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1、第4章时域测量仪器与原理 4 1 概述 4 2 模拟示波器 4 3 示波器的多波形显示 4 4 数字存储示波器 4 5 取样示波器 补充 示波器的应用 1 第4章 时域测量仪器与原理 学习参考 示波器主要用来观测信号波形 测量 电压 频率 时间等参数 是电子测量三大仪器之一 本章主要介绍波形测试原理及示波器的组成原理与 应用 要求通过学习了解示波器的组成 理解它的工 作原理 掌握它的应用 本章要点 示波管组成及波形显示原理 示波器 扫描过程 技术指标及应用 2 4 1 概述 电子示波器简称为示波器 它借助阴极射线示波 管 CRT Cathode Ray Tube 电子射线的偏转将电 信号变换成
2、可见图像 实现波形的显示 实现电压 周期 频率 时间 相位 调制系数等参数的测量 示波器也是构成特性曲线测试仪器等的重要组成 部分 例如晶体管特性图示仪 扫频仪等 3 通用示波器 多束示波器 取样示波器 存储示波器 专用示波器 单踪示波器 双踪示波器 多踪示波器 又称为多线示波器 将高频 超高频信号经取样变换为较 低频率信号后再显示 适用于测量高 频 超高频信号 适用于异地观测 异地分析测量 电视示波器 矢量示波器 逻辑示波器 示波器按其性能 结构分为 数字示波器 4 4 2 模拟示波器 1 基本组成 通用示波器主要由X通道 HORIZONTAL Y通道 VERTICAL 主机三大部分组成 1
3、 X通道 水平系统 X通道由触发电路 扫描电路和X放大器组成 主要作用是 在 触发信号的作用下 输出大小合适 极性相反的对称扫描电压 以驱动电子束水平偏转 2 Y通道 垂直系统 Y通道由输入电路 前置放大器 延迟线 输出放大器等组成 主要作用是 对单端输入的被测信号进行变换 处理使电子束 产生垂直偏转 5 探 极 输入电路 Y前置 放大器 延迟 线 Y输出 放大器 Y偏 转板 触发 电路 扫描电路X放 大器 校准信号 发生器 电源 增辉 电路 控制栅极 或阴极 主机 Y通道 X偏 转板 X 输入 外同步 触发输入 标准信号 输出 X Y X通道 扫描 S2 S1 内 外 电源 示波管 被测 信
4、号 输入 图4 2 通用示波器基本组成 6 3 主机部分 主机部分主要包括标准信号源 增辉电路 电源 示波 管等部分 7 阴极射线示波管是示波器重要组成部分 用来将 电信号变换为光信号而加以显示 CRT主要由电子枪 偏转系统和荧光屏三大部分组成 它们都封装在密 闭呈真空的玻璃壳内 其结构如图4 2 2所示 4 2 2 阴极射线示波管基本原理 8 电子枪 控制栅极G 阴极K 灯丝F 偏转系统 第一阳极A1第二阳极A2 Y1 Y2 X1 X2 后加速阳极A3 荧光屏 偏转板 辅助聚焦聚焦辉度 RP1RP2RP3 图4 2 阴极射线示波管结构示意图 9 1 电子枪 电子枪用来发射电子并形成很细的高速
5、电子束 它主要由 灯丝F 阴极K 控制栅极G 第一阳极A1 第二阳极A2和后加速 阳极A3组成 1300V 萤 光 屏 灯丝 阴极 控制栅极 第一阳极 第二阳极 偏转 系统 10 2 偏转系统 偏转系统位于第二阳极 之后 由两对相互垂直的X 水平 Y 垂直 偏转板组 成 分别控制电子束水平方 向 垂直方向的偏转 偏转 的距离分别与加在偏转板上 的电压大小成正比 该特性 称为阴极射线示波管的线性 偏转特性 Y1 Y2 X1 X2 荧光屏 偏转板 11 E Y 12 3 荧光屏 荧光屏内壁涂有荧光物质 磷光质 外壁则是玻璃管壳 当荧光物质受到电子枪发射的高速电子束轰击时能发出荧光 并维持一定的时间
6、 该现象称为荧光物质的余辉现象 按照余辉现象维持时间 即余辉时间 的长短 荧光物质 分为短余辉 小于1ms 中余辉 1ms 2ms 和长余辉 大 于2s 甚至可达几分钟或更长 等几种 13 4 2 3 波形显示原理 1 波形显示 当被测电压 扫描电压分别加至垂直 水平偏转板上时 电子束受到垂直 水平偏转板的共同作用 使电子束每一时刻 产生的亮点的垂直位移与被测电压的瞬时电压成正比 而在时 间上则一一对应 这样就在荧光屏上得到一个留存时间很短的 亮点轨迹 即波形 14 几个概念 时间基线 若在x偏转板上加一个随时间而线性变化的电压 即加一个锯齿波电压 则光点在x方向的变化就反映了 时间的变化 若
7、在y方向不加电压 则光点在荧光屏上构 成一条反映时间变化的直线 称为时间基线 扫描 光点在锯齿波电压的作用下扫动的过程 扫描电压 能实现扫描的锯齿波电压 扫描正程 光点自左向右的连续扫动 扫描回程 光点自屏右端迅速返回起扫点 T t 0 图4 2 扫描电压 u Y1 X1 荧 光 屏 15 图4 2为扫描电压实际波形 ux t Tb TS Tw Tx TS Tb Tw t 0 图4 2 扫描电压实际波形 Ts 扫描正程时间 Tb 扫描回程 Tw 扫描休止时间 扫描休止时间用以保证下次扫描在荧光屏上的起始点能够 与本次扫描的起始点重合 为便于分析通常不予考虑 当扫描逆 程时间和扫描休止时间均为零
8、时 扫描电压为理想扫描电压 TS t 0 图4 2 扫描电压理想波形 u 16 几个概念 增辉 扫描正程时显示被测信号的波形 要求在此期间增 强波形亮度 可以在控制栅极上叠加正极性脉冲或在阴极上叠加负极性 脉冲来实现增辉 在扫描逆程时 电子束在向左移动的过程中会出现亮线 该亮线称为回扫线 假如在Y偏转板上加正弦电压 在扫描休止时 电子束会在 起始点位置出现一条垂直的亮线 该亮线称为休止线 17 应对回扫线和休止线进行消隐 否则 将影响波形的观测 正程波形 与被测信号波形相同 回扫线休止线 图4 3 不消隐时显示的波形 18 图像显示原理 t y x y x t t 0 T Tn T t T 4
9、 t T 2 t 3T 4 扫描电压周期与被 测信号周期相同 19 x y x t Tn 2T t y T 20 t y x y x t T Tn 1 5T 21 信号与扫描电压的同步 当扫描电压的周期是被观测信号周期的整数倍时 扫 描的后一个周期描绘的波形与前一周期一模一样 荧 光屏上得到清晰稳定的波形 这时 信号与扫描电压 同步 同步条件 Tx nTy n为正整数 式中 Tx为扫描信号周期 Ty为被测信号周期 22 2 主要技术指标 1 频带宽度BW和上升时间tr 如不加说明 示波器频带宽度 BW 均为Y通道的频带宽度 它 是Y通道输入信号上 下限频率fH fL之差 即 BW fH fL
10、现代示波器的fL一般延伸至0Hz 因此频带宽度可用上限频率fH 来表示 23 3dB点的频率就是示波器所显示的信号幅度 Vdisp 为示 波器输入端真实信号值的71 时的信号频率 dB 伏 20log 电压比 3dB 20log Vdisp Vinput Vdisp 0 7Vinput 24 上升时间tr 用于表示在输入脉冲等瞬变信号时示波器Y 通道的过渡特性 瞬态响应特性 即在Y通道输入端加一个理想的脉冲信号 显示波形从稳 定幅度的10 上升到90 所需的时间 它反映出示波器Y通道能否跟得上输入信号变化的性能 上升时间越短 性能越好 可测信号的频率越高 Ut t d tr 25 频带宽度BW
11、与上升时间tr之间存在的关系如下 BWtr 0 35 式中 BW 或fH tr的单位分别为MHz s 为了在测量时不产生明显的测量误差 通常要求 trsignal trScopeM 5 为被测信号上升时间 否则 应按下式 修正 式中 trdisplayed为示波器显示的上升时间 trsignal为信号上升时间 trScopeM为示波器上升时间 26 2 扫描速度 扫描速度是单位时间内亮点水平移动距离 单位为 cm s 或 div s 1div读作1格 1格一般等于1cm 扫描速度越快 显示的波形越宽 反之 越窄 扫描速度的倒数称为 时基因数 单位为 t cm 或 t div t可取 s ms或
12、s 3 偏转因数 偏转因数是指在输入信号作用下 亮点在荧光屏上移动1cm 或1div所需的电压值 数值越小 波形幅度越大 偏转因数的倒数称为 偏转灵敏度 单位为 cm V 或 div V 27 4 输入阻抗Zi 示波器输入阻抗Zi 即被测电路的等效负载 可等效为输 入电阻Ri和输入电容Ci的并联 通常规定Ri 1 5 M 要求Ci随频带宽度的增加而减小 Ci一般在35pF左右 测量高频信号时应考虑输入电容的影响 R C 28 29 5 输入耦合控制 输入方式即输入耦合方式 一般有直流 DC 交流 AC 和 接地 GND 三种耦合方式 接地耦合将示波器Y通道输入端短路 一般在测量直流电压 时 为
13、确定零电平位置而选用 交流耦合可隔离被测信号中的直流及慢变化分量 抑制工频 干扰 便于测量高频及交流瞬变信号 直流耦合即直接耦合 将输入信号所有成分都加到示波器上 变换交流耦合和直流耦合 可以测出交流信号中直流成分 的大小 30 6 触发源 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 双踪示波器又有CH1 CH2之分 外触 发 EXT 和线触发 LINE 三种方式 内触发是指由被测信号来产生同步触发信号 外触发是指由外部电路提供的信号来产生同步触发信号 线触发又称为电源触发 是指利用示波器内部工频电源来 产生同步触发信号 复合触发 显示不同通道信号时轮流使用相应的通道触
14、发 可用于显示频率不相关的信号 31 当示波器用于显示被测信号波形时 X放大器的输入信号是扫描 电压 当示波器工作在 X Y 方式时 输入信号是外加的X信 号 X Y 方式时 外加的X信号 该信号与Y信号是各自独立 的 它们各自在X Y偏转板间建立偏转电场对电子束共同作用 而产生一个新的图形 例如 将两个同频正弦波加到示波器上时 得到的波形为椭 圆 圆或直线 两个正弦波加到示波器得到的图形称为李沙育 图形 3 X Y 方式 32 李沙育图形 x y x t t y 33 示波器测元件的特性曲线 34 4 3 示波器的多波形显示 1 采用多束示波管 又称为多线示波管 制成的多束示波器 2 采用单
15、束示波管制成的多踪示波器 本节只讨论双踪示波器的 多波形显示原理 即双踪显示原理 35 二 双踪示波器 YA 双踪示波器的五种显示方式 YA YB YA YB 交替 断续 36 37 A门 B门 电子开关 A通道 B通道 至垂直偏 转板 双踪示波器 Y 通道 方框图 双踪显示原理 交替 断续 1 交替 方式 在 交替 工作方式时 在第一个周期 电子开关使A 门接通 并显示A通道输入信号波形 在第二个周期 电子开关使B门接通 并显示B通道输入信号波形 如 此重复 在屏幕上轮流显示出两信号的波形 38 2 断续 方式 当开关信号频率远大于被测信号频率时 示波器工作 在 断续 工作方式 这时 开关信
16、号分别对两个被测 信号轮流进行实时取样 在屏幕上看到的是由若干取 样点所构成的 断续 的波形 交替方式适于观测高频信号 断续方式适于观测频率较低的信号 39 示波器是时域测量仪器 可以用来显示信号波形 测量电 压 频率 相位 时间 调制系数等参数 1 测量电压 示波器可以测量直流电压 交流电压及交流电压瞬时值 其方法包括直接测量法和比较测量法 直接测量法又称为灵敏度变换法 测量时 将偏转因数 微调 置于 校准 CAL 位置后 Up p SHp p U Up p 2KP 补充 示波器的应用 40 例4 1 示波器测量正弦波电压 已知波形垂直幅度 即峰 峰点距离 为8div 偏转因数为1V div 探极衰减比为10 1 试求正弦波电压是多少 如果正弦波改为三角波 三角波电压 又是多少 解 由题意得 S 1V div Hp p 8div 探极衰减比K 10 1 所以 Up p 8div 1V div 8V 输入正弦波时探极输出电压 U Up p 2Kp 2 82V 正弦波电压 U 10 2 82V 28 2V 输入三角波时探极输出电压 U Up p 2Kp 2 31V 三角波电压 U 10
