电气测量技术第四章ppt课件.ppt

1 第四章电子式电测仪表 4 1概述 了解示波器的结构和显示波形的基本原理 初步掌握其使用方法学习示波器 低频信号发生器的使用方法学习使用示波器测量观察信号的电压 频率 位相差的一些方法 back 2 第四章电子式电测仪表 4 1概述 4 1概述4 2原理4 3应用4 4注意事项 back 4 1概述 第四章电子式电测仪表 对于一个电信号 可以用它的瞬时幅值随时间的变化情况来表示 例如 用各种电子示波器对电信号的波形及表征它的各种参数进行测试的方法 称为时域分析方法 电子示波器又称阴极射线示波器或电子射线示波器 是可观察时域电压信号波形或两时域电压信号间函数关系的快速显示仪器 电子示波器虽然只能测量电压波形 但可以通过变换电路 实现对电流 功率等其他电量的测量 也可以通过传感器 测量机械 物理 医学等各种非电量 还可以用来作为比较仪器的指示仪器 所以示波器有相当广泛的应用范围 4 4 1概述 第四章电子式电测仪表 模拟示波器 5 4 1概述 第四章电子式电测仪表 数字存储示波器 示波器的类型 通用型 多束型 记忆存储型 特殊型 智能型 取样型 数字存储型示波器的基本结构 示波管 电子枪 偏转板 荧光屏 电压放大器 带衰减器的X和Y轴放大器 延迟线扫描电路 时基发生器 触发电路电源 4 1概述 第四章电子式电测仪表 back 7 4 2原理 第四章电子式电测仪表 电子示波器是利用被测电压控制示波管中的电子束 通过电子束的偏转反映被测信号的变化 由电子束轰击在荧光屏上而激发出亮光 亮光连成的轨迹就代表了被测信号的波形 8 4 2原理 第四章电子式电测仪表 示波管 简称CRT 它是一种利用高速电子冲击荧光屏使它发光的显示器件 示波管由电子枪 偏转系统和荧光屏三个部分组成 整个结构密封在一个喇叭状的抽成真空的玻璃壳中 就其用途而言 它是把电信号变成光信号的转换器 9 垂直偏转 电子式电测仪表 垂直 水平偏转 第四章电子式电测仪表 4 2 1示波管 10 电子式电测仪表 连续扫描 扫描电压周期不等于被测信号周期的整数倍时 第四章电子式电测仪表 4 2 2扫描方式 11 电子式电测仪表 触发扫描 延迟线 将被测信号延迟至扫描电压产生后再送到垂直偏转板上 以保证在屏幕上显示完整的被测信号波形 第四章电子式电测仪表 4 2 2扫描方式 12 电子式电测仪表 双踪显示 交替法 用扫描锯齿波信号控制S1 S2 断续法 用一个固定频率的方波 让S1 S2自行交替接通 第四章电子式电测仪表 4 2 3双踪显示 双踪显示的电子开关 一般用双束示波管或用单束示波管外加电子开关实现 13 电子式电测仪表 双踪显示 第四章电子式电测仪表 4 2 3双踪显示 交替法 用扫描锯齿波信号控制S1 S2 断续法 用一个固定频率的方波 让S1 S2自行交替接通 14 多通道显示模式 交替断续 第四章电子式电测仪表 4 2 3双踪显示 15 第四章电子式电测仪表 4 2 4其他 放大器作用灵敏度选择开关 V DIV 或 VOLTS DIV 扫描速度控制 T DIV 或 SEC DIV 示波器电源 高压部分和低压两部分 16 第四章电子式电测仪表 4 2 5性能指标 1 频率响应范围 频带宽度 频率响应范围是指被测信号在屏幕上显示图像幅度的下降 衰减 小于 分贝 dB 的频率区域 即上限频率与下限频率之差 由于示波器的fH fL 所以频率范围可以用fH表征 示波器的频率范围越宽 其应用范围越广 2 扫描速度 时基因素 扫描速度即光点移动的速度 其单位是DIV s 格 秒 或cm s 被测信号频率不同时 扫描速度也应不同 扫描速度越高 示波器能够展开高频信号或窄脉冲信号波形的能力越强 相反 对缓慢变化的信号 则要求以相应的低速扫描 所以 示波器的扫描速度范围越宽越好 17 第四章电子式电测仪表 4 2 5性能指标 3 输入阻抗 示波器的输入阻抗用输入端测得的直流电阻值Ri和电容Ci的并联电路来等效 Ri越大 Ci越小 输入阻抗越大 示波器对被测信号的影响越小 4 偏转灵敏度 偏转灵敏度指荧光屏上偏转单位长度所对应无衰减被测信号峰 峰值的大小 体现示波器观测微弱信号的能力 其值越小 偏转灵敏度越高 示波器观测微弱信号的能力越强 一般示波器的偏转灵敏度为每厘米几毫伏 18 第四章电子式电测仪表 4 2 5性能指标 5 时域响应指标 瞬态响应 示波器的电子电路在方波脉冲作用下的响应特性 主要用上升时间tr 下降时间tf 上冲S0 下冲Sn 预冲Sp 下垂 等参数表示 标准矩形方波的示波器显示图形 19 第四章电子式电测仪表 4 3示波器的应用 电压的测量时间的测量频率的测量两个同频率信号的相位差测量两个不同频率信号的测量X Y方式的应用电视信号的测量 20 第四章电子式电测仪表 4 3 1电压的测量 测量电压时 把通道灵敏度选择开关 VOCIS DIV 的微调位置以顺时针方向旋至满度的校准位置 这样可以按 VOLTS DIV 的指示值直接计算被测信号的电压幅值 交流电压的测量 21 第四章电子式电测仪表 4 3 1电压的测量 先将Y轴耦合方式开关置 GND 位置 调节Y轴移位使扫描基线在一个合适的位置 再将耦合开关置 DC 位置 直流电压的测量 VOLTS DIV 的指示值为0 5则Vp p 0 5 3 7 1 85V 22 第四章电子式电测仪表 4 3 2时间的测量 时间间隔的测量 对某信号的周期或该信号任意两点间时间的测量 可在波形获得稳定同步后 根据该信号周期或需测量的两点间在水平方向的距离乘以扫描速率开关 SEC DIV 的指示值获得 23 第四章电子式电测仪表 4 3 2时间的测量 上升时间的测量 当需要观察该信号的某一细节 如快跳信号的上升或下降时间 时 可将 SEC DIV 开关的扩展旋钮拉出 使显示的距离在水平方向得到5倍的扩展 调节X轴位移 使波形处于方便观察的位置 此时测得的时间值应除以5 24 第四章电子式电测仪表 4 3 3相位的测量 直接测量法 25 第四章电子式电测仪表 4 3 3相位的测量 李萨育图形法 26 第四章电子式电测仪表 4 3 4频率的测量 对于重复信号的频率测量 可先测出该信号的周期 再根据公式计算出频率 若被测信号的频率较高 即使将 SEC DIV 开关已调至最快档 屏幕中显示的波形仍然较密 为了提高测量精度 可根据X轴方向10格内显示的周期数用下式计算频率 频率测量的另一种方法是李萨育图形法 即在示波器的X轴加可调标准频率信号 在Y轴加被测信号 反复调节标准信号的频率和幅值 使示波器显示稳定的圆形或椭圆形 则标准信号的频率值即为被测信号频率 27 第四章电子式电测仪表 4 3 5两个不同频率信号的测量 当需要同时测量两个不同频率信号时 应将垂直方式开关置交替 ALT 位置 并将触发源选择开关通道1 CH1 通道2 CH2 两个按键同时按入 调节电平可使波形获得同步 使用该方式工作时 应注意以下两点 1 因为该方式仅限于在 垂直方式 为 交替 时使用 因此被测信号的频率不宜太低 否则会出现两个通道的交替闪烁现象 2 当其中一个通道无信号输入时 将不能获得稳定同步 28 第四章电子式电测仪表 4 3 6X Y方式的应用 在某些特殊场合 X轴的光迹偏转需由外来信号控制 或需要X轴也作为被测信号的输入通道 如 外接扫描信号 李萨育图形的观察或作为其它设备的显示装置等 都需要用到该方式 X Y方式的操作步骤为 将 SEC DIV 开关逆时针方向旋至 X Y 位置 由通道1输入插座 CH1ORX 端口输入X轴信号 其偏转灵敏度仍然按该通道的 VOLTS DIV 开关指示值读取 但该方式的X轴灵敏度扩展则是水平扩展 5键来控制 29 第四章电子式电测仪表 4 3 6X Y方式的应用 李萨育法 椭圆法 测量相位差 30 荧光屏上的光点不能调得太亮 并且不能长时间停留在屏上 以免损坏荧光屏 使用示波器应轻轻旋动各旋钮 当旋钮拧不动时不可强拉硬转 否则将损坏仪器 4 4注意事项 第四章电子式电测仪表 back 实验过程中 光点强度不能太高 短时间不使用时 应将辉度关掉 31 4 5取样示波器 第四章电子式电测仪表 back 一 实时示波器无论是连续扫描还是触发扫描 都是在被测信号可经历的实际时间内显示信号波形 即测量时间 一个扫描正程 与被测信号的实际持续时间相等 故称实时测量方法 与此相应这种示波器叫 实时示波器 二 实时示波器的缺点实时示波器的上限工作频率直接受下列因素的限制1 受到示波管上限工作频率的限制 2 受Y通道放大器带宽的限制 3 受时基电路扫描速度的限制 扫速必须与信号速度相当 三 取样示波器利用取样技术把高频重复信号变成低频离散信号加以非实时显示 4 5 1取样原理 第四章电子式电测仪表 back 一 取样广义 对连续波形离散的采集样本 从而用离散信号代替连续波形 取样 利用采样门把连续时间信号变成离散时间信号原理 采用取样技术 把高频 快速的重复信号变换成低频信号 再通过类似于通用示波器的方法 将变换后的信号显示出来 实时取样 33 4 5 1取样原理 第四章电子式电测仪表 back 实时取样的特点是 取样一个波形所得脉冲列的持续时间 b 等于输入信号实际经历的时间 a 脉冲越窄越好因此实时取样不能解决通用示波器的频带不够的问题 34 4 5 1取样原理 第四章电子式电测仪表 back 非实时取样 取样电压是由多个波形上取到的 并非实际经历时间 非实时取样 35 4 5 2取样电路 第四章电子式电测仪表 back 1 取样原理 取样保持器的基本原理 36 4 5 2取样电路 第四章电子式电测仪表 back 2 闭环取样电路 37 4 5 2取样电路 第四章电子式电测仪表 back 取样脉冲与被测信号第一次相遇点是信号的起始点 在时刻进行第一次取样 第二次取样在进行 两次可以相隔mT个周期 每一次比前一次延迟 m 两个取样脉冲之间被测信号周期数 取样后的取样电压虽然也是一串脉冲列 但这串脉冲列的持续时间却大大拉长了 两个脉冲之间的时间间隔变为 由于包络波形所需时间拉长 相对扫速降低 就有可能用一般低频示波器显示 由于显示一个信号包络所需时间 测量时间 远大于被测信号实际所经历的时间 所以是非实时取样 二 显示信号的合成过程如何显示离散波形 需给X Y偏转板加什么样的电压 38 4 5 2取样电路 第四章电子式电测仪表 39 4 5 3取样示波器基本组成 第四章电子式电测仪表 40 4 5 3取样示波器基本组成 第四章电子式电测仪表 41 4 5 3取样示波器 第四章电子式电测仪表 back 取样脉冲周期取样次数所需取样时间 42 4 5 4取样示波器的主要参数 第四章电子式电测仪表 back 取样示波器的几个主要参数 一 取样示波器的带宽 数十GHz频率限制主要在取样门 fh与采样脉冲宽度成反比 二 取样密度 屏上水平轴上单位长度内所包含的取样点数目 用每cm的光点数表示 三 等效扫速等效于被测信号经过了时间与水平方向展宽的距离L之比 43 取样示波器是非实时取样取样示波器的X轴具有双重任务 产生扫描阶梯电压 控制Y通道产生量化电压扫描信号是阶梯式变化的 非线性 只能测量重复频率较高的信号 4 5 4取样示波器 第四章电子式电测仪表 back 取样示波器与通用示波器的主要差别 44 4 6数字存储示波器 第四章电子式电测仪表 back 数字存储示波器与模拟示波器的比较 45 4 6数字存储示波器 第四章电子式电测仪表 back 典型数字示波器原理框图 1 数字存储示波器的基本组成 46 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 1 采样方式实时采样 所有采样点是示波器一次触发而获得 47 随机采样 多点随机采样 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 1 采样方式等效时间采样 随机采样 48 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 1 采样方式等效时间采样 顺序采样 对较低频率信号采用实时采样技术 对较高频率信号采用等效时间采样技术 49 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 2 采样速率 即数字化速率 通常可用3种方式描述 采样次数 表示成单位时间内采样的次数 采样频率信息率 表示为单位时间存储多少位 bit 的数据 采样速率受存储容量 记录长度 的限制 为防止采样存储器的溢出 在不同的扫描速率时 要求采样速率具有对应关系 50 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 3 采样器件 两路组合采样原理 并联比较式A D转换器多个A D交叉复用 以成倍提高采样速率 51 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 3 采样器件 CCD A D技术 CCD A D组合采集原理 先高速模拟存储 再进行慢速A D数字化处理 52 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 4 采样存储器 采样存储器的环形结构 各存储单元按串行方式依次寻址 且首尾相接 每次采样的数据按顺序依次存储 53 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 State1 无信号输入 可见水平线 State2 一通道输入方波 仪器未触发 观察到晃动的波形 State3 按下快门 选择上升沿触发 将触发电平调整到波形内 将仪器触发 State4 信号稳定显示 获取稳定的图像 并可以保存 正确理解触发的概念 54 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 数字示波器的触发可看作是从存储器中选取信号的一个标志 延迟触发 55 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 边沿触发触发原理 在输入信号边沿的触发阈值上触发 56 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 脉宽触发触发原理 根据脉冲的宽度来确定触发时刻 57 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 脉宽触发适合信号 方波 脉冲信号等 边沿触发 脉宽触发 58 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 斜率触发触发原理 依据信号的上升 下降时间来判断 59 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 斜率触发适合信号 三角波 锯齿波等 边沿触发 斜率触发 60 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 码型触发适合信号 数字信号 61 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 耦合耦合可以分为通道耦合和触发耦合 通道耦合包括直流 交流 触发耦合包括直流 交流 高频抑制 低频抑制 62 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 耦合交流耦合是只通过信号交流成分 阻止直流成分相当于高通滤波 当信号包括直流和交流成分时 而实际只关心交流成分时 就选择交流耦合 直流耦合则是通过信号的全部成分 当观察直流信号或者低频信号时 必须选择直流耦合 63 4 6 1信号采集技术 第四章电子式电测仪表 back 5 触发方式 耦合高频抑制和低频抑制应用于触发中 主要目的是为了使触发能够稳定 高频抑制是抑制150KHz以上的频率信号 当信号中包含高频噪声使触发不稳定时 可以使用高频抑制 低频抑制是抑制8KHz以下信号 64 4 6 2波形显示技术 第四章电子式电测仪表 back 1 点显示方式 视觉混淆示意图 65 4 6 2波形显示技术 第四章电子式电测仪表 back 2 数据点插入技术 用数据点插入技术可以解决视觉错误问题 主要有两种插入方法 即线性插入和曲线插入 66 4 6 3控制系统 第四章电子式电测仪表 back 数字存储示波器的控制系统需要完成数据采集 数据处理 显示 人机控制等功能 用一个微处理器很难及时完成这些任务 因此现代数字存储示波器出现多CPU系统 通常一个CPU为主CPU 具有相应的存储器 ROM RAM 输入输出接口 I O 和外设 键盘 显示器等 执行管理整个仪器的软件 其余CPU为从CPU 在主CPU管理下完成一部分工作 如数据采集CPU 数据处理CPU 通信管理CPU等 67 4 6 4性能指标 第四章电子式电测仪表 back 1 最高采样速率 2 存储带宽BW a 重复带宽 等效带宽 b 单次带宽 有效存储带宽 N 每格的采样点数 t DIV 扫描速率 fsmax 最高采样速率 k 每周期采样点数 即单位时间内采样次数 也称数字化速率 用每秒完成的A D转换的最高次数来衡量 实时采样速率 68 4 6 4性能指标 第四章电子式电测仪表 back 3 分辨率 分辨率指示波器能分辨的最小电压增量 即量化的最小单元 垂直分辨率 电压分辨率 与A D转换器的分辨率相对应 以每格的分级数或百分数表示 水平分辨率 时间分辨率 由采样速率和存储器容量决定 以屏幕每格含多少点或用百分数表示 69 4 6 4性能指标 第四章电子式电测仪表 back 4 存储容量 存储容量即记录长度 由采样存储器的最大容量表示 数字存储示波器常用256 512 1K 4K等容量的高速半导体存储器 5 读出速度 读出速度指将数据从存储器中读出的速度 常用 时间 DIV 表示