中职中专_电子测量与仪器_示波器_课件.ppt

07 03 2020 1 第3章示波测试技术 3 1概述3 2示波测量的基本原理3 3通用示波器3 4数字存储示波器3 5示波器的选择和使用3 6示波器的基本测量实例 结束放映 07 03 2020 2 3 1概述 对信号的处理方式 返回 3 1 1示波器的分类 示波器 07 03 2020 3 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 3 1 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 07 03 2020 4 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 07 03 2020 5 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 3 2示波测量的基本原理 3 2 1阴极射线示波管 返回 07 03 2020 6 示波管结构图及供电电路 07 03 2020 7 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 07 03 2020 8 3 第一阳极A1 第二阳极A2A1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 07 03 2020 9 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 07 03 2020 10 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 3 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 07 03 2020 11 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 07 03 2020 12 2 设Ux 0 Uy Umsin t 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 07 03 2020 13 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 07 03 2020 14 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 07 03 2020 15 4 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy Umsin t 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 07 03 2020 16 5 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy Umsin t 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 07 03 2020 17 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 Umsin t 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 07 03 2020 18 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 07 03 2020 19 4 X Y显示方式示波器也是一个X Y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X Y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 07 03 2020 20 3 3通用示波器 通用示波器的组成 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 07 03 2020 21 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 3 3 1通用示波器的垂直系统 通道 返回 07 03 2020 22 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 07 03 2020 23 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 07 03 2020 24 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 电阻衰减直流分量 电容器衰减交流分量 07 03 2020 25 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 07 03 2020 26 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 07 03 2020 27 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 确保显示波形的稳定 能产生增辉或消隐信号 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 3 3 2通用示波器的水平系统 通道 返回 07 03 2020 28 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 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 07 03 2020 29 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 07 03 2020 30 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 07 03 2020 31 2 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 07 03 2020 32 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 07 03 2020 33 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 07 03 2020 34 3 触发极性 开关S3称为触发极性开关 当S3置于 则在触发源信号的上升部分某时刻开始产生锯齿波 即开始扫描 若S3置于 则在被测信号的下降部分某时刻开始扫描 4 触发电平 电位器RP为 触发电平 电位器 调节它可以选择合适的触发点 以控制锯齿波电压的起始时刻 07 03 2020 35 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 07 03 2020 36 3 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 07 03 2020 37 4 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 07 03 2020 38 1 高低压电源 低压电源为电路提供所需的直流电压 高压电源多用于示波器的高 中压供电 2 Z轴的增辉与消隐 1 扫描正程让电子束通过 在荧光屏上显示被测信号波形 必要时 可在Z轴电路上外加信号来对显示图形进行加亮 即增辉 2 在扫描逆程开始至触发脉冲到来并启动扫描之前 使电子束截止 这样荧光屏上无迹线显示 称为消隐 此外 在双踪示波器及双扫描示波器中 还要对波形转换过程中的光迹进行消隐处理 3 校准信号发生器 产生幅度和频率准确的基准方波信号 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 3 3 3通用示波器的主机系统 返回 07 03 2020 39 3 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 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 07 03 2020 40 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 07 03 2020 41 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 YA YB 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 07 03 2020 42 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 07 03 2020 43 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 07 03 2020 44 CA8020A前面板控制装置图 通用示波器典型产品介绍 07 03 2020 45 3 4数字存储示器 数字存储示波器 DigitalStorageOscilloscope 简称DSO 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 返回 3 4 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 07 03 2020 46 3 4 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 07 03 2020 47 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 07 03 2020 48 3 4 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 07 03 2020 49 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 07 03 2020 50 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 07 03 2020 51 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 07 03 2020 52 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 07 03 2020 53 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 07 03 2020 54 3 4 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 07 03 2020 55 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 07 03 2020 56 典型产品介绍 TDS220数字实时示波器前面板图 07 03 2020 57 3 5示波器的选择和使用 根据被测信号特性选择 1 若定性观察一般的正弦波或其他重复信号的波形 被测信号频率也不高 可选用普通示波器或简易示波器等 2 若观察非周期信号 很窄的脉冲信号 应当选用具有触发扫描或单次扫描功能的宽频带示波器 其扫描速度应能使显示的脉冲信号占有荧光屏的大部分面积 3 若观察快速变化的非周期性信号 则应选用高速示波器 返回 3 5 1示波器选择的一般原则 07 03 2020 58 4 若观察低频缓慢变化的信号 可选用低频示波器或长余辉慢扫描示波器 5 若需要对两个被测信号进行比较 则应选用双踪示波器 若需要同时观测多个被测信号 则应采用多通道示波器 6 若希望将被测信号波形的局部突出显示 则可采用双时基示波器 7 若希望将波形存储起来 可选择存储示波器 8 若希望在野外进行示波测量 应采用便携式示波器 07 03 2020 59 使用前须检查电网电压是否与示波器要求的电源电压一致 通电后需预热几分钟再调整各旋钮 各旋钮应先大致旋在中间位置 以便找到被测信号波形 3 5 2示波器的正确使用 1 辉度使用示波器时 亮点辉度要适中 不宜过亮 且光点不应长时间停留在同一点上 以免损坏荧光屏 2 聚焦应使用光点聚焦 不要用扫描线聚焦 如果用扫描线聚焦 很可能只在垂直方式上聚焦 而在水平方向上并未聚焦 显示方波时可能会出现如下图所示这样的现象 07 03 2020 60 3 测量应在示波管屏幕的有效面积内进行测量 最好将波形的关键部位移至屏幕中心区域观测 这样可以避免因示波管的边缘弯曲而产生测量误差 4 探头探头要专用 且使用前要校正 将示波器内部校正信号 方波信号 经探头接入通道 观察波形形状 07 03 2020 61 3 6示波器的基本测量实例 返回 3 6 1模拟示波器测量实例 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 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 07 03 2020 62 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 07 03 2020 63 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 07 03 2020 64 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