4.2.1 模拟式示波器-1

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任务4-1波形测量与仪器概述

任务4-2模拟示波器任务4-3数字示波器项目4波形测量与仪器任务4-4波形测量实务任务4-2模拟式示波器新课引入：思考与讨论01生活应用思考我们如何“看到”声音、心跳等看不见的电信号？03原理探究思考电子束是如何在荧光屏上“画”出各种复杂波形的？02技术实现思考示波器屏幕上的稳定波形是如何形成的？为什么有时波形会跑动或模糊？任务4-2模拟式示波器学习重点知识概要：01.波形显示原理理解电子束在荧光屏上形成稳定波形的全过程，核心掌握同步条件。02.主要性能指标掌握频带宽度、时基因数、偏转因数等关键指标的含义与应用场景。03.Y通道组成与功能了解示波器垂直系统结构，重点掌握探极、衰减器、放大器等部分的作用。04.操作与应用理解触发源、扫描方式等开关旋钮功能，掌握触发源选择，为实际操作打下基础。任务4-1波形测量与仪器概述4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理1）阴极射线示波管和示波器的特点①Y、X方向具有线性偏转特性②扫描信号us(t)与被测信号ui(t)对电子束作用时间始终相等=>us(t)正程等于ui(t)几个周期，就得到几个周期ui(t)的波形③荧光物质余辉时间有限=》须使电子束重复不断地从左到右轰击荧光物质（扫描），才能在荧光屏上得到持久可观测的波形被测信号、扫描信号必须是周期信号每次扫描的起始点必须是同相位的点==>ui(t)和us(t)须满足同步条件任务4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理1）阴极射线示波管和示波器的特点④为了使CRT和示波器在X、Y方向上具备线性偏转特性，ui(t)和us(t)加到X、Y两偏转板之前必须变换成为反相对称的电压⑤扫描信号未叠加负的直流电压时，是自荧光屏中心点开始向右显示波形。==>为了能从荧光屏左侧开始显示波形，应在扫描信号上叠加一负的直流电压，亦即扫描信号电压实际上是从负值开始变为正值任务4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理2）扫描过程与同步条件（1）扫描过程Ts：扫描正程，电子束自左向右匀速移动==扫描正程；显示波形，增辉Tb：扫描逆程，电子束自右向左移动至左侧==扫描逆程或扫描回程，以保证每次扫描都是从左侧开始扫描；回扫线，消隐Tw：扫描等待（或扫描休止），以保证每次扫描的起始点在荧光屏X方向上能重合，避免显示波形左右错位。等待线（休止线），消隐当扫描逆程时间和扫描等待时间均为零时，扫描信号为理想扫描信号。任务4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理2）扫描过程与同步条件（1）扫描过程Ts：扫描正程，显示波形，增辉Tb：扫描逆程，回扫线，消隐Tw：扫描等待（或扫描休止），等待线（休止线），消隐任务4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理2）扫描过程与同步条件（1）扫描过程任务4-2-1波形显示原理与性能指标1.波形显示原理2）扫描过程与同步条件（2）同步条件每次扫描的起始点须是被测周期性信号的同相位的点==>得到稳定被测信号波形必须满足同步条件：Tx=Ts+Tb+Tw=nTy（n为正整数），Tx—扫描信号周期；Ty—被测信号周期为了快速获得稳定波形，一般采用触发扫描方式来实现扫描信号与被测信号的同步。任务4-2-1波形显示原理与性能指标示波器波形显示原理总结①荧光物质余辉效应是将电信号变为光信号显示波形的物理基础②线性偏转特性是显示不失真波形、测量有关物理量的原理依据③扫描正程电压与时间呈正比的周期锯齿波，是显示波形水平方向不失真的必须条件④每对偏板上所加电压须是反相对称电压，保证线性偏转⑤被测信号、扫描信号必须是周期信号，且二者须满足同步条件，才能得到稳定波形⑥为了显示波形，扫描回程必不可少且应消隐。为了保证每次扫描得到的波形能够在荧光屏水平方向上重合，扫描等待亦必不可少且应消隐。任务4-2-1波形显示原理与性能指标2.主要性能指标1）频带宽度Bw和上升时间tr带宽度Bw=fH–fL≈fH选择示波器时，一般选择fH＞5fy，其中fy为被测信号频率。上升时间tr：显示理想脉冲信号时波形从幅度的10%上升到90%所需的时间tr↓→反应速度越快=>可测信号频率↑Bwtr≈0.35为了不产生明显的测量误差，通常要求tr≤try/3（try为被测信号上升时间）；否则，应按下式修正。任务4-2-1波形显示原理与性能指标2.主要性能指标2）时基因数电子束水平方向1格（div）代表的时间，单位为s/div（或t/div），倒数为扫描速度，单位为div/s。旋钮一般按1–2–5的顺序分成很多挡。时基因数“微调”旋钮、“扩展”开关；“微调”置于“校准”且后者置于“×1”位置时，时基因数的实际大小等于“时基因数”旋钮指示的数值。任务4-2-1波形显示原理与性能指标2.主要性能指标3）偏转因数电子束垂直方向1div代表的电压，单位为V/div。倒数为偏转灵敏度，单位为div/V。按1–2–5的顺序分成很多挡。“微调”旋钮置于“校准”时，偏转因数实际大小等于“偏转因数”旋钮指示的数值。4）输入阻抗ZiZi=输入电阻Ri//输入电容CiRi=（1±5%）MΩ，要求Ci随频带宽度的增加而减小，Ci通常约35pF。测量高频信号时应考虑输入电容的影响任务4-2-1波形显示原理与性能指标2.主要性能指标5）输入方式输入方式即输入耦合方式，一般有直流耦合（DC）、交流耦合（AC）和接地耦合（GND）三种方式。①直流耦合即直接耦合，将输入信号所有成分都加到示波器上。②交流耦合可隔离被测信号中的直流及缓慢变化分量、抑制工频干扰，便于测量高频及交流瞬变信号。③接地耦合时将示波器Y通道输入端短路。一般用于确定测量直流电压时零电平时基线的位置。任务4-2-1波形显示原理与性能指标6）触发源选择方式触发源=触发信号源，产生触发脉冲，有内触发源、外触发源和电源触发源。7）扫描方式即触发模式，是产生扫描信号的方式。最基本的扫描方式是触发扫描和连续扫描，包括自动、触发、单次扫描。任务4-2-1波形显示原理与性能指标7）扫描方式最基本的扫描方式是触发扫描和连续扫描，包括自动、触发、单次扫描。①触发扫描=常态扫描。有触发源输入时，由触发源触发产生扫描信号使示波器显示波形；当无触发源输入时，处于扫描准备状态，示波器黑屏。触发扫描是示波器优先采用的扫描方式②连续扫描：不管有无触发源，均可连续不断产生扫描信号③自动扫描（AUTO）：是能够自动变换的触发扫描和连续扫描的有机组合。当无触发源输入时，采用连续扫描；当有触发源输入时，采用触发扫描。操作者一般选用自动扫描方式任务4-2-1波形显示原理与性能指标7）扫描方式④单次扫描（SGL，Single）当按下“单次扫描”按钮时，扫描电路处于触发扫描准备（Ready）状态（“Ready”灯亮），如果此后有触发源到来，则产生一次触发扫描（即单次扫描）；否则，一直处于扫描准备状态。一次触发扫描结束后，不再产生触发扫描（“Ready”灯灭），示波器黑屏，除非再次按下“单次扫描”按钮。该方式通常用于观测非周期信号或者单次瞬变信号。任务4-2-1波形显示原理与性能指标课堂小结：任务4-2-1波形显示原理与性能指标课堂小结：任务4-2模拟式示波器4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）作用：把被测信号变换成为大小合适的反相对称信号后加到Y偏转板上，使显示的波形适于观测；向X通道提供内触发源；补偿X通道的时间延迟，以观测到诸如脉冲等信号的完整波形任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）1.输入电路1）探极作用：使显示波形不失真；还可提高示波器的输入阻抗，扩展示波器的电压量程分类：有源探极和无源探极有源探极具有良好的高频特性，入/出比为1:1，适于测试高频小信号，但需要示波器提供专用电源。无源探极的入/出比（输入/输出）有1:1、10:1和100:1三种。当探极入/出比为10:1或100:1时，被测电压值等于示波器测得电压的10倍或100倍。任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）1）探极无源探极结构：①补偿电容的位置有的在探针处、探极末端或校准盒内②调整补偿电容：将标准信号发生器输出方波加到探极上，用无感螺刀左右旋转补偿电容C，直到调出不失真的方波为止（正确补偿）③原则上，示波器的探极应专机专用。任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）2）输入耦合方式选择开关DC、AC单独使用，测交流电压DC与AC组合使用，测交流电压中直流分量DC与GND组合使用，测量直流电压3）衰减器一般为阻容衰减器改变衰减器及其衰减比可使显示波形的幅度得以调整=“偏转因数”旋钮满足R1C1=R2C2时，衰减比（uo/ui）=R2/(R1+R2)任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）4）阻抗变换器及倒相放大器阻抗变换器，利用其输出阻抗小输入阻抗大的特点，避免因为调节偏转因数而影响后级电路的放大倍数。倒相放大器使衰减器输出的单端信号变为反相对称的双端信号，以满足后级电路所需的双端输入信号，以克服前置放大器、输出放大器的零点漂移，并在Y偏转板之间建立均匀的线性偏转电场。任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）2.前置放大器作用：对输入电路的输出信号进行初步放大，以补偿延迟级对信号的损耗避免降低输出放大器输入信号信噪比；为X通道提供大小合适的内触发源，以得到稳定可靠的内触发脉冲倒相开关垂直移位任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）3.延迟级1）观测脉冲信号时扫描方式的选择连续扫描脉冲信号时，始终存在一条水平亮线=>对波形形状产生干扰、影响亮度难满足同步条件=>波形难以稳定。==>连续扫描不适合观测脉冲信号任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）3.延迟级1）观测脉冲信号时扫描方式的选择触发扫描时，扫描始终在脉冲同相位点处产生=>只要脉冲信号是周期性的==>稳定波形。扫描结束至下次扫描始终消隐=>不会出现水平亮线，==>宜选用触发扫描方式观测脉冲信号任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）3.延迟级2）延迟级的作用内触发扫描方式时，只有当被测信号达到一定的触发电平时，才能产生触发扫描被测信号从低电平开始上升到一定的触发电平均需经历一定的时间，使得扫描信号总是滞后于被测信号触发电平选择脉冲信号的低电平，现象和采用连续扫描方式相同==>触发电平只能选择脉冲信号的较高电平==>被测信号的前沿无法完整显示任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）3.延迟级2）延迟级的作用作用：将被测信号延迟后加到Y偏转板上，以使示波器X通道的扫描信号不再滞后，即补偿X通道的时间延迟目的：在荧光屏上得到脉冲信号等快速上升的被测信号的完整的波形延迟时间一般为60～200ns，通常取100ns左右任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）4.输出放大器对来自前级的信号进行放大，使电子束在Y方向上产生足够大的偏转，便于观测弱信号任务4-2-2通用示波器Y通道（垂直系统）课堂小结：任务4-2-1模拟示波器-1课后思考题模拟示波器显示稳定波形的核心同步条件是什么？若不满足该条件，波形会出现什么现象？Y通道中延迟级的核心作用是什么？为何观测脉冲信号时必须设置延迟级？示波器的DC、AC、GND三种输入耦合方式的核心区别是什么？测量含直流分量的高频交流信号时应选择哪种，为什么？触发扫描、连续扫描、单次扫描分别适用于什么类型的信号测量？观测单次瞬变信号时，为何优先选用单次扫描？任务4-2-1模拟示波器-1课后思考题参考答案：一、核心同步条件：扫描频率为被测信号频率的整数倍（fx=n·fs）。不满足时：波形