仪器仪表 时域测量.ppt

1、第5章 时域测量,第5章时域测量,信号以连续时间为自变量的函数,以f为自变量，P或能量为因变量的函数,以离散时间或事件出现的次序为自变量， 把状态值为因变量的函数关系。,例：脉冲发生器、函发、示波器、计数器,例：频谱仪，,布尔和冯诺依曼奠定了数学基础,例：逻辑分析仪，,麦克斯韦和傅立叶奠定了数学基础,第5章时域测量,5.1 示波器的分类 5.2 通用示波器* 5.3 多波形显示 5.4 取样示波器 5.5 示波器的应用*,第5章时域测量,重点： 通用示波器 通用示波器的基本构成 通用示波器显示波形的原理 示波器的应用 测频、测相位 难点： 通用示波器显示波形的原理,第5章时域测量,示波器的应用

2、： 示波器的特点：,电信号的时域测量 非电信号（如T、压力、a等）的变化测量,速度快，工作频率宽，可测高速脉冲 灵敏度高，可观察微弱信号变化 过载能力强 输入阻抗高,电子束惯性小,非指针指示,配有高增益放大器,对被测电路影响小,5.1 示波器的分类,A/D，D/A,测量高频周期信号,例：高灵敏度示波器,测量瞬变的单次信号,5.2 通用示波器,5.2.1 通用示波器的基本构成 5.2.2 示波器显示波形的原理 5.2.3 垂直系统 5.2.4 水平系统,5.2.1 通用示波器的基本构成,Y轴 输入,外X轴输入,外触发输入,示波管,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构(CRT-Cat

3、hode Ray Tube),5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构, 由电子枪、偏转系统、荧光屏组成, 这个密封在玻璃壳内，形成大型的电真空器件,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,发射电子并形成很细的高速电子束,灯丝F、阴极K、栅极G、前加速极G2、第一阳极A1、第二阳极A2,A、灯丝F加热产生电子束 B、负电位栅极G控制电子束的强弱辉度调节 C、G2、A1、A2构成电子束的聚焦A1聚焦调节 A2辅助聚焦调节,1、电子枪,作用：,组成：,原理：,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,电子束在电子枪内的运动轨迹：,1、电子枪,为增加聚焦效果：, G2

4、加隔板，截获偏离轴线远的电子, A2中心有一个小孔，利于聚束,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,2、偏转系统,垂直偏转板水平偏转板,外加电压在偏转板之间形成电场；使电子束打向荧光屏上的某个坐标位置。,Y偏转板置于靠近A2的部位，而X偏转板在Y的右边。为了示波器有较高的灵敏度。,组成：,放置：,原理：,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构(CRT-Cathode Ray Tube),5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,2、偏转系统,以垂直偏转板为例,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,2、偏转系统,以垂直偏转板为例,偏转板距离y与偏

5、转电压Uy的关系：,板长,板屏距,板间距,偏转灵敏度 V/cm,提高灵敏度措施：,增大L，垂直偏转置于水平偏转左边,减小UA2，,增加先偏转后加速系统（PDA） P157,加屏蔽层，消除偏转板间交叉干扰及外界电磁场作用,5.2.2 示波器显示波形的原理,一、示波管的结构,3、荧光屏,余辉时间光点亮度下降为最大值10持续的时间,大部分转化成热能，少部分转化成光能。因此： 不能长时间停在一处，否则易损坏荧光粉而形成斑点。,铝膜 位于荧光屏内侧,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,1、显示随时间变化的波形,Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,A、 UxUy0,B、 Ux0

6、,Uy=常量,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,1、显示随时间变化的波形,D、 Ux常量,Uy=常量,C、 Ux常量,Uy=0,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,2、扫描的概念,A、 Ux0,Uy为正弦波电压,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,B、 Uy=0, Ux为锯齿波电压,扫描：Ux为周期锯齿波电压（扫描电压），在屏幕上显示一条水平亮线（时间基线），这过程称扫描。,2、扫描的概念,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,2、扫描的概念,C、 Ux为锯齿波电压，Uy为正弦波电压（设TxTy）,5.2.

7、2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,3、同步的概念,设Tx2Ty,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,3、同步的概念,设Tx5Ty/4,0,1,2,3,4,6,7,8,10,9,11,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,4、扫描过程的增辉,（设Tx2Ty）,0,1,2,3,4,6,7,8,t,5,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,5、连续扫描和触发扫描,例：,难以观察脉冲细节,a.连续扫描,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,5、连续扫描和触发扫描,例：,脉冲展宽，但太暗而时间基线太亮,b.

8、连续扫描,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,5、连续扫描和触发扫描,例：,能较好观察脉冲,c.触发扫描,触发扫描信号来时触发，而平时无触发。,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,6、XY方式波形显示,（1）Ux与Uy都为正弦波，且同相,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,6、XY方式波形显示,（2）Ux与Uy都为正弦波，不同相，设相位差90o,若峰值不同，则为椭圆,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,7、主要的性能指标,（1）频带宽度BW和上升时间tr,一般指Y通道的频带宽度。反映可观测信号的最高频率，越

9、大越好。,表示示波器Y通道随输入信号快速变化的能力。反映脉冲信号的最小宽度，越小越好。,两者关系：,频带宽度BW,上升时间tr,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,7、主要的性能指标,（2）偏转灵敏度,表示了示波器Y通道的放大/衰减能力，反映示波器观察微弱信号的能力，越小越好。与BW相矛盾,定义,意义,5.2.2 示波器显示波形的原理,二、示波管波形显示原理,7、主要的性能指标,（3）扫描速度,表示了示波器测量信号的范围，窄脉冲和高频需要高的扫描速度，缓慢变化信号需要低的扫描速度，因此扫描速度范围越宽越好。,定义,意义,一般范围,0.05us/div0.5s/div,5.

10、2.3 垂直系统,1、作用,2、组成,观测mV 几十伏电压，需要放大及衰减电路,5.2.3 垂直系统,一、输入电路,包含：,耦合方式衰减器,1、耦合方式,信号直接通过,确定零电压,隔直流及低频，观察交流信号,问：如何测纹波电压的幅值和平均值,5.2.3 垂直系统,一、输入电路,2、衰减器,目的：,测量大信号,目的：,电阻电容分压器,组成：,过补偿,欠补偿,5.2.3 垂直系统,二、前置放大器,1、单端输入信号变成双端对称输出信号,2、还具有增益扩展、微调，垂直位移，极性变换的作用,电路：采用差分放大电路,5.2.3 垂直系统,三、延迟线,1、必要性,无法观察完整波形,5.2.3 垂直系统,三、

11、延迟线,2、作用,将被测信号在偏转板上出现的时刻滞后于扫描开始的时刻（td tT ） ，从而保证屏幕上显示处被测信号的全过程。,5.2.3 垂直系统,四、后置放大器,目的：,要求：,电路：,将经延迟线的被测信号放大到足够的幅度，以驱动垂直偏转系统，使电子束获得Y方向的满偏转。,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。,采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比,5.2.4 水平系统,1、作用,2、组成,形成、控制并放大锯齿波扫描电压，以在屏幕上显示稳定、准确的波形。,5.2.4 水平系统,一、触发电路,1、作用,2、组成,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（1）触发源选择,

12、内触发（INT）,外触发（EXT）,电源触发（LINE）,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。,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。,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。,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（2）触发耦合方式,DC直流耦合,HF REJ高频抑制,电视TV,接入直流或缓慢变化的触发,AC交流耦合,观察从低频到较高频率的信号,观察抑制高频成分的交流信号,观察视频TV信号，以便对电视信号（如行、场同步信号）进行监测与电视设备维修。,5.2.4 水平系统,一、触

13、发电路,（3）触发方式选择,自动,单次,有连续扫描锯齿波电压输出，荧光屏上总能显示扫描线。,常态,指有触发源信号并产生了有效的触发脉冲时，荧光屏上才有扫描线。,自动和常态均不用，按下“复位”按钮，扫描一次。,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（4）触发极性和触发电平,触发极性,触发电平,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。,二者共同决定触发脉冲产生的时刻，并决定被显示信号的起始点。,总体作用：,5.2.4 水平系统,一、触发电路,（4）触发极性和触发电平,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,1、扫描闸门,产生快速上升或下降的闸门信号

14、,作用：,目的：,控制正程增辉,控制积分器扫描,使双踪示波器工作于交替状态,P183,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,2、密勒积分器,产生线性变化的锯齿波电压,作用：,组成：,扫描速度粗调,扫描速度微调,5.2.4 水平系统,二、扫描发生器环,3、比较和释抑电路,触发脉冲,Ch充电,Ch放电,作用：控制扫描信号的始终点,抑,释,释抑电路放电常数明显大于积分电容放电。,5.3 多波形显示,多个电子枪和偏转系统,单束，通过电子开关控制,X系统有两个扫描电路,特点：实时显示，准确度高；工艺复杂、成本高,特点：非实时显示；要求低、应用广泛,特点：非实时显示，显示脉冲的某一细节变化,5.3.1

15、多踪显示,一、组成,二、显示波形的原理,5.3.1 多踪显示,二、显示波形的原理,高频测量，非实时,低频测量，准实时,1、交替显示方式,电子开关受扫描频率控制,5.3.1 多踪显示,二、显示波形的原理,2、断续显示方式,电子开关受自激振荡控制,5.3.2 双扫描显示,一、组成,二、作用,5.4 取样示波器,一、原理,二、应用周期、高频信号,5.5 示波器的应用,5. 5. 1 电压的测量 5. 5. 2 时间的测量 5. 5. 3 相位的测量 5. 5. 4 频率的测量,5. 5. 1 电压的测量,一、直流电压的测量,被测电压离零电平的高度,垂直偏转灵敏度,探头衰减系数,注意：通过DC耦合确定零电平线,5. 5. 1 电压的测量,二、交流电压的测量,被测电压离零电平的高度,垂直偏转灵敏度,探头衰减系数,注意：通过AC耦合滤除直流信号,5. 5. 2 时间的测量,所测时间宽度,扫描速度,X轴扩展系数,应用：可测周期、脉宽、时间间隔等,5. 5. 3 相位的测量,一、双迹法,设,5. 5. 3 相位的测量,二、李萨如图形法,设,则：,5. 5. 3 相位的测量,二、李萨如图形法,步骤：,信号输入后，用XY方式观察,CH1和CH2先接地，确定坐标,记下x0、xm、y0、y