电子测量与仪器.ppt

1、电子测量与仪器,福建信息职业技术学院精品课程,课程目录,第1章 电子测量和仪器的基本知识 第2章 信号源 第3章 示波测量技术 第4章 电压测量 第5章 频率、时间和相位的测量 第6章 频域测量技术 第7章 电子元器件参数测量,第1章,电子测量与仪器基本知识,返回 课程目录,内容提要,本章主要介绍学习本课程必备的基本知识。 本章内容主要有： 电子测量的内容、特点和基本方法； 测量误差的来源、分类和表示方法； 有效数字的概念和测量结果的处理； 电子测量仪器有关知识。,1.1测量及其意义,测量定义：测量是为了获取被测量对象而进行的实验过程。,测量结果=数值+相应的单位 注意：无单位的量值无意义。,

2、测量意义：测量是发现新问题、提出新理论的依据；科学的进步和生产的发展与测量技术手段的发展和进步是相互依赖、相互促进的。,1.2 电子测量的意义和特点,电子测量：即以电子技术为手段的测量。它是衡量一个国家科学技术发展的标志。,内容： 电能量的测量：如I、U、P等的测量； 电路、元器件参数的测量：如R、L、C、Q、D等； 电信号特性的测量：如f、 T 、波形、时间等； 电路性能的测量：如放大倍数、衰减量、灵敏度等； 特性曲线的测量：如幅频特性、相频特性等。,特点：,1.测量频率范围宽； 2.仪器量程宽； 3.测量准确度高； 4.测量速度快； 5.易于实现遥测； 6.易于实现测量自动化和测量仪器微机

3、化。,1.3电子测量方法的分类,一、按测量方式分类 1、直接测量：直接测量是指用已标定的仪器，直接地测量出某一待测未知量的量值的方法，例如用电压表直接测量电压。,2、间接测量：测量某未知量y，必须先对与未知待测量y有确切函数关系的其他变量x（或n个变量）进行直接测量，然后再通过函数计算出待测量y，称为间接测量。如：电功率P的测量 。,3、组合测量：如有若干个待求量，把这些待求量用不同方式组合（或改变测量条件来获得这种不同的组合）进行测量（直接或间接），并把测量值与待求量之间的函数关系列成方程组 ,只要方程式的数量大于待求量的个数,可以求出各待求量的数值，这种方法叫组合测量或联立测量。,二、按被

4、测信号性质分类,1、时域测量 ：测量被测量对象在不同时刻的特性，这时把被测量对象看成时间的函数；,2、频域测量 ：测量被测量对象在不同频率时的特性，这时把被测量对象看成频率的函数；,3、数据域测量 ：又称数字测量技术，是对数字系统逻辑特性的测量。,4、随机测量 ：随机测试技术是认识含有不确定性的事物的重要手段。最普遍存在、最有用的随机信号是各类噪声。所以随机测量技术又称为噪声测试技术。,1.4 测量误差的基本概念,一、 测量误差的定义 1、真值（A0）: 在一定的时间和空间环境条件下，被测量本身所具有的真实数值。（实际中不可知） 2、实际值（A）：根据测量误差的要求，用高一级或数级的标准仪器或

5、计量器具测量所得之值。（实际应用中可代替真值） 例：微安电流表相比毫安电流表就是高一级测量仪器。 3、示值（X）：被测量的量值。 读数：从仪器刻度盘、显示器等读数装置上直接读来的数字。 例：用一电流表测量某电流值，量程选择10mA档。刻度盘指示如下图所示： 其读数为：8； 示值为：8mA 4、标称值：被测量上标示的数值。 例：电阻器的色环标示其阻值；,二、测量误差的表示方法,式中的真值A0是一个理想概念，无法得到，实际应用中通常用实际值A来代替真值A0。实际值也称为约定真值。,1绝对误差 1）定义： 由测量所得到的被测量值x与其真值A0之差，称为绝对误差，即,测量误差有绝对误差和相对误差两种表

6、示方法。,特点：绝对误差既有大小，又有符号和量纲。,2）修正值,与绝对误差的绝对值大小相等，但符号相反的量值，称为修正值，用C表示为 C = Ax= x,测量仪器的修正值可以通过上一级标准的检定给出，修正值可以是数值表格、曲线或函数表达式等形式。在日常测量中，利用其仪器的修正值C和该已检仪器的示值，可求得被测量的实际值 A= xC 。 例：某台电流表的修正值由以下表格给出，求示值分别为0.4mA和0.8mA时的实际值各为多少？,X/mA,解：A1=X1+C1=0.4+0.02=0.42mA; A2=X2+C2=0.8-0.04=0.76mA,2、相对误差 意义：相对误差可以更准确地说明测量的准

7、确度。 例：测量两个频率值：f 1=1000Hz，f 2=100000Hz,得绝对误差分别为 f 1 =1Hz， f 2=10Hz，问那次测量的准确度更高？ 解：比较绝对误差可得： f 1 f 2，第一次测量误差较小； 但：,可见：第二次的误差与实际值相比所占比例比第一次的小，第二次的测量准确度高些。,绝对误差与被测量的真值之比，称为相对误差，用表示 。,分类： 1)相对真误差:,特点：只有大小和符号，没有单位。,真值是不能确切得到的，通常用实际值A代替真值来表示相对误差,2)实际相对误差,误差较小、要求不太严格的场合，也可以用测量值X代替实际值A,3)示值相对误差,实际中，也常用测量仪器在一

8、个量程范围内出现的最大绝对误差xm与该量程的满刻度值（该量程的上限值与下限值之差）Xm之比来表示的相对误差 。,4）满度相对误差（引用相对误差）,由上式可知，通过满度误差实际上给出了仪表各量程内绝对误差的最大值。,电工仪表就是按引用误差mm之值进行分级的。我国电工仪表共分七级：0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.5及5.0。如果仪表为S级，则说明该仪表的最大引用误差不超过S%。 因此，在使用这类仪表测量时，应选择适当的量程，使示值尽可能接近于满度值，指针最好能偏转在不小于满度值2/3以上的区域。,5）相对误差的对数表达形式,例1： 鉴定一个1.5及100mA的电流表，发现在50mA处的

9、误差最大，为1.4mA,其它刻度处的误差均小于1.4mA,问这块电流表是否合格？ 解：,所以：该电流表合格。,例2：,某待测电流约为100mA，现有0.5级量程为400mA和1.5级量程为100mA的两个电流表，问用哪一个电流表测量较好？,解：用400mA、 0.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:,用100mA、1.5级电流表，可求得测量的最大误差和相对误差为:,可见.应选1.5级100 mA电流表。,1.4.2 测量误差的来源,1、仪器误差：由于测量仪器及其附件的设计、制造、检定等不完善，以及仪器使用过程中老化、磨损、疲劳等因素而使仪器带有的误差。 2、影响误差：由于各种环境因素

10、（温度、湿度、振动、电源电压、电磁场等）与测量要求的条件不一致而引起的误差。 3、理论误差和方法误差：由于测量原理、近似公式、测量方法不合理而造成的误差。 4、人身误差：由于测量人员感官的分辨能力、反应速度、视觉疲劳、固有习惯、缺乏责任心等原因，而在测量中使用操作不当、现象判断出错或数据读取疏失等而引起的误差。,1.4.4测量误差的分类,1、系统误差：系统误差的定义：在同一测量条件下，多次测量重复同一量时，测量误差的绝对值和符号都保持不变，或在测量条件改变时按一定规律变化的误差，称为系统误差。,2、随机误差：随机误差的定义：在同一测量条件下（指在测量环境、测量人员、测量技术和测量仪器都相同的条

11、件下），多次重复测量同一量值时（等精度测量），每次测量误差的绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差。,3、粗大误差：粗大误差是一种显然与实际值不符的误差，又称疏失误差。含有粗差的测量值称为坏值或异常值，在数据处理时，应剔除掉。,15 测量结果的表示及有效数字,一、 测量结果的表示 测量结果表示为：一定的数值和相应的计量单位。 例：40KV、465KHz等。,二、 有效数字和有效数字位 1、定义：对于包含的误差不大于末位单位数字的一半的数，从它最左端一位非零数字起，到最末一位所有数字都称为有效数字。 2、知识点： 1）可以从有效数字的位数估计出测量误差，一般规定误差不超过有效数字

12、末位单位的一半。 2） “0”在最左面为非有效数字： 3）有效数字不能因选用单位的变化而变化。 例：0.1030A 表示含有误差：0.0001/2=0.00005A； 有效数字位：1、0、3、0(最左端的0非有效数字)； 用mA单位表示：103.0 mA;而不是103 mA,末位的0不能去掉。,若保留N位有效数字，N位以后的数字，若大于保留数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位加1；若小于保留数字末位单位的一半，则舍去的同时第N位不变；若等于保留数字末位单位的一半，如第N位原为奇数则加1变为偶数，原为偶数不变。即： 1）小于5舍去，末位不变； 2）大于5进1，在末位增1； 3）等于5时，取偶数

13、，则当末位是偶数，末位不变；末位是奇数，在末位增1。 例1：将下列数据舍入保留三位有效数字： 16.43 16.4 (0.030.1/2=0.05,舍去且往前位增1) 16.35 16.4 (0.05=0.1/2,3为奇数，舍去且往前位增1) 16.45 16.4 (0.05=0.1/2,4为偶数，舍去) 16.4501 16.5(0.05010.1/2=0.05,舍去且往前位增1) 38050 (50=100/2,0为偶数，舍去),三、数字的舍入规则,四、数字近似运算规则,保留的位数原则上取决于各数中准确度最差的那一项。,1、加减规则：以小数点后位数最少的为准（各项无小数点则 以有效位数最少

14、者为准），其余各数可多取一位。,2、乘除规则：以有效数字位数最少的数为准，其余参与运算的数字及结果中的有效数字位数与之相等或多保留一位有效数字。 例2：进行下列运算： 1） 2）,第2章,信号源,返回 课程目录,内容提要,本章主要介绍了信号源在电子测量中的作用、组成原理和种类 。 本章内容主要有：正弦信号源的性能指标及基本原理； 合成信号源的性能指标及基本原理； 函数发生器的组成方案及基本原理； 脉冲发生器的原理与组成结构 ； 任意波形发生器简单介绍 。,21概述,1作用 信号源的用途主要有以下三方面： （1）激励源；（2）信号仿真；（3）标准信号源。,2、分类（按照输出信号的频率分 ） 超低

15、频信号发生器，频率范围为0.0001Hz1000Hz； 低频信号发生器，频率范围为1Hz1MHz； 视频信号发生器，频率范围为20Hz10MHz； 高频信号发生器，频率范围为100KHz30MHz； 甚高频信号发生器，频率在30MHz300MHz； 超高频信号发生器，频率在300MHz以上。,22 正弦信号源,一、 正弦信号源的性能指标,1频率特性（用以下几项指标来表征） （1）频率范围；（2）频率准确度；（3）频率稳定度,2输出特性 （1）输出电平范围；（3）输出电平准确度； （3） 输出阻抗。,3调制特性 主要包括调制频率，调幅系数等。,222 正弦信号源,一、低频信号发生器 低频信号发生

16、器频率范围一般为20Hz20KHz，故又称音频信号发生器。,主振级 作用是产生低频的正弦波信号，一般采用RC振荡 器。是低频信号发生器的主要部件。,电压放大级和功率放大级作用：放大隔离。,衰减器和匹配器： 衰减器：其作用是调节输出电压使之达到所需的值。 匹配器：实际为变压器，其作用是使输出端连接不同负载时都能得到最大的输出功率。,监测电压表 用于监测信号源输出电压或输出功率的大小。,二、高频信号发生器,高频信号发生器输出频率范围一般在300KHz1GHz，输出电压在0.1V1V左右，输出阻抗为标准的50（或75）。信号调制方式为：30MHz以下采用调幅方式，30MHz以上采用调频方式。,（1）

17、主振级：产生频率可调的高频正弦信号，一般采用LC振荡电路，信号发生器的频率特性主要有主振级决定。,（2）缓冲级：放大主振级输出的高频信号；隔离主振级与后续电路，提高振荡频率的稳定性。,（3）调制级：对主振信号调幅，输出调幅信号，满足某些测量需要。,（4）内调制信号发生器；输出内调制信号，频率为400HZ或1000HZ。,（5）输出级：放大、衰减调制级的输出信号，使信号发生器有足够的电平调节范围；滤除不需要的频率分量；保证输出端有固定的输出阻抗。,（6）可变电抗器：可变电抗器与主振级的谐振电路耦合，使主振级产生调频信号，多采用二极管调频电路。,24 函数发生器,函数信号发生器的三种组成方案： 第

18、一种是施密特电路产生方波，然后经变换得到三角波和正弦波； 第二种是先产生正弦波再得到方波和三角波； 第三种是先产生三角波再转换为方波和正弦波。,函数发生器是一种能够产生正弦波、方波、三角波等多种波形的信号发生器。,一、由方波产生三角波、正弦波的方案,如图所示：,1、方波三角波的变换原理 变换电路如图所示：,可见电路主要有双稳态触发器、密勒积分器和两个电压比较器组成。,工作原理如下： 若双稳态触发器输出端的电压u1为正，则积分器的输出电压u2将线性下降，当u2下降到等于参考电动势Er2时，电压比较器2使双稳态触发器翻转，输出电压u1由正变负，积分器的输出电压u2将线性上升。当上升到等于参考电动势

19、Er1时，电压比较 器1使双稳态触发器又翻回到原来状态，完成一个循环周期。从双稳态触发器输出端可得到方波信号；从积分器的输出端可得到三角波信号，,2、三角波正弦波变换原理,上图为实际的正弦波形成网络。电路中使用了6对二极管。正、负直流电源和电阻为二用管提供适当的偏压，以控制三角波逼近正弦波时转折点的位置。,第3章,示波测量技术,返回 课程目录,内容提要,本章内容主要有： CRT显示原理 通用示波器 取样示波器 波形存储及显示技术 示波器的基本测试技术,3.1概述,一、 示波器的分类 从示波器对信号的处理方式出发分为： 模拟示波器 数字示波器 进一步可分为： 通用示波器 取样示波器 存储示波器

20、专用示波器,二、 主要技术指标 1频带宽度BW和上升时间tr BW=fH-fL 2扫描速度 指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s”。 3偏转因数 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（即1格）所需的电压值，单位为“V/cm”、“mV/cm” 。 4输入阻抗 当输入直流信号时，输入阻抗用输入电阻Ri表示；当输入交流信号时，输入阻抗用输入电阻Ri和输入电容Ci的并联表示。,上升时间tr与BW有关，它表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，当输入一个理想阶跃信号（上升时间为零）时，显示波形的上升沿的幅度从10%上升到90%所需的时间。它反映了示波器Y通道跟

21、随输入信号快速变化的能力。 频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为,3.2 CRT显示原理,一、 阴极射线示波管（CRT） CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成。 其工作原理是： 由电子枪产生的高速电子束轰击荧光屏的相应部位产生荧光，而偏转系统则能使电子束产生偏转，从而改变荧光屏上光点的位置。 CRT内部结构如下图所示：,1电子枪 （1）作用：发射电子并形成很细的高速电子束。 （2）工作原理：电子聚焦原理,G1、G2、A1、A2的电位关系为：VG1VG1、VA1VA1，因此，电子从G1至G2、A1至A2将得到汇聚并加速，而从G2至A1将发散。,(a)电子穿越电场时的加速与减速

22、(b)电子在电子枪中的运动轨迹,（3）组成：灯丝F、阴极K、栅极G和阳极A1、A2。 1）灯丝F、阴极K 当电流流过灯丝后对阴极加热，阴极产生大量电子，并在后续电场作用下轰击荧光屏发光。 2）控制栅极G 呈圆筒状，包围着阴极，只在面向荧光屏的方向开一个小孔，使电子束从小孔中穿过。通过调节G对K的负电位可调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。 3）第一阳极A1、第二阳极A2 A1和A2对电子束进行聚焦并加速，使到达荧光屏的电子形成很细的一束并具有很高速度。调节A1的电位，即可调节G与A1和A1与A2之间的电位，调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”。,2偏转系统 （1

23、）结构： 示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直（Y）偏转板和水平（X）偏转板，偏转板在外加电压信号的作用下使电子枪发出的电子束产生偏转。 当偏转板上没有外加电压时，电子束打向荧光屏的中心点；如果有外加电压，则在偏转电场作用下，电子束打向由X、Y偏转板共同决定的荧光屏上的某个坐标位置。 （2）工作原理：线性偏转理论 电子的位移与所加电压的大小成正比。,电子将以vo为初速度进入偏转板，电子经过偏转板后偏转距离y如下式,式中，l为偏转板的长度；S为偏转板中心到屏幕中心的距离；b为偏转板间距；Va为阳极A2上的电压。,对于设计定型后的示波器偏转系统，l、S、b、Va可视为常数，

24、设比例系数,为示波管的Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V），,为示波管的Y轴偏转因数（单位为V/cm）。,则式子可写为,上式表示，垂直偏转距离与外加垂直偏转电压成正比。同样的，对水平偏转系统，亦有,为提高Y轴偏转灵敏度，可适当降低第二阳极电压，而在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3，使穿过偏转板的电子束在轴向（Z方向）得到较大的速度。这种系统称为先偏转后加速（PDA，Post Deflection Acceleration）系统，可大大改善了偏转灵敏度。,3荧光屏 荧光屏将电信号变为光信号，它是示波管的波形显示部分，通常制作成矩形平面。其内壁有一层荧光物质，面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透

25、明铝膜，高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质而发光，透明铝膜可保护荧光屏，且消除反光使显示图形更清晰。 当电子束停止轰击荧光屏时，光点仍能保持一定的时间，这种现象称为“余 辉效应”。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10所持续的时间称为余辉时间。 余辉时间与荧光材料有关，一般将小于10s的为极短余辉；10slms为短余辉；1ms0.ls为中余辉；0.1ls为长余辉；大于ls为极长余辉。,1、显示随时间变化的图形 电子束进入偏转系统后，要受到X、Y两对偏转板间电场的控制，它们对X、Y的控制作用有如下几种情况。 （1）Ux、Uy为固定电压的情况 a）设Ux=Uy=0，则光点在垂直和水平方向

26、都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图a。 b）设Ux=0、Ux=常量，光点在垂直方向偏移。设Uy为正电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向上移，若Uy为负电压，则光点从荧光屏的中心往垂直方向下移。 c）设Ux=常量、Uy=0，则光点在水平方向偏移。若Ux为正电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向右移，若Ux为负电压，则光点从荧光屏的中心往水平方向左移。 d）设Ux=常量、Uy=常量，当两对偏转板上同时加固定的正电压时，应为两电压的矢量合成。,二、 波形显示的基本原理 电子束在荧光屏上产生的亮点在屏幕上移动的轨迹，是加到偏转板上的电压信号的波形。,(2）X、Y偏转板上分别加变化电压a)设ux=0，

27、uy=Umsint。由于X偏转板不加电压，光点在水平方向是不偏移的，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段，如图a。b）设ux=kt，uy=0，由于Y偏转板不加电压，光点在垂直方向是不移动的，则光点在荧光屏的水平方向上来回移动，出现的也是一条水平线段，如图b。,(a) (b) 水平和垂直偏转板上分别加变化电压,（3）Y偏转板加正弦波信号电压uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压ux=kt 1）当时间t=t0时，ux=-Uxm，uy=0（锯齿波电压的最大负值），光点为点“0”。 2）当时间t=t1时，Uy=Uy1、Ux=-Ux1，光点为点“1”。 3）当时间t=t2时，Uy=Uy

28、2、Ux=-Ux2，光点为点“2” 。 4）当时间t=t3时，Uy=Uy3、Ux=Ux3 ，光点为点“3” 。 5）当时间t=t4时，Uy=Uy4、Ux=Ux4 ，光点为点“4” 。,2、显示任意两个变量之间的关系 示波器两个偏转板上都加正弦电压时显示的图形称为李沙育（Lissajous）图形，这种图形在相位和频率测量中常会用到。 (a)若两信号的初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线，若;两信号在X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45角; (b)如果这两个信号初相位相差90，则在荧光屏上画出一个正椭圆；若X、Y方向的偏转距离相同，则荧光屏上画出的图形为圆。,(a) ux、uy同频同相

29、 (b) ux、uy同频但相差90,如果在X偏转板上加上一个锯齿波电压ux=kt（k为常数），垂直偏转板不加电压，那么光点在X方向做匀速运动，光点在水平方向的偏移距离为 式中，x为X方向的偏转距离；Sx为比例系数，称为示波管的X轴偏转灵敏度（单位为cm/s）； hx为比例系数，即光点移动的速度。这样，X方向偏转距离的变化就反映了时间的变化。此时光点水平移动形成的水平亮线称为“时间基线”。,3、扫描,（1）定义：光点在扫描电压作用下扫动的过程。 （2）扫描电压实际波形：锯齿波。,Ts:扫描正程时间，电子束从左到右运动； Tb:扫描逆程时间或扫描回程时间，电子束从右到左运动； Tw:扫描休止时间。

30、 扫描电压周期Tx=Ts+Tb+Tw。 理想状态下：Tb=Tw=0，Tx=Ts。,Y偏转板：加被测信号； X偏转板：加扫描电压信号（设为理想状态）。,4、同步 当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时，即Tx=nTy(n为正整数)，称扫描电压与被测电压“同步”。 则每次扫描的起点都对应在被测信号的同一相位点上，这就使得扫描的后一个周期描绘的波形与前一周期完全一样，每次扫描显示的波形重叠在一起，在荧光屏上可得到清晰而稳定的波形。,“同步”原理即： （1）当理想扫描电压的周期Tx=n Ty(n为正整数)时，波形稳定，且显示n个被测信号波形； （2）当此关系不成立时,波形显示不稳定。,1-1)设Y

31、偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压Ux=kt，且有Tx=Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。,1-2)设Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压Ux=kt，且有Tx=2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。,2)设Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压Ux=kt，且有Tx=3/2 Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的不稳定波形。,5、增辉、消隐现象 实际的扫描电压中，回程时间与休止时间并不为零，则电子从右端回到左端时，也会有扫描轨迹。 回程轨迹的存在影响被测波形的观测，为了使回扫产生的波形不在

32、荧光屏上显示，可以设法在扫描正程期间，使电子枪发射的电子远远多于扫描逆程，即给示波器增辉，这样观测者看的就只有扫描正程显示的波形。或者示波器中要将回程轨迹消隐，即使得正程轨迹亮度增加，回程轨迹黯淡，凸显正程。 例： 设Y偏转板加正弦波信号电压Uy=Umsint，X偏转板加锯齿波电压Ux， Tx= Ts+ Tb+Tw,且有Ts=2Ty, Tb=Ty,Tw=0,荧光屏显示如下波形。,扫描正程轨迹,3.3 通用示波器,一、 通用示波器的组成 通用示波器主要由示波管、垂直通道和水平通道三部分组成。此外，还包括电源电路及校准信号发生器。,下图为示波器简化结构示意图：,二、 通用示波器的垂直通道,（一）作

33、用： 将输入的被测信号进行衰减或线性放大后，输出符合示波器偏转要求的信号，驱动电子运动，使被测信号在屏幕上显示出来。,（二）构成： 输入电路、Y前置放大器、延迟线和Y后置放大器等。 基本组成框图如下：,1、输入电路 （1）作用：引入被测信号，并为前置放大器提供良好的工作条件。 （2）输入电路方框图如下：,1）探头 a 、结构及工作原理：如下图所示。,Ui与Ui的关系分析如下：,b 、作用： a) 将原输入信号进行幅度衰减，扩展其量程； b) 提供示波器的高输入阻抗; c) 降低示波器的输入容抗，提高示波器的抗干扰能力。 c 、使用注意事项： a) 探头要定期校正，调节可调电容。 采用示波器内部

34、的方波信号进行探头校正，可能有以下三种情况。,a) 正常补偿 b）欠补偿 c）过补偿,RiCi=RC,RiCiRC,RiCiRC,b) 探头与示波器要配套使用。,2）耦合方式选择开关 AC：交流耦合,适于观察交流信号； DC：直流耦合,用于观测频率很低的信号或带有直流分量的交流 信号。 GND：接地,用于确定零电压.,3）衰减器 衰减器作用衰减输入信号，进行频率补偿。面板上用“V/cm”标记的开关改变分压比从而改变示波器的偏转灵敏度。,步进调节设置示例： 电阻衰减直流分量；电容器衰减交流分量。,此时： 被测信号衰减了若干倍，且该衰减器的作用与信号的频率无关。,4)阻抗变换倒相器 作用： a 、

35、采用射极跟随器作阻抗变换器，提高输入电路的输入阻抗； b、将来自衰减器的单端输入信号转换为双端输出的对称信号送给Y前置放大器，以便将被测信号对称地加到Y偏转板。,2前置放大器 作用： （1）将信号适当放大，补偿延迟线的损耗； （2）为X通道提供内触发信号，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等作用。,3延迟线 作用：把加到垂直偏转板上的信号延迟一段时间，使信号出现的时间滞后于扫描开始时间，保证在屏幕上扫描出信号全过程。,4Y输出放大器 Y输出放大器功能是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。,三、通用示波器的水平通道,（一）作用

36、：产生随时间线形变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧光屏的水平方向达到满偏转。,（二）构成：触发电路、扫描电路和水平放大器等。,1触发电路 （1）作用：为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。,（2）结构： 包括触发源选择、触发耦合方式选择、触发方式选择、触发极性选择、触发电平选择和触发放大整形等电路。,1）触发源选择 一般有内触发、外触发和电源触发三种类型。 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，或者，当被测

37、信号不适于作触发信号时使用。 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。,2）触发耦合方式 一般设有四种触发耦合方式： “DC”直流耦合：用于接入直流或缓慢变化的触发信号。 “AC”交流耦合：用于观察从低频到较高频率的信号。用 “内”、“外”触发均可。 “AC低频抑制”（“LF REJ ”）耦合：用于观察含有低频干扰的信号。 “AC高频抑制耦合”（“HF REJ ”）：用于抑制高频成分的耦合。,3）触发极性选择和触发电平调节 a 、作用： 触发极性和触发电平决定触发脉冲产生的时刻，并决定扫描的起点，调节它们可便于对波形的观测和比较。 b

38、 、定义： 触发极性：指触发点位于触发源信号的上升沿还是下降沿。触发 点处于触发源信号的上升沿为“+”极性；触发点位于触发源信号的下降沿为“”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。,正电平 正极性,正电平 负极性,负电平 负极性,负电平 正极性,4）放大整形电路 扫描信号发生器要稳定工作，对触发信号有一定的要求，因此，需对触发信号进行放大、整形。 整形电路的基本形式是电压比较器，当输入的触发源信号与通过“触发极性”和“触发电平”选择的信号之差达到某一设定值时，比较电路翻转，输出矩形波，然后经过微分整形，变成触发脉冲。,2扫描发生器环（时基电路） （1）作用：扫描

39、发生器用来产生线性良好的锯齿波，通常用扫描发生器环来产生扫描信号。 （2）结构：积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成。,（3）扫描发生器环的基本工作过程： 触发脉冲到来后，打开时基闸门，扫描电压产生电路开始产生线性变化的锯齿波电压，此电压送至X特大器，控制电子束自左向右扫描，同时也送往比较器； 当锯齿波电压达到预定的幅度后，电压比较器输出经释抑电路产生停止信号，关闭时基闸门，使扫描电压产生电路进入回程期； 在回程期，释抑电路起“抑止”作用，防止后续触发脉冲去开启时基闸门，直到闸门输入端及扫描电路完全恢复到初始状态才释放闸门。 扫描正程：从时基闸门打开到闸门关闭的一段时期。 释抑期：从扫描正程开始

40、到闸门“释放”时为止的一段时间为释抑 期，比逆程期长。 一次扫描至少包括扫描正程和释抑期，释抑期内既完成扫描回程，又保证电路恢复到初始状态，等待下一个触发脉冲触发。,3水平放大器 （1）作用： 选择X轴信号，并将其放大到足以使光点在水平方向达到满偏的程度。X放大器的输入端有“内”、“外”信号的选择。置于“内”时，X放大器放大扫描信号；置于“外”时，水平放大器放大由面板上X输入端直接输入的信号。 （2）扫描速度： 改变X放大器的增益可以使光迹在水平方向得到扩展，或对扫描速度进行微调，以校准。改变X放大器有关的直流电位可以使光迹产生水平位移。,4、扫描方式 （1）连续扫描： 扫描电压是连续的，即扫

41、描正程紧跟着逆程，逆程结束又开始新的正程，扫描是不间断的。 （2）触发扫描： 由被测信号激发扫描发生器的间断的工作方式，适用于测量脉冲信号。 （3）自动扫描： 无触发信号时，连续扫描；有触发信号时，触发形成扫描。 （4）单次扫描： 只在第一个触发脉冲到来时启动扫描一次，主要用于观测非周期信号。,连续扫描与触发扫描的比较：,示波器中触发方式的设置： （1）“常态（NORM）方式”： 相当于触发扫描。有信号输入时屏幕显示被测信号波形；无信号时屏幕无显示。 （2）“自动（AUTO）方式”： 有信号时相当于触发扫描，屏幕显示被测信号波形；无信号时相当于连续扫描，屏幕显示水平扫描线。 需与触发电平配合使

42、用使波形稳定显示。 （3）“峰值自动（P-P AUTO）”： 同“自动方式”，只是不需调节触发电平叶可使波形稳定。,四、 通用示波器的其他电路,1高、低压电源 低压电源为电路提供所需的直流电压。 高压电源电路多用于示波器的高、中压供电。 2Z轴的增辉与消隐 作用：是将闸门信号放大，加到示波管上，使显示的波形正程加亮。 3校准信号发生器 作用：产生幅度和频率准确的基准方波信号，为仪器本身提供校准信号源，以便随时校准示波器的垂直灵敏度和扫描时间因数。,3.3.5 示波器的多波形显示,一、多线示波 多线示波是利用多枪电子管来实现的。各通道、各波形之间产生的交叉干扰可以减少或消除，可获得较高的测量准确

43、度。但其制造工艺要求高，成本也高，所以应用不是十分普遍。,二、多踪示波 1、工作原理： 多踪示波是在单线示波的基础上增加了电子开关而形成的。电子开关按分时复用的原理，分别把多个垂直通道的信号轮流接到Y偏转板上，最终实现多个波形的同时显示。 2、双踪示波器的Y通道工作原理如图所示。,双踪示波器的Y通道中设置了两套相同的输入和前置放大器，两个通道的信号都经过电子开关控制的门电路，只要电子开关的切换频率满足人眼的滞留要求，就能同时观察到两个被测波形而无闪烁感。根据电子开关工作方式的不同，双踪示波器有5种显示方式。,（1）“Y1”通道（CH1）：接入Y1通道，单踪显示Y1的波形。,（2）“Y2”通道（

44、CH2）：接入Y2通道，单踪显示Y2的波形。,（3）叠加方式（CH1CH2）： 两通道同时工作，Y1、Y2通道的信号在公共通道放大器中进行代数相加后送入垂直偏转板，实现两信号的“和”或“差”的功能。 当“CH2反相”按钮弹起时，实现CH1+CH2; 当“CH2反相”按钮按下时，实现CH1CH2。,（4）交替方式（ALT）： 第一次扫描时接通Y1通道，第二次扫描时接通Y2通道，交替地显示Y1、Y2通道输入的信号，如图所示。 该方式适合于观察高频信号。若用于观测频率较低信号则出现波形“闪烁”。,“交替”方式触发源的选择: 若示波器处于交替触发状态，即显示Y1信号时，用Y1信号触发，显示Y2信号时，

45、用Y2信号触发，则原来有相位的两个信号会显示为相位相同的信号。如下所示：,a）被测信号,b）交替触发显示的波形,此时应该使用相位超前的信号作固定的内触发源或者改用“断续”显示方式，波形如下：,c)固定信号y1触发显示的波形,（5）断续方式（CHOP）： 断续方式是在一个扫描周期内，高速地轮流接通两个输入信号，被测波形由许多线段时续地显示出来，如图所示。 该方式适用于被测信号频率较低的情况。若用于观测频率较高信号则会出现波形“断续”。,三、双时基扫描显示 双时基示波器有两个独立的触发和扫描电路，其扫描速度可以相差很多倍。这种示波器特别适用于在观察一个脉冲序列的同时，仔细观察其中一个或部分脉冲的细

46、节。,图 双扫描示波器的组成,如图，输入信号为由4个脉冲组成的脉冲串，现欲通过双扫描示波器在同一屏幕上仔细观测其中的第三个脉冲。这时可用A扫描（称慢扫描）去完整显示脉冲列，而用B扫描（称快扫描）去展开第三个脉冲。,图 双扫描示波器的有关波形,首先脉冲1达到触发电平，产生A触发，在它的作用下产生A扫描，这个扫描电压将脉冲14显示在荧光屏上。与此同时，A扫描电压与图中电位器Rp提供的直流电位在比较器中进行比较，当电平一致时产生B触发，开始B扫描。B扫描比A扫描延迟的时间可以通过Rp来调节，因此，Rp提供的直流电平称为“延迟触发电平”。 为了能同时观测脉冲列的全貌及其中某一部分的细节，通过电子开关，

47、把两套扫描电路的输出“交替”地接人X放大器。电子开关还控制Y线光迹分离电路，它实际上是控制Y放大器的直流电位，使两种扫描显示的波形上下分开。由于荧光屏的余辉和人眼的残留效应，就使人感到“同时”显示了两种波形。这称为“A延迟B”。 把A、B扫描门产生的增辉脉冲叠加起来，形成合成增辉信号（见图），用它来给A通道增辉，使得A通道所显示的脉冲列中，对应B扫描期间的那个脉冲3被加亮（见图），这称为“B加亮A”。 在有的双扫描示波器的实现中，只有A延迟B方式，有的只有B加亮A方式，若两种方式都有的，被称为自动双扫描。,3.4取样示波器,一、概述,1取样的基本概念 （1）取样：就是从被测波形上取得样点的过程

48、。取样分为实时取样和非实时取样两种。 （2）实时取样：从一个信号波形中取得所有取样点，来表示一个信号波形的方法；,（3）非实时取样：从被测信号的许多相邻波形上取得样点的方法，或称为等效取样。,在t=t1时，取样脉冲p(t)到来，取样门开关S闭合，输入信号ui(t)被取样，形成离散输出信号uo(t)，uo(t)称为“取样信号”。若取样脉冲宽度很窄，则可以认为每次取样所得离散的取样信号幅度就等于该次取样瞬间输入信号的瞬时值。依次类推，可取样点若干。,两个取样脉冲的时间间隔为 :,二、取样原理 在取样技术中，取样保持器是核心电路，取样保持器在原理上可等效为一个取样开关（取样门）和保持电容的串联。,式

49、中：T为被测信号的周期；t为步进延迟时间；m为两个取样脉冲之间被测信号周期的个数（图中m=1）。 则所得的取样信号的包络可重现原信号波形，因为波形包络所经历的时间变长了，故可用低频示波器显示。,在实时取样条件下，以为取样间隔，完成一个信号周期（T）的采样需n次，即；在非实时取样时，设每m个信号周期取样一次，经过n次取样之后完成对信号的一次取样循环，那么，一次取样循环的时间t和信号周期T的关系为,即，非实时取样后得到的n个取样点形成的包络等效为原信号的一个周期，而这n个取样点来自于原信号的（mn+1）个周期，因而，取样后比原信号频率降低了（mn+1）倍。非实时采样只适用于周期性信号。,4、取样示

50、波器的主要参数 （1）取样示波器的带宽 对取样门的要求是元件的高频特性要足够好；取样脉冲本身要足够窄，。当取样门所用元件工作频率足够高时，取样门的最高工作频率与取样脉冲底边的宽度成反比。 可见，取样示波器的频带宽度与取样脉冲底边的宽度成反比。 （2）取样密度 取样密度是指电路扫描时，在示波器屏幕X轴上显示的被测信号每格所对应的取样点数，常用每厘米的光点数来表示。 （3）等效扫速 等效扫速定义为被测信号经历时间与水平方向展宽的距离比。 在通用示波器中扫描速度为荧光屏每厘米代表的时间（t/cm）。在取样示波器中，虽然在屏幕上显示n个亮点需要n（mT+t）的时间，但它等效于被测信号经过了nt的时间。

51、,35 数字存储示器,一、数字存储示波器,数字存储示波器（Digital Storage Oscilloscope，简称为DSO）是将捕捉到的波形通过A/D转换进行数字化，而后存入示波管外的数字存储器中。,1、数字存储示波器的组成原理 一个典型的数字存储示波器原理方框图如图所示，它的工作过程一般分为存储和显示两个阶段。 在存储工作阶段，模拟输入信号先经过适当地放大或衰减，然后再经过“取样”和“量化”两个过程的数字化处理，将模拟信号转换成数字化信号，最后，数字化信号在逻辑控制电路的控制下依次写入到RAM中。 在显示工作阶段，将数字信号从存储器中读出，并经D/A转换器转换成模拟信号，经垂直放大器放

52、大加到CRT的Y偏转板。与此同时，CPU的读地址计数脉冲加至D/A转换器，得到一个阶梯波扫描电压，加到水平放大器放大，驱动CRT的X偏转板，从而实现在CRT上以稠密的光点包络重现模拟输入信号。,2数字存储示波器的工作方式,3数字存储示波器的显示方式,数字存储示波器的显示方式有基本显示、抹迹显示、卷动显示、放大显示和XY显示等，可适应不同情况下波形观测的需要。,4数字存储示波器的特点,5、数字存储示波器的主要技术指标,（1）最高取样速率 最高取样速率指单位时间内取样的次数，也称数字化速率，用每秒钟完成的A/D转换的最高次数来衡量。取样速率愈高，仪器捕捉高频或快速信号的能力愈强。,（2）存储带宽(

53、B) 存储带宽与取样速率fs密切相关。根据取样定理，如果取样速率大于或等于信号频率的2倍，便可重现原信号。实际上，为保证显示波形的分辨率，一般取N=410倍或更多，即存储带宽。,(3）分辨率 分辨率指示波器能分辨的最小增量。它包括垂直分辨率（电压分辨率）和水平分辨率（时间分辨率）。 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)或百分数表示。水平分辨率由取样速率和存储器的容量决定，常以屏幕每格含多少个取样点或用百分数来表示来。,（4）存储容量 存储容量又称记录长度，它由采集存储器（主存储器）的最大存储容量来表示，常以字(word)为单位。,（5）读出速度 读出速度是指

54、将数据从存储器中读出的速度，常用“(时间)/div”来表示。,36 示波器的选择和使用,一、 示波器的选择和使用,（1）根据要显示的信号数量，选择单踪或双踪示波器 （2）根据被测信号的频率特点选择 （3）根据被测信号的重现方式选择 (4) 根据被测信号是否含有交直流成分选择 (5) 根据被测信号的测试重点选择,二、示波器的正确使用,使用前须检查电网电压是否与示波器要求的电源电压一致。通电后需预热几分钟再调整各旋钮。各旋钮应先大致旋在中间位置，以便找到被测信号波形。,1、辉度 使用示波器时，亮点辉度要适中，不宜过亮，且光点不应长时间停留在同一点上，以免损坏荧光屏。 2、聚焦 应使用光点聚焦，不要

55、用扫描线聚焦。如果用扫描线聚焦，很可能只在垂直方式上聚焦，而在水平方向上并未聚焦。 如下图所示显示方波时可能会出现这样的现象。,3、测量 应在示波管屏幕的有效面积内进行测量，最好将波形的关键部位移至屏幕中心区域观测，这样可以避免因示波管的边缘弯曲而产生测量误差。,4、探头 探头要专用，且使用前要校正。将示波器内部校正信号（方波信号）经探头接入通道，观察波形形状。,a) 正常补偿 b）欠补偿 c）过补偿,37 示波器的基本测量方法,一、测量电压,1直流电压的测量 （1）测量原理 示波器测量直流电压的原理是利用被测电压在屏幕上呈现一条直线，该直线偏离时间基线（零电平线）的高度与被测电压的大小成正比

56、的关系进行的。 被测直流电压值为：,式中，h为被测直流信号线的电压偏离零电平线的高度；为示波器的垂直灵敏度；k为探头衰减系数。,（2）测量方法 1）首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置（CAL）。 2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。 3）确定零电平线。 将示波器的输入耦合开关置于“GND”位置，调节垂直位移旋钮，将荧光屏上的扫描基线（零电平线）移到荧光屏的中央位置。 4）确定直流电压的极性。 调整垂直灵敏度开关到适当位置，将示波器的输入耦合开关拨向“DC”档，观察此时水平亮线的偏转方向，若位于前面确定的零电平线上，则被测直流电压为正极性；若向下偏转，则为负极性。 5）读出被测

57、直流电压偏离零电平线的距离h。 6）根据公式计算被测直流电压值。,2交流电压的测量,（1）测量原理 使用示波器测量交流电压的最大优点是可以直接观测到波形的形状，还可显示其频率和相位。但是，只能测量交流电压的峰-峰值。被测交流电压值VPP（峰-峰值）为 VPP= HDyK 式中：H为被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度；Dy为示波器的垂直灵敏度；K为探头衰减系数。,（2）测量方法 1）首先应将示波器的垂直偏转灵敏度微调旋钮置于校准位置（CAL）。 2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。 3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。 4）调节扫描速度，使显示的波形稳定。 5）调节垂直灵敏

58、度开关，使荧光屏上显示的波形适当，记录Dy值。 6）读出被测交流电压波峰和波谷的高度或任意两点间的高度H。 7）根据式上计算被测交流电压的峰-峰值。,二、测量时间和频率,1测量周期和频率 （1）测量原理 对于周期性信号，周期和频率互为倒数，只要测出其中一个量，另一个参量可通过公式求出。 被测交流信号的周期T为 T=xDx/k 式中：x为被测交流信号的一个周期在荧光屏水平方向所占距离；Dx为示波器的扫描速度；k为X轴扩展倍率开关。 （2）测量方法 1）首先将示波器的扫描速度微调旋钮置于“校准”（CAL）位置。 2）将待测信号送至示波器的垂直输入端。 3）将示波器的输入耦合开关置于“AC”位置。 4）调节扫描速度开关，使显示的波形稳定，并记录值。 5）读