时域测量课件

1、第六章 时域测量本章要点： 示波器的功用、分类、组成和波形显示原理 通用示波器的组成原理、特性与应用 取样技术在示波器中的应用 数字示波器的组成原理、信号采集处理技术、特性与功能本章开始将介绍几种图示式仪器，从三个方面去进行研究，即时域(Time Domain)反映的幅度U与时间T的关系(如示波器)、频域(Frequency Domain)反映的幅度U与频率F的关系(如频谱仪)及调制域(Modulation Domain)。本章介绍一种重要的图示式仪器示波器。T图6.1 调频波的3域图FU调制域频域时域6.1 时域测量引论6.1.1 示波器的功用1. 示波器是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪

2、器。2. 是一种全息仪器。示波器能让人们观察到信号波形的全貌，能测量信号的幅度、频率、周期等基本参量，能测量脉冲信号的脉宽、占空比、上升（下降）时间、上冲、振铃等参数，还能测量两个信号的时间和相位关系。这些功能是其它电子仪器难以胜任的。 3. 示波器从早期的定性观测，已发展到可以进行精确测量。4. 示波器是其它图示式仪器的基础。对扫频仪、频谱仪、逻辑分析仪等仪器容易理解。6.1.2 示波器的分类技术原理上分为：模拟示波器和数字示波器。也有厂家将模拟示波器称第一代示波器，而数字示波器按技术进步情况已分为二、三、四代了。按显示屏可分为：阴极射线示波管（CRT）、液晶屏（TFT）及荧光屏（VFD）按

3、显示原理分为：光点扫描、光栅扫描和矩阵像素点显示等按带宽分档情况：模拟示波器60MHz以下为低档，300MHz以上算高档，最高带宽只做到12GHz水平；数字示波器500MHz以下为低档，5002GHz为中档，2GHz以上为高档。 当今数字示波器虽已占主导地位，但模拟示波器是数字示波器的基础，许多基本原理、术语、技术指标和应用方法都是在模拟示波器的基础上发展起来的，有些领域还在应用模拟示波器及其相关的技术产品，因此开始还得先介绍模拟示波器，然后重点讨论数字示波器。6.1.3 示波器的组成 示波器主要由Y(垂直）通道、X（水平）通道和显示屏三大部分组成：Y（垂直）通道：由探头、衰减器、前置放大器、

4、延迟线和输出放大器组成，主要对被测信号进行不失真的线性放大，以保证示波器的测量灵敏度。X（水平）通道：由触发电路、时基发生器和水平输出放大器组成，主要产生与被测信号相适应的扫描锯齿波。显示屏：种类很多，有示波管（主要由阴极射线管组成，常以CRT ，Cathode Ray Tube表示）、液晶屏TFT及荧光屏VFD等。Y(垂直)通 道X(水平)通 道电源图6.2 示波器的基本组成显示屏显示屏的种类 当前用于示波器的主要是：示波管、TFT液晶屏及荧光屏VFD。本节着重介绍当前应用最广的示波管和TFT液晶屏。 示波管CRT静电偏转：光点轨迹显示-用于示波器、雷达距离显示器、医疗仪器磁场偏转：光栅增辉

5、显示-用于电视机、医疗仪器、雷达环显等被动发光：液晶屏LCD+背光板-数字三用表等小型电子仪器平板显示FPD主动发光液晶屏TFT-示波器、计算机显示器、电视机显示器等荧光屏VFD-示波器、家电产品的显示屏等离子PDP-电视机显示屏发光二极管LED-数字仪表、大型广告显示屏场致发射FED-成品率低，尚处商品化研发中电致发光EL板-仪表数显、广告装饰显示屏的 种类6.2. 示波管及波形显示原理 示波管属于电真空器件，又称为阴极射线管（CRT）,分三部分。KG1G2A1A2Y2X2F6.3V-1KV0VX1亮度Ug1聚焦UA1辅助聚焦后加速极A315KV电子枪偏转系统荧光屏Y1真空玻璃管图6.3 阴

6、极射线示波管Z轴兰色：电力线红色：等位面6.2.1 示波管1. 电子枪电子枪的作用是发射电子并形成强度可控制的很细的电子束。它由以下几部分组成： 1.灯丝F在交流低压(如6.3V)下使钨丝烧热,用于加热阴极。2.阴极K是一个表面涂有氧化钡（其逸出功小，内部自由电子容易逸出）的金属 3.第一栅极G1调节G1的电位可以调节示波器的亮度，常置于示波器面板上供使用。 当控制信号加于G1，其亮度可随之改变，则可以传递信息，称为示波器的Z轴电路。4.第二栅极G2隔离开G1和A1，以减小亮度调节与聚焦调节的相互影响。5.第一阳极A1与第二阳极A2构成一个电子透镜，对电子束起聚焦作用。 6.第二阳极A2是个更

7、大的同轴圆筒，其上电压较高，它主要与A1构成电子透镜。 7.第三阳极A3具有上万伏的高压，用于对电子束加速，故也称后加速阳极。 2. 偏转系统1静电偏转-光点法-用于示波器2. 磁偏转-光栅法-用于电视机、计算机显示器。图6.4 电子束的偏转LsyUyUa屏幕电子束A2比例系数称为示波管的偏转因数，单位为cm/V，它的倒数Dy1hy称为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm。偏转灵敏度是示波管的重要参数。3. 荧光屏在示波管正面内壁涂上一层荧光物质，荧光物质将高速电子的轰击动能转变为光能，产生亮点。 余辉时间：当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点亮度下降

8、为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间 小于10s的为极短余辉； 不同荧光材料余辉时间不一样：10s1ms为短余辉（通常是蓝色，便于摄影感光）；1ms0.1s为中余辉（通常为绿色，眼睛不易疲劳）； 0.1s1s为长余辉（通常是黄色）；大于1s为极长余辉（通常是黄色）。6.2.2示波管波形显示原理1.光点扫描显示原理 光点位置控制：(示波管荧光屏)uyY1Y212340t13024(a)(b)tX2X100uxTsTn+ + + +- - - - - - -+ + +光点在合力作用下移动.242.信号与扫描电压的同步uy12340tTsuxuyuxX1X2Y1Y212340t0Tn12340图

9、6.5 扫描过程uyTst0135791086420,81,9537210468图6.6 扫描电压与被测信号同步同步：Tn/TS=nn=1，2，波形稳定若显示两个正弦波怎么办？Tn1tux2579123344566710883.连续扫描和触发扫描连续扫描：扫描电压是连续的；一开机就有扫描线，来信号同步后波形才稳定。触发扫描：扫描电压只在需要的某段出现；一开机没有扫描线，来信号触发后波形才稳定。TsttttuyuxuxuxTnTn图6.8 连续扫描和触发扫描的比较1mS1s999s6.4 模拟示波器6.4.1 模拟示波器的组成模拟示波器是示波器中应用最广泛的一种，它通常泛指采用单束示波管，除取样

10、示波器及专用示波器以外的各种示波器。 图6.12 模拟示波器的主要组成框图6.4.2 示波器的Y(垂直)通道示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上。 1.探头（探极）作用提高输入阻抗作用减小外界干扰提高可测电压幅度分类无源电压探头有源电压探头有源电流探头注意：探头不能张冠李戴，必须配对使用。否则300MHz带宽的示波器可能不到50MHz的效果。 展宽示波器使用频带1)无源电压探头20pF示波器180pF探头图6.13 分压器式无源探头电路输入电阻：1M10M输入电容：180pF18pF展宽了频带：50MHz左右图中电阻9M和1M构成分压比：101扩展示波器的量程上

11、限同轴屏蔽电缆，抑制外界干扰信号，阻抗低，适用于被测信号源阻抗和示波器阻抗都比较低的情况；2) 有源电压探头 图6.15 源极跟随器式探头的基本电路 现代示波器带宽已达几十GHz，相应要求探头必须也要宽频带，无源探头已无法满足。 实际好的宽带探头结构较复杂，售价好几千元以上。 适于探测高频小信号2.输入耦合与衰减器cACDC50K1M地20p730pf.1001k10k100k1Mf1KHz10K 100K 1M 10M 100M 10M 50 AC：交流耦合，电容C隔直流，只能通过交流信号DC：直接耦合，信号中保留交直流成分与信号源不匹配时带宽衰减很快，当与50信号源匹配时可扩展带宽图6.1

12、6 输入耦合电路及其频率特性1）输入耦合2）衰减器 图6.17 输入衰减器原理示意图uiuoC1C2R1R2对于直流或低频情况： 对于高频情况 当满足 R1C1=R2C2 能在很宽频率范围得到最佳补偿，使信号不失真。 R1C1=R2C2R1C1R2C2R1C1tb（释抑放电时间大于回扫时间）图6.21 比较和释抑电路的工作UPuouitptw实用中只要选定s/cm，扫描环则会自动扫出合适的时基线。（不必调Tn/TS=n同步了）a5)连续扫描状态予置：E0E1环路自激Ch放电至E1打开闸门，扫描开始，到Up ，Ch充电，到E2扫描结束，Ch又放电。当有信号（红色触发脉冲）则环路被信号所同步。6)

13、结论： E0调节触发扫描：E1E0E2-常态连续扫描：E0E1E2-自动、低频外触发扫描： E0E2 -高频扫描环的巧妙加入，通过调节E0（RW稳定度）可使电路处于： “常态” 触发扫描状态,无信号时无扫描线；“自动” 低频连续扫描状态，无信号时有扫描线；“高频” 高频连续扫描状态且不管哪种扫描都能自动与被测信号同步。 说明：上面是以最简单的电路来讲述环路工作原理的，实际 电路更完善更先进。3.X放大器（见图6.19） 1)作用：放大扫描锯齿电压并对称地加至水平偏转板2)特点：带宽比Y通道窄，仅为Y通道的1/101/53)按钮：水平（X）位移- X-Y工作模式- X接任意信号， 形成X-Y图示

14、仪 X扩展-X放大器增益：5；10 图6.23 X扩展示意图6.4.4 示波器的多波形显示1.多线显示和多踪显示1)多线显示两个电子束，两套X、Y偏转系统，且两个Y通道相互独立，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。 2)多踪显示uAuB图6.24 双踪示波器Y通道方框图工作方式：交替：每个扫描周期接通一个通道，利用屏幕的余辉和人眼的残留效应显示两个波形；断续：开关信号分别对两个被测通道（信号）轮流实时接通（取样），每个扫描周期同时显示两个信号波形；注意：由谁触发？A、B各自触发，则不便比较时间关系。A、B共一触发，便于比较时间关系。(a) “交替”方式

15、 适合观测高频信号 交替描绘A、B两路 非实时（隔周）比较 (b) “断续”方式 适合观测低频信号 多次取样，准实时 ，波形非连续，可能漏掉信息uAuAuBuB2.双时基扫描 有两个独立的触发和扫描电路，适合观测一个波形的全景和局部。 图6.26 双扫描示波器的组成工作方式：B加亮A；A延迟B工作 6.4.5 模拟示波器的应用 1.通用示波器的主要技术指标 1)带宽、上升时间Y通道的频带宽度(BW)， 2)扫描速度扫描速度反映示波器在水平方向展开信号的能力。扫描速度是光点的水平移动速度，单位是s/cm，或s/div。div(格)一般为1cm。3)偏转灵敏度偏转灵敏度Dy反映示波器观察微弱信号的

16、能力。单位为mV/cm或mV/div。4)输入阻抗示波器输入阻抗一般可等效为电阻和电容并联。5)扫描方式 示波器扫描方式可分为连续和触发扫描两种，随示波器功能发展，还出现了多种双时基扫描。 6)触发特性 为了将被测信号稳定地显示在屏幕上，扫描电压必须在一定的触发脉冲作用下产生。包括内触发、外触发和电源触发的选择，以及触发电平和极性的选择。 2.通用示波器的选用原则选用示波器的主要依据是上述各项技术性能指标，但最主要的是频带。 示波器Y通道BW=100MHztr=0.35/BW =3.5nStx=0tx=10nstr=3.5nstrx=？trx=10+3.5 ？因两独立变量应均方相加则 希望有 ，则 经误差分析， trx/trx%图6.28 示波器带宽对读出误差的影响可得右图关系：当tx/tr=1时，屏幕读数相对误差 通常要求选用的示波器上升时间要 tx/tr=35 对于一般连续信号 BW/fh=35 这里fh是被测信号中的最高频率分量。3.模拟示波器的基本测量方法利用示波器可以进行电压、频