电子测量技术第五章

1、第五章 示波测试和测量技术第五章 示波测试和测量技术5-1 概述一、示波器的特点1、直接观测和真实显示被测波形。、直接观测和真实显示被测波形。可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间。可显示脉冲信号的前后沿、脉宽、上升下降时间。第五章 示波测试和测量技术2、是时域测试典型仪器，能检测信号波形是否正常，、是时域测试典型仪器，能检测信号波形是否正常，有无失真以及相关关系。有无失真以及相关关系。3、X-Y图示仪。图示仪。 4、是多种电量和非电量测试和测量中的基本测试仪器。、是多种电量和非电量测试和测量中的基本测试仪器。通过描绘被研究的信号随时间的变化，可用于通过描绘被研究的信号随时间的变化，可用于

2、调试电子电路、维修仪器设备。调试电子电路、维修仪器设备。是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。是构成其他两个测试领域的仪器设备的基础。第五章 示波测试和测量技术低频示波器通用示波器 普通示波器宽带示波器多束示波器示波器的分类 取样示波器记忆、存储示波器特种示波器二、示波器的分类模拟数字示波器第五章 示波测试和测量技术模拟示波器第五章 示波测试和测量技术第五章 示波测试和测量技术数字示波器数字示波器第五章 示波测试和测量技术三、主要技术特点1、通频带fB、上升时间tr2、偏转灵敏度Sy：3、扫描速度： 单位为cm/S或div/S4、输入阻抗：为f的函数，等效为RC电路第五章 示波测试和测量技术

3、F：灯丝K：阴极G1：栅极A1：第一阳极A2：第二阳极G2：第二栅极5-2 示波测试的基本原理一 阴极射线示波管（CRT）组成：电子枪、偏转系统、荧光屏1、电子枪FKG1G2A1A2Y偏转板X偏转板辉度聚焦辅助聚焦+E-E荧光屏电子枪偏转系统荧光屏（INTENSITY）（FOCUS）（AUX FOCUS）第五章 示波测试和测量技术下面分析电子穿越加速场和减速场V1V2V1V2加速场减速场KG1G2A1A2第五章 示波测试和测量技术2、偏转系统组成：X1、X2、Y1、Y2作用：确定任一瞬间光点在荧光屏的坐标以Y板为例A2Vy+-bLVaSyyaVbVLsy2Y方向的偏转距离yasbVLs2令yy

4、sD1cmVDy/,单位数：称为示波管的偏转因Vcmys/:单位示波管的偏转灵敏度，同理，可讨论X偏转系统的位移第五章 示波测试和测量技术引入PDA系统 （先偏转后加速系统）为使示波器灵敏度高，提高应使aybVLss2采用PDA 系统PDA系统： 降低第二阳极的电压，在偏转板与荧光屏之间，在内壁石墨导电层开几个环状的间隙，加1015KV的高压，逐渐加速，避免影响偏转分类：分段式和螺旋式比较：ys普通示波器：采用PDA：0.5mm/V56mm/V第五章 示波测试和测量技术3、荧光屏铝膜荧光物质玻璃铝膜的作用：散热吸收二次电子和负离子反射作用1）结构2）余辉时间：从电子束移去到光点亮度下降到原始值

5、的10%的时间分为：极短余辉、短余辉、中余辉、长余辉、极长余辉连续移动的轨迹？余辉和人眼的惰性第五章 示波测试和测量技术二 图像显示原理 偏转原理：偏转原理：静电场力或磁场力静电场力或磁场力显示信号的类型：显示信号的类型： A显示显示随时间变化随时间变化的信号的信号B显示任意显示任意两个变量的关系两个变量的关系1、显示随时间变化的信号显示随时间变化的信号 (a) Vx=Vy=0 (b) Vx=0，Vy=常量 (c) Vx=常量，Vy=0 (d) Vx=常量，Vy=常量 第五章 示波测试和测量技术Ux0123401324Ux-Uxt （时基亮线）（时基亮线）第五章 示波测试和测量技术Uy0123

6、401324Uy-Uyt第五章 示波测试和测量技术Uy0123401324Uy-Uyt0UxtUx-Ux第五章 示波测试和测量技术总结：要要显示随时间变化的信号，显示随时间变化的信号，将被观测信号加到将被观测信号加到Y轴，而轴，而X轴加扫描电压轴加扫描电压第五章 示波测试和测量技术（1）、扫描几个概念：扫描、扫描电压、扫描正程、扫描回程2、一些概念、一些概念第五章 示波测试和测量技术其中 Tx：扫描电压的周期Ty：被测信号的周期例：若n=2，即Tn=2Ts，见图3-4uyTyTxuxtt（2）同步目的： 波形稳定 。第五章 示波测试和测量技术第五章 示波测试和测量技术（3）、扫描的分类 Ts被

7、测脉冲连续扫描Tn=Tst TntTn连续扫描Tn=t触发扫描tvy第五章 示波测试和测量技术*连续扫描的特点：连续扫描的特点：1、扫描发生器连续工作；、扫描发生器连续工作；2、无输入信号时显示一条时基线；、无输入信号时显示一条时基线；*触发扫描的特点：触发扫描的特点：1、被测脉冲到来时扫描一次；、被测脉冲到来时扫描一次；2、平时为等待扫描状态；、平时为等待扫描状态；3、主要用于观测占空比很小的脉冲，扫描电压、主要用于观测占空比很小的脉冲，扫描电压持续时间的选择应等于或稍大于脉冲底宽。持续时间的选择应等于或稍大于脉冲底宽。在有的示波器上，会有一个按钮来进行选择。在有的示波器上，会有一个按钮来进

8、行选择。第五章 示波测试和测量技术（4）增辉实际扫描回程需要时间，即解决措施： 增辉-在扫描正程期间使电子枪发射更多的电子t015234678012345678uytuxTyTx=2Ty第五章 示波测试和测量技术3、 显示两个任意波形的关系若X、Y板分别加任意信号，图形由两信号共同决定X-Y图示仪a、同振幅同频同相：b、同振幅、同频、相位差为90度如：两个偏转板上都加正弦电压时显示李沙育(Lissajous)图形t0123401234uytux01234t0123401234uytux01234024第五章 示波测试和测量技术一、模拟示波器的基本组成示波管、垂直通道、水平通道5-3、 通用示波

9、器Y轴偏转系统X轴偏转系统Y输入 示波管X输入第五章 示波测试和测量技术Y输入Y输入电路Y前置放大器延迟线Y后置放大器增辉电路高压电源低压电源X放大电路扫描电路触发电路校准信号 发生器外触发输入X输入校准信号输出正高压负高压第五章 示波测试和测量技术 （1）输入耦合方式： AC、GND、DC三档n置“AC”时，输入信号经电容耦合到衰减器上，只有交流分量可通过，适于观察交流信号。n置“GND”时，用于确定零电平，即不需要断开被测信号，可为示波器提供接地参考电平。n置“DC”时，输入信号直接接到衰减器，用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号。二、 Y通道（垂直通道）1、 第五章 示波测试和

10、测量技术(2)、输入衰减器2211CRCR无关与fcccRRRvvi21121201122RCR C1122RCR CvivoR1R2C1C2最佳补偿过补偿欠补偿Z1Z2改变分压比示波器的偏转灵敏度粗调第五章 示波测试和测量技术2前置放大器 作用：将信号适当放大，从中取出内触发信号，并具有偏转因数微调、校正、Y轴位移、极性反转等控制作用。 电路：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。 “Y轴位移”旋钮：调节直流电位以改变被测波形在屏幕上垂直方向的位置。 第五章 示波测试和测量技术3、延迟线触

11、 发 点输 入 信 号扫 描 电 压显 示 波 形扫 描起 点tT触发点输入信号扫描电压显示波形输入信号延迟后td扫描起点tT第五章 示波测试和测量技术第五章 示波测试和测量技术4Y输出放大器作用：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。 要求：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 。 电路：大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益 （面板上的倍率“5”或“10”开关 ）。 第五章 示波测试和测量技术三、 X通道作用：(1)产生一个与时间成线性关系的电压，产生增辉和消隐

12、信号控制Z系统（2）选择适当的同步触发信号，保持与Y输入同步（3）放大扫描电压或外接电压组成： 扫描发生器环、触发电路、X放大器触发电路触发耦合方式选择 触发源 选择放大整形 电路扫描信号发生器比较和释抑电路 扫描 闸门扫描电压产生电路X偏转板 水平放大器 第五章 示波测试和测量技术1触发电路 作用：为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲，加至扫描门。内触发外触发输入电源触发S1触发源选择C1触发源耦合方式选择S2DCACLF REJC2C3HF REJ触发极性选择触发放大 整形电路第五章 示波测试和测量技术+ DCHFAC低抑低抑内内外外+ 电源电源AC“极性”决定上升沿或下降沿触发“电平”

13、决定正半周或负半周触发方式开关决定不同的耦合方式：AC、DC组成：方式开关、电平旋钮、极性开关、组成：方式开关、电平旋钮、极性开关、S1开关组成。开关组成。第五章 示波测试和测量技术（1）触发源选择：一般有3种类型内触发（INT）将Y前置放大器输出（延迟线前的被测信号）作为触发信号，适用于观测被测信号外触发（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第五章 示波测试和测量技术（2）触发耦合方式：一般设有4种“DC”直流耦合用于接入直流或缓慢变化的触发信号“

14、AC”交流耦合用于观察从低频到较高频率的信号“LF REJ”低频抑制耦合：用于观察含有低频干扰的信号。 “HF REJ”高频抑制耦合：用于抑制高频成分的耦合第五章 示波测试和测量技术（4）触发极性选择和触发电平调节触发极性触发电平指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。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。（3）扫描触发方式选择（TRIG MODE）常态（NORM）触发方式自动（AUTO）触发方式电视（TV）触发方式第五章 示波测试和测量技术 （a）被测正弦信号（b）零电平 正极性触发（d）正电平 负极性触发（e

15、）负电平 负极性触发（c）正电平 正极性触发（f）负电平正极性触发0t023uy141432作用:对触发信号进行放大、整形，以满足触发信号的要求。（5）放大整形电路基本形式: 电压比较器第五章 示波测试和测量技术2、扫描发生器环时基电路作用：产生扫描电压组成：闸门电路、扫描电压发生器、释抑电路扫描门扫描门积分器积分器比较和释抑比较和释抑电路电路增辉增辉至至X放大器放大器 E第五章 示波测试和测量技术（1）扫描门（时基闸门）作用 E2E1tt0V0连续扫描时，没有触发信号也连续扫描时，没有触发信号也有门控信号输出；有门控信号输出；触发扫描时只有在触发脉冲作触发扫描时只有在触发脉冲作用下才应产生触

16、发信号。用下才应产生触发信号。输入端由三个方面信号控制：输入端由三个方面信号控制：稳定度稳定度提供直流电位提供直流电位触发电路触发电路触发脉冲触发脉冲释抑电路释抑电路释抑信号释抑信号第五章 示波测试和测量技术S打开tRCEv0V0与t成线形S闭合C放电，v0迅速上升（2）积分器：产生锯齿形的扫描电压-+Ev0RCSA来自扫描闸门t荧光屏上单位长度所代表的时间的大小扫描速度SS=t/X改变R或C：“扫描速度”粗调改变E：“扫描速度”微调第五章 示波测试和测量技术决定何时关闭扫描门，保证锯齿波为稳定等幅信号决定何时关闭扫描门，保证锯齿波为稳定等幅信号（3）释抑电路）释抑电路作用：作用：比较和释抑电

17、路 （b）施密特电路及有关输入输出信号 比较和释抑VTb积分器扫描门RPRh+ECh+_稳定度-EVD+E来自释抑电路VT1去扫描环+E稳定度-EVD来自触发电路VT2+E第五章 示波测试和测量技术E1E0E2Er来自比较电路的参考电平（比较电平）扫描发生器输出Vo上触发电平下触发电平通过“稳定度”调节的静态工作电平E0触发脉冲12345抑制期回扫期开始下一次扫描跟随Vo6释放闸门输出叠加后的闸门输入第五章 示波测试和测量技术E0E1E2Vrt12t1t1t2t4t5稳定度旋钮电平稳定度旋钮电平E0大于上大于上触发电平触发电平E1-E1E0E2Vr释抑电路释抑电路充电充电释抑电路释抑电路放电放

18、电释抑电路释抑电路充电充电释抑电路释抑电路放电放电下面讨论下面讨论E E0 0对触发方式的影响对触发方式的影响E0介于介于E1与与 E2之间脉冲之间脉冲到来时触发到来时触发-连续扫描连续扫描触发扫描触发扫描第五章 示波测试和测量技术3、X放大器作用：为X板提供对称的推动电压，使电子束能在水平方向满偏与Y放大器相似第五章 示波测试和测量技术通用示波器面板和主要控键示意图通用示波器面板和主要控键示意图第五章 示波测试和测量技术四、示波器的多波形显示1、多线示波器、多线示波器 发射多个相互独立的电子束，多枪多束或单枪发射多个相互独立的电子束，多枪多束或单枪多束；常用双线示波器。多束；常用双线示波器。

19、缺点：工艺要求较高，价格较贵。缺点：工艺要求较高，价格较贵。2、多踪示波器、多踪示波器 组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关，组成与普通示波器类似，增加了一个电子开关，具有多个垂直通道。电子开关的切换或转换方式有具有多个垂直通道。电子开关的切换或转换方式有交替和断续两种，属于时间分割方式。交替和断续两种，属于时间分割方式。第五章 示波测试和测量技术以双踪为例：Y1输入电路Y1前置放大器Y1门电路电子开关延迟线Y后置放大器Y2输入电路Y2前置放大器Y2门电路至Y偏转板Y1输入Y2输入控制信号第五章 示波测试和测量技术根据开关信号的工作方式的不同，分为5种显示方式：n交替方式（交替方式（ALT

20、）：适合于观察高频信号）：适合于观察高频信号 （a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形交替显示的波形第五章 示波测试和测量技术断续方式（断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。）：适用于被测信号频率较低的情况。（a）被测信号与扫描信号tuytuxuyt（b）荧光屏显示的波形断续显示的波形1234567891011第五章 示波测试和测量技术 “Y1”通道（通道（CH1） “Y2”通道（通道（CH2） 叠加方式（叠加方式（CH1+CH2）Y1Y2Y1+ Y2第五章 示波测试和测量技术5-4 高速和取样示波器一般示波器观察高频快速信号发生失真，原因： 示波器偏转板

21、电容示波器偏转板电容C C与引线电感与引线电感L L的影响。的影响。 电子渡越时间的影响。电子渡越时间的影响。 Y Y偏转放大器带宽不足偏转放大器带宽不足 扫描速度不够快。扫描速度不够快。 亮度不够。亮度不够。第五章 示波测试和测量技术一、一、 高速示波器高速示波器高速示波器要显示高速示波器要显示nsns、 psps级的脉冲或微级的脉冲或微波信号，波信号， 它不同于普通示波器，它不同于普通示波器， 其关键是其关键是示波管、示波管、 Y放大器和时基发生器。放大器和时基发生器。第五章 示波测试和测量技术二 取样示波器1、取样：分类： 实时取样与非实时取样(1)实时取样取样脉冲p(t)输入信号Vi(

22、t)取样信号Vo(t)tt第五章 示波测试和测量技术（2）非实时取样特点：并不是在一个信号波形内完成全部取样过程，而是分别取若干信号波形的不同位置取样脉冲的周期tmTT0tt输入信号取样脉冲取样信号经放大和延长电路后的信号（显示波形）mTt2 t3 t4 tsTmTt12345第五章 示波测试和测量技术 核心电路取样保持器示意图 两个取样脉冲的时间间隔为 ，由于波形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示较高频率的信号。 输入信号输出信号Vi(t)Vo(t)取样脉冲p(t)取样门RCSsTmTt第五章 示波测试和测量技术2、显示信号的合成过程一系列不连续光点构成Y板：对应信号取样值的阶梯波

23、 X板：电压值等距离跳变的阶梯波输入信号Y放大器输出tmTt2 t 3 t4 tsT mT t 12345tX放大器输出（扫描阶梯波电压）第五章 示波测试和测量技术3、取样示波器的基本组成取样门放大电路延长门取样门脉冲信号源延长门脉冲信号源时基单元取样脉冲t步进延迟脉冲mT+tmT同步信号输入信号图4.34 取样示波器组成框图取样电路延长电路Y通道X通道第五章 示波测试和测量技术取样示波器与通用示波器的差别：（1）X通道作用不同（2）通用示波器： 每触发一次，产生一个完整的扫描电压。取样示波器： 每触发一次，只获取一个取样信号停留),(TmT再触发，故其扫描电压为阶梯式的，即非线形。（3）取样

24、示波器适用于观测f较高的周期信号第五章 示波测试和测量技术1、取样密度：表示水平方向单位长度内的亮点个数。 (/cm)当荧光屏的有效宽度和X方向的偏转灵敏度(mv/div)确定，则X方向的最大偏转电压Vs确定。VxtVs固定屏上总点数：ssvvn只要sv确定n确定(/cm)闪烁过大失真过小4、 取样示波器的主要指标除通用示波器的性能指标以外的特有参数。第五章 示波测试和测量技术非实时取样中n点)(tmTn实时取样中n点tn 通用示波器取样示波器快斜波斜率xtssLtnsesFFSSSFFTVVtntnVtVTVFFsesTVLVS1成反比与快斜FFTVk,可调整kF来调整Ses3、取样示波器的

25、带宽t)64. 044. 0(3dBf2、等效扫描第五章 示波测试和测量技术KGA1A2G11G12G21G22K1K2收集极存储介质存储栅网荧光屏YX写入电子枪偏转系统读出电子枪记忆与显示记录系统泛射系统5-5 记忆示波器和存储示波器一、记忆示波器第五章 示波测试和测量技术二、 数字存储示波器1、组成原理 图5-32 数字存储示波器基本框图 第五章 示波测试和测量技术(1)A/D和D/A变换器nA/D变换器将模拟量进行数字化。即取样、量化和编码。nD/A变换器用于产生阶梯波。 (2)(2)存储器存储器 高速大容量存储器。(3)(3)控制系统控制系统 主要包括时基控制电路、存储控制电路和功能控

26、制电路。 数字存储示波器在控制系统的管理下完成各种测量任务，控制系统的核心是微处理器。第五章 示波测试和测量技术n（1）波形的采样/存储与波形的显示是独立的。 因而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。n（2）能长时间地保存信号。 便于观察单次出现的瞬变信号。 n（3）先进的触发功能。 不仅能显示触发后的信号，而且能显示触发前的信号。 2、数字存储示波器的特点（4）测量准确度高。 采用了晶振和高分辨率A/D转换器。 （5）很强的数据处理能力。 内含微处理器，能自动实现多种波形参数的测量与显示；还具有自检与自校等多种自动操作功能。 （6）外部数据通信

27、接口。可以很方便地将存储的数据送到计算机或其他的外部设备，进行更复杂的数据运算和分析处理。 第五章 示波测试和测量技术（1）最高取样速率 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。 实时取样速率 （N为每格的取样数；t/div为扫描一格所用的时间即扫描时间因数）。/divNft（2）存储带宽(B) 与取样速率密切相关。3、数字存储示波器的主要技术指标第五章 示波测试和测量技术n（3）分辨率 n包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。 n垂直分辨率与A/D转换器的分辨率相对应，常以屏幕每格的分级数(级div)或百分数来表示。 n水平分辨率由存储器的容量决定

28、，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示。 （4）存储容量 由采集存储器（主存储器）的最大存储容量来表示。第五章 示波测试和测量技术5-6、示波器的使用一、示波器的选用运用示波器对V、f、T等测量，应考虑：1、根据被测信号的特点。低频普通、简易示波器同时观测比较两个信号：双踪或双线2、根据被测信号的频率越小越大，被测波形的失真通道的bwfYmbwff3）：被测信号的最高频率mf(通常：目的：使高频成分不衰减。（显示细节部分）第五章 示波测试和测量技术3、根据示波器的上升时间tR来 选择35.0RBtf(单位：sMHz）要求：rRtt 示波器对阶跃信号的上升时间被测信号的上升时间:Rt:rt

29、Rrtt3通常例：Brfst的的脉冲信号，求示波器观测015. 035.03015.0BfZBMHf70第五章 示波测试和测量技术信号上升时间信号上升时间/示波器对信号的上升时间示波器对信号的上升时间 测量误差测量误差 1/1 41% 3/1 5.2% 5/1 2% 10/1 0.5% 结论结论:示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。示波器带宽越宽，上升时间越短，测量误差越小。第五章 示波测试和测量技术4、由示波器的Y轴灵敏度来选择（对微弱信号尤为重要）如：测量一正弦VZmVmKHf11,选用：cmmVbcmmVa/2 . 0:/10:5、由示波器的Ss ：10S/cm-1nS/cm观察

30、窄脉冲或高频信号，要求Ss高（即Ss的数小）mmVy1cmVy5第五章 示波测试和测量技术二、使用注意事项（1）检查电源电压。（2）通电预热后再调整各旋钮，同时注意各旋钮应先大致旋在中间位置。（3）亮度不宜开得过高，且亮点不宜长期停留在固定位置，不观测波形时，应该将辉度调暗。（4）输入信号电压的幅度应控制在示波器的最大允许输入电压范围内。 第五章 示波测试和测量技术vivoRRiCCiZ1Z2C0输入探头示波器最佳补偿过补偿欠补偿显示波形注意事项：输入阻抗大大提高，特别是输入电容大大减小。但是，将使示波器的灵敏度有所下降。探头和示波器是配套使用的，不能互换 校正方法:以良好的方波电压通过探头加

31、到示波器，微调电容C以达到出现良好的方波。 第五章 示波测试和测量技术（a）补偿合适的波形（b）欠补偿的波形不同补偿时的波形图（c）过补偿的波形第五章 示波测试和测量技术四、测量实例1、电压的测量（Y系统）直接法为例直流交流DCyVhDkPPyyVhDkna. 垂直灵敏度微调置于校准（CAL）nb. 输入信号nc.耦合开关置于“AC”位置。nd. 调节扫描速度ne.调节垂直灵敏度nf.读出hng.计算Vp-p步骤：（以交流为例）第五章 示波测试和测量技术例 示波器正弦电压如图所示，h=8cm、Dy=1V/cm、若K=1：1，求被测正弦信号的峰-峰值和有效值。0.51251025010050255VmVV/div零电平线显示波形（交流电压）8 1 18VP PyVhDk 82.322 22 2PP PVVV正弦信号的峰-峰值为正弦信号的有效值为第五章 示波测试和测量技术2、时间的测量（X系统）直接法为例xsxkxst/n测量步骤 ：n1）将扫描速度微调置于“校准” 。 n2）输入信号。n3）耦合开关置于“AC”位置。n4）调节扫描速度开关n5）读出波形水平方