第5章时域测量.pptx

第5章时域测量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5.1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 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 5.2 CRT及其显示原理一、阴极射线示波管（CRT）模拟示波器组成：垂直系统、水平系统和主机。模拟示波器的核心：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：E 辉度 聚焦 辅助聚焦 +EFGKA1A2Y偏转板X偏转板荧光屏电子枪偏转系统荧光屏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。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）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，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 1、显示随时间变化的图形、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都不偏转，出现在荧光屏的中心位置，如图a。b）设Ux=0、Uy=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、二、波形显示的基本原理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(2）X X、Y Y偏转板上分别加变化电压偏转板上分别加变化电压a)设ux=0，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 3）Y Y偏转板加正弦波信号电压偏转板加正弦波信号电压uy=Umsintuy=Umsint，X X偏转板加锯齿波电压偏转板加锯齿波电压ux=ktux=kt1）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=Uy2、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 2、显示任意两个变量之间的关系、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 (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 3、扫描、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。Uxt0TsTb TwTs: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。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、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。“同步同步”原理即：原理即：（1 1）当理想扫描电压的周期）当理想扫描电压的周期Tx=n Ty(nTx=n Ty(n为正整数为正整数)时，波形稳定，且显示时，波形稳定，且显示n n个被测信号波形；个被测信号波形；（2 2）当此关系不成立时）当此关系不成立时,波形显示不稳定。波形显示不稳定。1-1)1-1)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=TyTx=Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。Uyt0Ux0t1-2)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=2TyTx=2Ty荧光屏显示的是被测信号随时间变化的稳定波形。Uyt0Ux0t2)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 TyTx=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。tUyt0Ux0第一扫描周期第二扫描周期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,Tx=Ts+Tb+Tw,且有Ts=2Ty,Tb=Ty,Tw=0,Ts=2Ty,Tb=Ty,Tw=0,荧光屏显示如下波形。Uyt0Ux0t回程扫描轨迹扫描正程轨迹5.3 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。Y系统X系统 示 波 管电源、校准信号发生器等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：前置放大后置放大触发放大延迟线Y偏转板X通道输入电路uy三、通用示波器的水平通道（一）作用：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。水 平放大器触发源选 择输入耦合方式选择放大整形电 路时基 闸门扫描电压产生电路释抑电路电压比较器四、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。5.3.5 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。YAYB后置放大触 发扫 描X放大前置放大A 门电子开关B 门选 择前置放大延迟线内外XS1S2 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（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，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：y1y200tta）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节。图 双扫描示波器的组成 5.4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。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。55 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存储和显示显示两个阶段。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。A输入电路B输入电路YD/A转换器存储器RAMA/D转换器Y放大器数字时基发生器地址计数器触发电路接口电路控制逻辑单元（微处理器）XD/A转换器X放大器显示器（CRT）外触发输入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(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 读出速度是指将数据从存储器中读出的速度，常用“(时间)/div”来表示。56 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