第5章信号波形测量.ppt

第5章 信号波形测量,§5.1 概述 §5.2 CRT显示原理 §5.3 模拟通用示波器 §5.4 取样示波器 §5.5 示波器的基本测试技术 §5.6 波形存储及显示技术,§5.1 概述,一、 示波测量技术 示波测量技术在测量领域应用广泛： 1 时域测量：研究信号随时间变化的测量问题-》示波器 2 频域测量：研究系统的频率特性、信号的频谱特性-》频谱分析仪 3 数据域测量：研究随时钟变化的数据流-》逻辑分析仪 4 非电测量：探伤、医疗等二、 示波器的分类 根据示波器对信号的处理方式的不同可分为模拟、数字两大类： 1 模拟示波器 ——采用模拟方式对时间信号进行处理和显示 2 数字示波器 ——对信号进行数字化处理后再显示1 模拟示波器类型,通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪示波器 多束示波器采用多束示波管，荧光屏上显示的每个波形都由单独的电子束扫描产生 取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号（利用取样技术） 记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存储、记忆和反复显示 专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波器如：电视示波器、矢量示波器,2 数字示波器,数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波形。

数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又称为数字存贮示波器 根据取样方式不同，数字示波器又可分为实时取样、随机取样和顺序取样三大类 适合于观测单次信号，非周期信号，慢变信号三、 主要技术指标,1．频带宽度BW和上升时间tr ① 示波器的频带宽度BW（MHz）一般指Y通道的频带宽度 BW=fH-fL fL=0时，BW=fH ② 上升时间tr是一个与频带宽度BW相关的参数，表示由于示波器Y通道的频带宽度的限制，示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力10%上升到90%)的时间,理想阶跃 示波器中,频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为,2．扫描速度 扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，单位为“cm/s” 荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，因此扫描速度的单位也可表示为“div/s” 扫描速度的倒数称为“时基因素”，它表示单位距离代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为μs、ms或s，在示波器的面板上，通常按“1、2、5”的顺序分成很多档 选择较小的时基因数，可以观察高频信号的波形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”（或“V/div”、“mV/div”）。

偏转因数表示了示波器Y通道的放大/衰减能力 偏转因数越小，示波器观察微弱信号的能力越强 偏转因数的倒数称为“（偏转）灵敏度”单位 “cm/V”、“cm/mV”（或“div/V”、“div/mV”）等 灵敏度越高，示波器观察微弱信号的能力越强4．输入阻抗 当被测信号接入示波器时，输入阻抗Zi形成被测信号的等效负载 5．输入方式 即输入耦合方式，一般有直流（DC）、交流（AC）和接地（GND）三种，可通过示波器面板选择 5.触发源选择方式 触发源是指用于提供产生扫描电压的同步信号来源，一般有内触发（INT）、外触发（EXT）、电源触发（LINE）三种§5.2 CRT显示原理,一、 CRT组成 CRT主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三部分组成，基本结构如下图所示1 电子枪,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束，它由灯丝F、阴极K、栅极G1和G2和阳极A1、A2组成 灯丝F：电阻丝，通常加5.3V或12.6V交流电压对阴极加热； 阴极K：在灯丝加热下，进行热电子发射，通常对机壳电压为-1kV； 第一、二栅极G1和G2及第一、二阳极A1、A2：圆筒形，共同完成加速和聚焦过程 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。

一般uG1K=-（30～70）V，负电压的绝对值越大，光点亮度越小 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电位的旋钮称为“辅助聚焦”电子束聚焦原理,1 电子枪,电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示电子枪中各电位关系：,示波器的关键器件,2 偏转系统,示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板 当有外加电压作用时，偏转板之间形成电场；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 为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边2 偏转系统,Y轴偏转灵敏度（单位为cm/V）： 其倒数为示波管的Y轴偏转因数偏转灵敏度越大，示波管越灵敏 为提高Y轴偏转灵敏度，可在偏转板至荧光屏之间加一个后加速阳极A3l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；Ua为阳极A2上的电压电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转电压成正比：,3 荧光屏,荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显示部分 在使用示波器时，应避免电子束长时间的停留在荧光屏的一个位置，否则将使荧光屏受损。

因此在示波器开启后不使用的时间内，可将“辉度”调暗 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”余辉时间：从电子束移去到光点下降为原始值得10%所持续的时间 极短余辉：余辉时间1s 低频示波器；,刻度线：一般1cm/div；常规 8 div×10 div （高×宽）,二、 波形显示的基本原理,1．显示随时间变化的图形 （1）Ux、Uy为固定电压时，有下面四种情况：,,光点出现在荧光屏的中心位置光点仅在垂直方向偏移 ：Uy为正电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向上移；Uy为负电压时，光点从荧光屏的中心往垂直方向下移二、 波形显示的基本原理,,光点仅在水平方向偏移 ：Ux为正电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向右移；Ux为负电压时，光点从荧光屏的中心往水平方向左移当两对偏转板上同时加固定的正电压时，光点位置应为两电压的矢量合成二、 波形显示的基本原理,（2）X、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情况：,,仅在垂直偏转板的两板间加正弦变化的电压，则光点只在荧光屏的垂直方向来回移动，出现一条垂直线段二、 波形显示的基本原理,,仅在水平偏转板的两板间加锯齿电压，则光点只在荧光屏的水平方向来回移动，出现一条水平线段。

二、 波形显示的基本原理,1．显示随时间变化的图形（续） （3）Y偏转板加 正弦波信号电压， X偏转板加锯齿波 电压，荧光屏上 将显示出被测信 号随时间变化的 一个周期的波 形曲线二、 波形显示的基本原理,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若两信号的初相相同，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出一条与水平轴呈45度角的直线二、 波形显示的基本原理,2．显示任意两个变量之间的关系（续）,,若两信号的初相相差90度，且在X、Y方向的偏转距离相同，在荧光屏上画出的图形为圆二、 波形显示的基本原理,3．扫描的概念 如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的电压，垂直偏转板不加电压，那么光点在水平方向的偏移距离为 Sx-示波管的X轴偏转灵敏度（cm/V）； k-扫描斜率（V/s) hx-光点移动速度（cm/s）； 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，形成的水平亮线称为“时间基线”，能实现扫描的锯齿波电压称为扫描电压，光点自左向右的连续扫动称为“扫描正程”，自荧光屏的右端迅速返回左端起扫点的过程称为“扫描回程”。

二、 波形显示的基本原理,4．同步的概念 （1）Tx=nTy(n为正整数)：荧光屏上将稳定显示n个周期的被测信号波形n=2,如果扫描电压周期Tx与被测电压周期Ty保持Tx=nTy的关系，则称扫描电压与被测电压“同步”二、 波形显示的基本原理,4．同步的概念（续） （2）Tx≠nTy(n为正整数)，即不满足同步关系时，显示的 波形不稳定从右向左移动,稳定示波的条件： （1）X偏转板必须加扫描电压； （2）Tx=NTy； （3）扫描线性要好； （4）扫描频率不能过低二、 波形显示的基本原理,5．连续扫描和触发扫描 连续扫描：常用扫描方式，采用自激型扫描振荡器，示波器一加电压，就有扫描信号输出，形成时间基线 当欲观测脉冲信号，尤其是占空比很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题：选择扫描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节二、 波形显示的基本原理,5．连续扫描和触发扫描（续） 选择扫描周期等于脉冲底宽时，时间基线过亮，而且扫描的同步很难实现二、 波形显示的基本原理,5．连续扫描和触发扫描（续） 触发扫描时，使扫描脉冲只在被测脉冲到来时才扫描一次；没有被测脉冲时，扫描发生器处于等待工作状态。

二、 波形显示的基本原理,5.增辉和消隐 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，给示波器增辉 或在扫描回程采用 消隐技术若不增辉或消隐将产生如图的回扫线,,增辉：用于触发扫描在扫描正程，控制电子枪，使UG1K↑，发射更多的电子；其他时间，停止发射电子束消隐：用于连续扫描在扫描回程，控制电子枪，使UG1K↓，停止发射电子束§3 模拟通用示波器,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二、 通用示波器的垂直通道 1．输入电路：包括衰减器和输入选择开关 （1）衰减器 目的：① 为扩大被显示信号的幅度范围而衰减强信号，避免失真；② 保护前置级，避免过强的信号烧坏输入放大管 对衰减电路的要求： ① 衰减量要准； ② 宽带,,,,,电容补偿型衰减电路,分压比与频率无关：宽频特性,,,最佳补偿条件,,使用中，衰减系数换算成偏转灵敏度，方便定量测量改变分压比的开关为示波器的垂直灵敏度粗调开关，在面板上用“V/cm”标记例，若示波的灵敏度为10mV/cm，则衰减2倍后，实际灵敏度下降为20mV/cm2）输入耦合方式 输入耦合方式设有AC、GND、DC三档选择开关。

观察交流信号时，置“AC”档 确定零电压时，置“GND”档 观测频率很低的信号或带有直流分量的交流信号 时，置“DC”档二、 通用示波器的垂直通道（续）,2．前置放大器 前置放大器将信号适当放大，从中取出内触发信号，为扫描振荡器提供足够的控制电压； 具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用； 通常有20~50倍增益，满足宽带、保真度等要求； Y前置放大器大都采用差分放大电路，输出一对平衡的交流电压若在差分电路的输入端输入不同的直流电位，相应的Y偏转板上的直流电位和波形在Y方向的位置也会改变； 可通过调节“Y轴位移”旋钮，调节直流电位以改变被测波形在屏幕上的位置二、 通用示波器的垂直通道（续）,3．延迟线 触发扫描时，扫描的开始时间总是滞后于被观测脉冲一段时间，这样，脉冲的上升过程就无法被完整地显示出来二、 通用示波器的垂直通道（续）,延迟线的作用就是把加到垂直偏转板上的脉冲信号延迟 一段时间，以保证在屏幕上扫描出包括上升时间在内的脉冲 全过程 延迟线的输入级需采用低输出阻抗电路驱动，而输出级则采用低输入阻抗的缓冲器 对延迟线的要求：只起时间延迟作用，不能丢失信号的频率成分，引起信号失真。

目前延迟线已经做成传输线形式，延迟时间与长度成正比如射频同轴电缆延迟线，延迟时间约为5ns/m二、通用示波器的垂直通道（续）,4．Y输出放大器 功能：将延迟线传来的被测信号放大到足够的幅度，驱动示波管的垂。