第7章信号波形测量(new)

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1、第7章 信号波形测量,7.1 概述 7.2 CRT显示原理 7.3 通用示波器 7.4 取样示波器 7.5 波形存储及显示技术 7.6 示波器的基本测试技术,7.1.1 主要技术指标,1频带宽度BW和上升时间tr 示波器的频带宽度BW一般指Y通道的频带宽度。 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。 频带宽度BW与上升时间tr的关系可近似表示为,7.1 概述,7.1.1 主要技术指标,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”。 扫描速度的倒数称为“时基因素”，它表示单位距离

2、代表的时间，单位为“t/cm”或“t/div”，时间t可为s、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。,7.1.1 主要技术指标,3偏转因素 偏转因素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”）。 偏转因素表示了示波器Y通道的放大/衰减能力。 偏转因素的倒数称为“（偏转）灵敏度”。,7.1.1 主要技术指标,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

3、种，可通过示波器面板选择。 6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。,7.2 CRT显示原理,7.2.1 CRT 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。,2 偏转系统,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： 示波管的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A3。,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

4、上的电压。,7.2.2 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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续）,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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续） （2）X、

5、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。,7.2.2 波形显示的基本原理,1显示随时间变化的图形（续）,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。,7.2.2 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。,7.2.2 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同频率正弦电压时显示的图形称为李沙育

6、（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。,7.2.2 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。,7.2.2 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形变化的电压，垂直偏转板不加电压，那么光点在水平方向的偏移距离为 ，比例系数Sx称为示波管的X轴偏转灵敏度。 光点在锯齿波作用下扫动的过程称为“扫描”，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

7、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“扫描逆程”。,7.2.2 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”。,7.2.2 波形显示的基本原理,4同步的概念（续） （2）TxnTy(n为正 整数)，即不满足同 步关系时，显示的 波形不稳定。,7.2.2 波形显示的基本原理,5连续扫描和触发扫描 扫描电压是连续的方式称为连续扫描。 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

8、描周期等于脉冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。,7.2.2 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，观测者不易观察波形，而且扫描的同步很难实现。,7.2.2 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。,7.2.2 波形显示的基本原理,6扫描过程的增辉 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。,若不增辉将产生如图的回扫线,7.3 通用示波器,7.3.1 通用示波器的组成,7.3 通用示波器,7.3.2 通用示波器的

9、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,最佳补偿条件 ：,过补偿 ：,欠补偿：,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。,7.3 通用示波器,（2）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。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,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，并具有灵敏度微调、校正、Y轴移位、极性反转等控制作用。 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

10、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。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,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。,左图为没有延迟线时屏幕上显示的脉冲。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,3延迟线（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

11、缓冲器。,7.3.2 通用示波器的垂直通道,4Y输出放大器 Y输出放大器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。 Y输出放大器应具有稳定的增益、较高的输入阻抗、足够宽的频带、较小的谐波失真 。 Y输出放大器大都采用推挽式放大器，有利于提高共模抑制比。可采用改变负反馈的方法改变放大器的增益 （面板上的“5”或“10”开关 ）。,7.3.3 通用示波器的水平通道,7.3.2 通用示波器的垂直通道 水平通道包括触发电路、扫描电路和水平放大器等部分，其主要任务是产生随时间线性变化的扫描电压，再放大到足够的幅度，然后输出到水平偏转板，使光点在荧

12、光屏的水平方向达到满偏转。,7.3.3 通用示波器的水平通道,1触发电路 触发电路的作用是为扫描信号发生器提供符合要求的触发脉冲。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。,7.3.3 通用示波器的水平通道,触发极性选择和触发电平调节,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环 扫描发生器环又叫时基电路，常由积分器、扫描闸门及比较释抑电路组成 。,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （1）扫描门 常用的闸门电路有 双稳态、施密特触 发器和隧道二极 管整形电路。右图 为施密特触发器构 成的闸门电路。,7.3.3 通用

13、示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （2）积分器 密勒（Miller）积分器是通用示波器中应用最广的一种积分电路。,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （2）积分器 积分器产生的锯齿波电压被送入X放大器中放大，再加至水平偏转板。 荧光屏上单位长度所代表的时间为示波器的扫描速度 （t/cm），x：光迹在水平方向偏转的距离；t：偏转x距离所对应的时间。 在示波器中通常改变R或C值作为“扫描速度”粗调，用改变E值作为“扫描速度”微调。,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （3）比较和释抑电路 在比较电路中，输入电压与预置的参考电平进行比较，当输入电压等于预

14、置的参考电平时，输出端电位产生跳变，并把它作为控制信号输出。它决定扫描的终止时刻。 释抑电路在扫描逆程开始后，关闭或抑制扫描闸门，使“抑制”期间扫描电路不再受到同极性触发脉冲的触发。,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （3）比较和释抑电路 比较和释抑电路与扫描门、积分器构成一个闭合的扫描发生器环。 扫描门的输入接受三个方面的信号：“稳定度”电位器提供的直流电位；来自释抑电路的释抑信号；来自触发电路的触发脉冲。,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （3）比较和释抑电路 1）触发扫描过程：,7.3.3 通用示波器的水平通道,2扫描发生器环（续） （4）比较

15、和释抑电路 2）连续扫描。 在此扫描方式下，通过“稳定度”调节，使闸门电路的静态工作电平高于上触发电平E1，则不论是否有触发脉冲，扫描闸门都将输出闸门信号。 扫描闸门仍然受比较和释抑电路的控制，以控制扫描正程的结束，从而实现扫描电压和被测电压的同步。,7.3.3 通用示波器的水平通道,3水平放大器 其基本作用是选择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。,7.3.5 示波器的多波形显示,1多线示波 利用多枪电子管来实现的。 测试时各通道、各波形之间产生的交叉干扰可

16、以减少或消除，可获得较高的测量准确度。 2多踪示波 在单线示波的基础上增加了电子开关，利用分时复用的原理，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。,7.3.5 示波器的多波形显示,2多踪示波 “Y1”通道（CH1）、“Y2”通道（CH2）和叠加方式（CH1+CH2）都只显示一个波形。,7.3.5 示波器的多波形显示,2多踪示波（续) 交替方式（ALT）：适合于观察高频信号。,7.3.5 示波器的多波形显示,2多踪示波（续) 断续方式（CHOP）：适用于被测信号频率较低的情况。,7.3.6 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，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。,7.3.6 双时基扫描显示,7.4.1 概述,1取样的基本概念 实时取样示意图,7.4.1 概述,1取样的基本概念 非