址号00 07也经过D A变换 形成图5 30d所示阶梯波 加到X水平系统 控制扫描电压 这样就将被测波形uy重现于荧光屏上 如图5 30e所示 只要X方向和Y方向的量化程度足够精细 图5 30e波形就能够准确地代表图5 30a的波形 图5 30存储示波器工作过程 5 5 2数字存储示波器主要特点 1 波形的取样 存储与波形的显示是独立的 可以无闪烁地观测极慢变化信号 对于观测极快信号来说 数字存储示波器可采用低速显示 2 可将已存储的波形与实时波形同时显示 以便进行比较 3 波形可长期保存 多次显示 便于观察单次出现的瞬变信号 4 具有存储触发前信息的功能 5 具有多种显示方式 现代数字存储示波器都采用大尺寸的LCD作显示屏 有的甚至采用彩色LCD屏 具有灵活多样的显示方式 如基本存储显示 抹迹显示 卷动显示 放大显示 X Y显示 测量结果的数字显示 波形与文字同屏显示 多种语言显示等 可适应不同情况下波形观测的需要 6 便于进行数据分析 处理 在数字存储示波器中 嵌入式微处理器是其核心 因而利用微处理器强大的数据分析和处理能力 7 精确度高 数字存储示波器采用光标测量时 能减少输入放大器和示波管线性度的影响 可以获得较高的精确度 8 具有多种输出方式 便于进行功能扩展和自动测试 数字存储示波器可通过改变工作程序的方式来扩展仪器功能 与其它仪器设备一起构成自动测试系统 数字存储示波器存储的数据 显示的波形可在微处理器的控制下通过接口以各种方式输出 如直接在屏幕上用数字形式 或用GPIB接口总线或打印口 软驱等输出 5 5 3数字存储示波器的主要技术指标 1 最高取样速率最高取样速率指单位时间内取样的次数 也称数字化速率 用每秒钟完成的A D转换的最高次数来衡量 2 存储带宽数字存储示波器的存储带宽分为单次信号存储带宽和重复信号存储带宽 对于单次信号和慢速变化的信号 数字存储示波器采用实时取样方式工作 其带宽取决于最大取样速率和所采用的显示恢复技术 对一个满刻度的正弦波来说 单次存储带宽 5 14 式中 K为常数 对于重复信号 数字存储示波器采用顺序取样或随机取样技术 重复信号的存储带宽可达到示波器模拟应用时的带宽 3 分辨率分辨率是示波器能分辨的最小电压增量 它包括垂直分辨率 电压分辨率 和水平分辨率 时间分辨率 4 存储容量存储容量又称存储长度 通常定义为获取波形的取样点的数目 它由采集存储器 主存储器 的最大存储容量来表示 常以字 Word 为单位 5 扫描时间因数t div扫描时间因数取决于来自A D变换器的数据写入获取存储器的速度及存储容量 扫描时间因数为相邻两个取样点的时间间隔 取样窗口 与每格取样点数的乘积 即 5 15 5 6示波器的基本测量技5 6 1示波器的正确使用 1 示波器的选用 1 根据要显示的信号数量选择观测一路信号可选用单踪示波器 同时观测两个信号可选用双踪示波器 同时观测更多个信号时 可使用多踪或多束示波器 2 根据被测信号的频率特点选择观察和测量低频缓慢变化的信号可选用长余辉慢扫示波器 如果要观测频率很高的周期性信号 当普通示波器频宽不能满足要求时 可考虑采用取样示波器 3 根据被测信号的重现方式选择若需观察和测量的信号为一次性过程 应选用带有单次触发扫描的示波器或记忆示波器 若需将被测信号存储起来 可选用存储示波器 4 根据被测信号的测试重点选择若需观察和测量整个信号波形 又需对波形的局部进行突出显示时 应选用双扫描示波器 2 探头的正确使用常见探头为低电容高电阻探头 由于探头具有10倍的衰减 将使示波器的灵敏度也下降10倍 在使用过程中 必须注意以下两点 探头和示波器是配套使用的 不能互换 否则将会导致分压比误差增加或高频补偿不当 低电容高电阻探头可进行定期校正 5 6 2用示波器测量电压 1 直流电压的测量被测直流电压值为 5 16 式中 h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度 cm 为示波器的垂直偏转因数 V div 若使用带衰减器的探头 应考虑探头衰减系数k 此时 被测直流电压值为 5 17 一般示波器探头衰减系数k的值为1或10 图5 31示波器测量直流电压2 交流电压的测量使用示波器测量交流电压是可以直接观测到波形的形状 波形是否失真 频率和相位情况 如图5 32所示 被测交流电压峰 峰值为 5 18 式中 h为被测交流电压波峰和波谷的高度 也可是欲观测的任意两点信号电平间的高度 cm 为示波器的垂直偏转因数 V div 若使用带衰减器的探头 应考虑探头衰减系数 此时 被测交流电压的峰 峰值为 5 19 图5 32示波器测量交流电压 5 6 3用示波器测量时间和频率 1 测量周期和频率对于周期性信号 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 用示波器测量时间与用示波器测量电压的原理相同 它们的区别在于测量时间要着眼于X轴系统 如图5 33所示 被测交流信号的周期T为 5 20 式中 x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离 cm 为示波器的扫描速度 s div 若使用了X轴扩展倍率开关 应考虑扩展倍率的使用 此时 被测交流信号的周期为图5 33示波器测量信号周期 2 测量时间间隔时间间隔的测量方法如下 1 用示波器测量同一信号中任意两点A与B的时间间隔的测量方法与周期的测量方法相同 如图5 34a所示 A与B的时间间隔为 5 22 式中 为A与B的时间间隔在荧光屏水平方向所占距离 2 若A B两点分别为脉冲波前后沿的中点 则所测时间间隔为脉冲宽度 如图5 34b所示 3 若采用双踪示波器 可测量两个信号的时间差 将两个被测信号分别输入示波器的两个通道 采用双踪显示方式 调节相关旋钮 使波形稳定且有合适的长度 然后选择合适的起始点 即将波形移到某一刻度线上 如图5 34c所示 最后由式 5 22 可得时间差 a A与B时间间隔b 脉冲宽度测量c 两个信号的时间差图5 34示波器测量信号的时间间隔 5 6 4用示波器测量相位 1 用双踪示波法测量相位利用示波器线性扫描下的多波形显示是测量相位差最直观 最简便的方法 相位测量的原理是把一个完整的信号周期定为360 然后将两个信号在X轴上的时间差换成角度值 两信号的相位差为 5 23 图5 35测量两信号的相位差 图5 36李沙育图形法测量信号相位差 2 用李沙育图形法测量相位在低频信号的相位差测量中 常采用李沙育图形法 也称为椭圆法 这种方法是要把比较相位差的两个同频率 同幅度的正弦信号分别送入示波器的Y通道和X通道 使示波器工作在显示方式 这时示波器的屏幕上会显示出一个椭圆波形 即李沙育图形 如图5 36所示 由椭圆上的坐标可求得两信号的相位差为或 5 24 虽然李沙育图形法测量过程比双踪示波法复杂 但其测量结果要比双踪示波器准确得多 本章小结 1 示波器的基本特点 能显示信号波形 可测量瞬时值 输入阻抗高 工作频带宽 速度快 便于观察高速变化的波形的细节 在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系 2 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 3 模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示 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 4 模拟示波器主要技术指标 频带宽度BW和上升时间tr 扫描速度 偏转因素 输入阻抗 输入耦合方式 触发源选择方式 5 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为 扫描 能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压 光点左向右的连续扫动称为 扫描正程 自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为 扫描逆程 6 如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx nTy的关系 则称扫描电压