《时域测量01a》PPT课件.ppt

1、2.1 概述 2.2 模拟示波器 （1）示波器的组成 （2）CRT显示原理 （3）示波管与直流供电系统 （4）垂直系统 （5）水平放大系统 2.3 示波器的交替和断续显示 2.4 取样示波器 2.5 记忆示波器 2.6 数字存储示波器 2.7 示波器功能的扩展 2.8 示波器的应用,第2章 时域测量(示波器),重点与难点, 重点： 掌握各种示波器的电路组成、测试的基 本原理、测试方法及应用；掌握扫描、同步、触发等基本概念。 难点： 扫描、同步、触发等概念；示波器各种功能键、控制键与电路的对应关系。,2.1 概述,电子示波器是应用最广泛的测量仪器，其用途是时域测量。不但可以测电量，还可测非电量。

2、 示波器是时域分析的最典型仪器，也是当前电子测量领域中，品种最多、数量最大、最常用的一种仪器，使用示波器可直观地看到电信号随时间变化的图形。更广泛的，只要能把两个有关系的变量转化为电参数，分别加至示波器的X、Y通道,就可以在荧光屏上显示这两个变量之间的关系。,2.1.1 示波器的主要特点 （1）工作特点 1）速度快（电子束）、工作频率范围宽，适于测试快速脉冲信号； 2）灵敏度高：配高增益放大器，能测微弱信号；不用表针指示方式，过载能力强； 3）输入阻抗高，对被测电路影响很小； 4）测量功能强。,（2）应用特点 1）对波形的测量极其有效，是以短暂扫迹的形式显示一个量的瞬时值； 2）能直接表示二维

3、、三维及多维变量之间的瞬态或稳态函数关系，逻辑关系； 3）成为一种直观、通用、精密的测量工具。,2.1.2 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 采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。 （2）数字示波器 对信号进行数字化处理后再显示。,1 模拟示波器,模拟示波器可进一步分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。 通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器。 多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生。 取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。 记忆示波器采用有记忆功能的

4、示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示。 专用示波器是能够满足特殊用途的示波器特种示波器。,2 数字示波器,数字示波器将输入信号数字化（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、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器。 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。,2.2 模拟示波器,2.2.1 模拟示波器的基本构成,主要由垂直系统、水平系统和主机三部分组成。,高压和显示电路：提供示波管正、负极直流高压，以及辉度、聚焦和辅助聚焦调节等直流控制电压。 Z轴电路：输出扫描增辉脉冲的放大信号，使屏幕上扫描正程期间显示的波形加亮。可

5、用外z轴输入调制，显示的波形变暗。 输入电路：具有信号输入交直流耦合开关、高阻输入衰减器、阻抗变换器等电路。 触发整形电路：将不同波形的输入信号转换成一定幅度的触发脉冲信号。具有触发电平调节、吹风机性转换、触发源、耦合方式选择等作用。 扫描发生器：在对应y轴输入信号时间关系的触发脉冲作用下，产生线形变化的锯齿波扫描电压和增辉脉冲。具有扫描时间因素的粗细调节、稳定度等作用。,2.2.2 示波器显示波形的原理,1. 示波管的结构原理,灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）、第一阳极（A1） 第二阳极（A2）、后加速极（A3）,（1） 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电

6、子束，它由灯丝F、阴极K、栅极G1、前加速极G2和 阳极A1、A2组成。 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节，可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。 电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。,（2）偏转系统及电子偏转规律,偏转板长度,偏转板右侧至荧光屏距离,两偏转板距离,偏转角,弯折形偏转结构,UA2为第二阳极与阴极间电压，Uy为加于y轴两偏转板间电压。 L,L,d均为常

7、数，当亮点聚焦后UA2也基本不变。,设Sy为y轴偏转灵敏度，值越小说明灵敏度越高。,Sx为x轴偏转灵敏度,由于偏转板边缘不均匀的影响，上述式子需适当修正。如上图b所示的弯折形偏转结构，另外欲提高偏转灵敏度，要延长偏转板l及荧光屏L长度减小d及第二阳极的电压UA2,灯丝（F）、阴极（K）、栅极（G1）、前加速极（G2）、第一阳极（A1） 第二阳极（A2）、后加速极（A3：1015kV高压，为避免电子束散焦，逐渐加速）,高灵敏度示波管示意图,网状屏蔽极,石墨带形成连续的分压器,相较于不同示波管，灵敏度提高510倍,2 示波管波形显示原理,（1）电子束沿Ux与Uy作用的合成方向运动,打在荧光屏上的亮

8、点位置取决于水平和垂直方向的电压(Ux,Uy),欲得出被测电压信号的波形，必须在y轴偏转板上加Uy信号的同时，在x轴偏转板上加上随时间线性变化的扫描电压。,（2）扫描时间基准,显示正弦波形成过程,锯齿波波形图,X偏转板上有扫描电压作用时，y偏转板上加上被测信号电压，根据合成显示原理就可以将被测电压信号的波形显示在荧光屏上。,图中，Uy的周期是Ty，扫描电压Ux的周期为Tx。若Tx=Ty则在Uy和Ux的共同作用下，亮点的轨迹正好是一条与Uy相同的正弦曲线。,（3）同步的概念,荧光屏上显示周期的个数n=Tx/Ty,图示为两个周期的信号，此时Tx=2Ty，若波形多次重复出现，并且重叠在仪器则可以得到

9、一个稳定的图像。,整数倍关系图像,非整数倍关系图像,示波器上的显示是波形左右跑动，不便于观察，为了得到稳定的图像，必须保证Tx与Ty成整数倍关系。,（4） 主要技术指标,a) 频率响应（频带宽度Bw） 示波器的频带宽度Bw一般指Y通道的频带宽度。 上、下限截止频率即输入等幅正弦波，调节器频率，当屏幕上显示的正弦波幅度相对于基准频率下降3dB时对应的频率。 频带宽度-等于上、下限截止频率之差 Bw=fH-fL,b) 时域响应（瞬态响应） 上升时间tr是正脉冲波的前沿从基本幅度A的10%上升到90%所需的时间； 下降时间tf是正脉冲波的后沿从下垂后幅度A1的90%下降10%所需的时间；,上冲量b,

10、倾斜幅度e,下冲量f,预冲量d,*示波器说明书一般只给出上升tr时间和下冲so,C) 扫描速度 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。 荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。 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。 例：示波器的扫描速度为0.05us0.5s/cm,还是比较宽的。,d) 偏转灵敏度 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（或1格）所

11、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”。 目前，示波器的偏转灵敏度最高达到10pV/div。 4输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的 等效负载。 表明示波器对被测系统的影响程度,e) 输入方式 即输入耦合方式，一般有 （1）直流（DC）-输入信号直接入电路 （2）交流（AC）-采用电容将输入信号耦合至输入电路，隔掉直流分量，便于测量高频信号或快速瞬变信号。分高频抑制和低频抑制方式。 f) 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

12、信号来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种。,讲到此了,2.2.3 示波管及直流供电系统,高压发生器产生的负高压(-1200v)加至2脚使阴极为极低负电位； 经R2,R3,RP1分压加至5脚进行聚焦控制； RP3低压送至9脚进行辅助聚焦控制； RP01调节电压加至4脚改善聚焦和几何图形畸变； RP03调整电压加至13脚改变栅网电压，消除二次电子,使屏幕清晰； RP02调整电压加至6脚校正几何图形； 偏转线圈了L1,其感应电压由RP04调整可使图像旋转,使水平扫描光迹平行水平轴； 转RP4改变栅极偏压改变辉度起始点； RP2改变示波管屏幕亮暗度。,正高压+480

13、0v加至后加速极，电子获得能量，高速轰击荧光屏，显示增亮,2.2.4 垂直系统,示波器既要能观测小信号（mV数量级），又要能观测大信号（几十几百伏），而示波管的垂直偏转灵敏度一般为410V/cm；需要设置垂直系统（y轴放大器），通过放大或衰减，显示大范围的被测信号。 垂直系统主要由输入电路、前置放大器、延迟线和后置放大器等组成。,包括衰减器和跟随器,由几级宽带放大器组成,以使被测信号比扫描电压延迟到达示波管的垂直偏转板,进一步放大信号，提供满足y轴频率特性和输出幅度的偏转电压,2.2.4 垂直系统,耦合方式,S1接法：DC：信号直接通过 AC：信号经C1耦合， 隔离直流和变化慢的 GND：信号

14、通路断开,C1预充电，当转拔到AC 时，不会发生光迹短时间内大幅度偏移。,2 衰减器,当输入电压u1为低频信号时C6,C7不起作用，衰减比取决于电阻比。 当u1为高频信号时 衰减比为,10倍衰减电路,调整C6,使得R9C6=R11C7，使衰减比与信号频率无关，称为最佳补偿，上例中 C6=R11C7/R9=100k*22/900k2.4pF。 上图中调节C6还有与探极线的阻抗匹配作用。 当y轴输入端接上探极线时，也要保证整机的频率特性。为了避免因连接导线的寄生参数影响而产生谐振，因此当交流正弦信号频率大于1MHz或测试脉冲信号时，均需用探极线连接，其等效电路如下,例：如上图，已知输入阻抗Ri=1

15、M,Ci=33pF，为了得到最佳补偿，在R1=9.1M时，有 C1=Ri*Ci/R1 =1M*33/9.1M3.6 pF 在整个频率范围内具有10倍的衰减探极线。,3 混合阻抗变换电路,VT1，VT2，VT3组成源极-射极跟随器，获得高阻输入Ri1M，低阻输出R0 AT1，AT2为高阻衰减可以为阻容分立元件 R19为低阻衰减器,防止热漂移,被测信号经R3和R5分压网络送A1的反向端，由R46，RP2和R48分压反馈到A1的同相端经A1比较放大，其输出改变恒流管VT3的导通电平，对VT1的源极进行误差修正，维持VT2输出高度稳定,输出电阻的计算 R0=(R46+RP2+R48)/R19/rbe2

16、/(1+2) 当rbe2 =1k， =100,则 R0= 10 恰与低阻分压器匹配。 低阻分压器的输出阻抗为50 ,输入电阻是高阻分压器的总电阻， Ri 1M ,4 前置放大器,将单端输入信号变成双端对称输出信号 她的增益要求不高，但频带宽度要比整体的频响指标还要宽； 实现控制功能增益微调，增益扩展，变换极性和垂直位移,通常采用共发共基差分放大电路,5 垂直通道极性转换电路,6 垂直通道开关转换电路（电子开关）,7 延迟线功能及驱动放大器,水平锯齿波信号起始点与触发信号间有一段延迟时间，为了观测前沿就必须在y轴放大器中插入延迟线，使被测信号的起点与扫描信号起点同步。,对延迟线的要求：延迟时间应足够长和稳定以补偿x通道扫描电路启动时间的延迟。,图a.扫描是从td1开始 图b.当uy达到A点，其uA大于触发电平Uf时扫描电压ux由0开始增加，此时，荧光屏上不能显示信号的起始部分（OA段）如图c,对称螺旋延迟电缆,串臂是螺旋线的电感，并臂是螺旋线与外部导体间的分布电容,共发共基型延迟线驱动缓冲电路,VT1,VT2构成差分共发射极放大器，驱动延迟线YC1 VT3,VT4构成共基