电子式电测仪表课件

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1、第3章 电子式电测仪表,前言,主要讲示波器。 它是一种用荧光屏显示电量随时间变化过程的电子测量仪器。 它能把人的肉眼无法直接观察到的电信号转换成人眼能够看到的波形， 具体显示在荧光屏上，以便对电信号进行定性和定量观测， 其他非电物理量亦可经转换成为电量，使用示波器进行观测。 根据用途与特点：可分为通用示波器、取样示波器、数字存储示波器和专用示波器。,本章内容,电子示波器原理 电子示波器的应用 取样示波器 数字存储示波器,3.1 电子示波器原理,3.1.1 示波器的基本结构,通用示波器原理框图,1示波管,简称 CRT（Cathode Ray Tube） ，它是一种利用高速电子冲击荧光屏使它发光的

2、显示器件。由电子枪、偏转系统和荧光屏三个部分组成，整个结构密封在一个喇叭状的抽成真空的玻璃壳中。 电子枪由电源驱动产生电子束，经一组水平偏转板和垂直偏转板作用后射向荧光屏，形成出亮点 （线）。,电子示波器原理,当只有交变的被测信号经垂直放大器加到垂直偏转板上时，仅在屏幕上形成一条垂线，其长短反映被测信号强弱。,为屏幕显示交变信号，必须扫描，即水平偏转加扫描电压（锯齿波信号）,扫描：若垂直偏转不加信号，屏幕光电随锯齿波线性增加左向右等速直线移动，一个周期结束，返回原点。X轴称时间轴，水平线称“时基”。 交变信号经扫描后，屏幕显示见上图。,电子示波器原理,2. 扫描方式,示波器中的扫描电压锯齿波是

3、一种线性时间基线。线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。 左下图是连续扫描电压波形， 回扫后没有等待时间， 故适用于观测连续信号。 右下图是触发扫描电压波形， 它只在触发信号的激励下才开始扫描， 每完成一次扫描后就处于等待状态， 直到下一次触发信号到来时再进行扫描。,电子示波器原理,采用连续扫描时， 如果TnnTs，屏 幕上的波形会有 “移动”现象 Tn：扫描周期 Ts：被测信号周期,如果Tn=4Ts，屏幕将显示几个周期波形？,电子示波器原理,触发扫描,将被测信号到来时采样到触发电路，产生触发脉冲，启动时基发生器，使示波器（对信号相同点）从左到右扫描。,信号经采样、形成触发脉冲、扫描发

4、生需约0.15us延迟，由延迟电路（线）匹配。,电子示波器原理,3. 双踪显示,为了观察和比较两个不同电压波形可采用双踪显示，实现的方法一般是用双束示波管或用单束示波管外加电子开关。 采用双束示波管的示波器结构复杂、价格较贵。利用单束示波管实现双踪显示的方法如图所示：,电子示波器原理,控制S1、S2的方法有两种，即交替法和断续法。 交替法控制中，用扫描信号控制电子开关S1和S2，轮流完成整个扫描周期。如果接通速度快，因余辉效应，屏幕有两个稳定波形。如果扫描速度慢，会有波形闪烁或交替。 断续法用固定频率（10KHz）方波控制开关接通， S1和S2按0.1ms速度交替接通，屏幕显示两个断续波形。

5、断续法为轮流分段扫描，如果被测信号频率低，虚线间距小，可以想向为实线。但若被测信号频率高，信号将难以复原。,交替法和断续法,(a)交替法显示波形 (b)断续法显示波形,电子示波器原理,4. 其它,被测信号微弱，要先经放大器放大。 灵敏度选择开关(“V/DIV”或“VOLTS/DIV”) 扫描速度控制(“T/DIV”或“SEC/DIV”) 示波器电源（高压部分和低压两部分 ）,3.1.2 示波器的主要性能指标,频率响应范围 通频带 扫描速度 与信号频率对应，扫描速度范围越宽越好 输入阻抗 用电阻Ri与电容Ci并联等效， Ri越大，电容Ci越小，对被测信号影响越小。 偏转灵敏度 荧光屏偏转单位长度

6、对应无衰减被测信号峰-峰值大小，体现观察微弱信号能力。 时域响应指标,时域响应指标,标准矩形方波的示波器显示图形,时域响应指标反映示波器的电子电路在方波脉冲作用下的响应特性，主要用上升时间tr、下降时间tf、上冲S0、下冲Sn、预冲Sp、下垂等参数表示。,3.2 电子示波器的应用,3.2.1电压的测量,交流电压的测量,测量时要注意探头衰减,电压的测量,Y轴耦合方式置“GND” ，调节直线在屏幕位置作基准。 耦合方式置“DC” ，调节波形完整显示。 根据波形高点偏离扫描基线距离读出数据。,直流电压的测量,3.2.2 时间的测量,时间间隔的测量,时间的测量,上升时间的测量,3.2.3 两个同频率信

7、号相位差的测量,1直接测量法,两个同频率信号相位差的测量,2李萨育图形法,3.2.4 频率的测量,对于重复信号的频率，可先测信号周期，再计算频率。可采用扩展周期计算方法。 频率测量的另一种方法是李萨育图形法，即在示波器的X轴加可调标准频率信号，在Y轴加被测信号。反复调节标准信号的频率和幅值，使示波器显示稳定的圆形或椭圆形，则被测频率 ，式中 为标准信号的频率值。,3.3 取样示波器,通用示波器的波形显示过程中，测量时间与被测信号的实际持续时间相等，属于实时测量方法。 实时测量方法受Y轴放大器带宽、时基扫描速度限制，fH1500MHz。 利用取样技术，高频信号变换成低频，普通示波器可以显示高频信

8、号。称非实时取样示波器。,3.3.1 取样原理,取样保持器的基本原理图,取样示波器工作波形图,取样脉冲周期：,取样次数：,取样时间：,其中：,3.3.2 取样示波器的基本组成,取样示波器原理框图,高频信号,低频信号,3.4 数字存储示波器,非实时取样示波器可以提高测量上限频率，但只适合观察周期信号，受取样门等关键器件制约。 数字示波器又称数字存储示波器，具有传统模拟示波器远不能及功能、精度、带宽。 模拟信号采样、A/D转换、存储、 D/A输出，完全取代取样示波器。,3.4.1 数字存储示波器的基本组成,分实时和存储两种工作模式。 实时工作模式与传统模拟示波器相同。 存储工作模式时，工作过程分存

9、储与显示两个阶段。,3.4.2 数字存储示波器的信号采集技术,1采样方式,（1）实时采样,（2）等效时间采样, 随机采样, 顺序采样,3.4.2 数字存储示波器的信号采集技术,（2）等效时间采样, 随机采样 多点随机采样, 顺序采样,非周期信号只能采用实时采样方式。,2采样速率 又称数字化速率，有3种表示方法：,数字存储示波器的信号采集技术,用单位时间采样次数，如20106次/秒 用采样频率表示，如20MHz 用信息率（每秒存储比特数据），如160MB，相当于8位A/D，20106次/秒采样速率。,数字示波器采样速率受存储器容量限制，又称记录长度，用能够连续存入的最大字节数或采样点数表示。不同

10、扫描速率时，要求采样速率是不一样，以防止采样存储溢出，关系式为：,采样速率,例：一个示波器有1024波形存储单元，屏幕宽度10格（DIV），扫描速率10us/DIV，则采样速率为：,数字存储示波器的信号采集技术,3采样器件,两路组合采样原理图,并联比较式A/D转换器,CCDA/D技术,CCDA/D组合采集原理图,数字存储示波器的信号采集技术,4采样存储器,采样存储器的结构形式,采用环形结构进行循环存储，串行寻址方式，存满后数据覆盖，记录长度等于环长度。,数字存储示波器的信号采集技术,5触发方式,触发功能示意图,毛刺触发捕捉尖峰干扰的波形,模拟示波器：扫描由触发启动。 数字示波器：沿用触发叫法，

11、设置触发功能（存储器选取信号标志）。 数字示波器设有延迟环节，分正延迟触发和负延迟触发,延迟触发功能用于观测单次非周期信号时，作用明显。,3.4.3 数字存储示波器的波形显示技术,1点显示技术,视觉混淆示意图,在屏幕上以有间隔点的形式将信号波形显示出来，考虑到带宽，一般要求每个信号周期2025个点。可以实现较少点构成波形，但容易造成光学错觉。,数字存储示波器的波形显示技术,2数据点插入技术,用数据点插入技术可以解决视觉错误问题，主要有两种插入方法，即线性插入和曲线插入。,线性插入按直线方式将一些点插入采样点之间，各采样点间用直线连接 ，容易造成顶尖幅值误差。,曲线插入按曲线方式将一些点插入采样

12、点之间，常用有正弦插入法与改进型正弦插入法。 参阅相应内插法文献,3.4.4 数字存储示波器的控制系统,系统需要完成数据采集、数据处理、显示、人机控制等功能，现代数字存储示波器出现多CPU系统。 主CPU：具有相应的存储器( ROM、RAM )、输入输出接口（ I/O ）和外设( 键盘、显示器等 )，执行管理整个仪器的软件。 从CPU：在主CPU管理下完成一部分工作，如数据采集CPU、数据处理CPU、通信管理CPU等。,3.4.5 数字存储示波器的主要性能指标,1最高采样速率 单位时间采样次数，数字化速率，单位S/s（次/秒）,2存储带宽BW,（1）重复带宽 等效带宽，重复信号，非实时采样,（

13、2）单次带宽 有效存储带宽，测单次信号。,数字存储示波器的主要性能指标,3分辨率,分辨率指示波器能分辨的最小电压增量，即量化的最小单元，包括垂直分辨率和水平分辨率两种。垂直（电压）分辨率对应A/D转换分辨率，水平（时间）分辨率由采样速率与存储容量决定。,4存储容量,即记录长度，由采样存储器的最大容量表示，数字存储示波器常用256、512、1K、4K等容量的高速半导体存储器。,5读出速度,指将数据从存储器中读出的速度，常用“时间/DIV”表示，其中，“时间”为屏幕上每格对应的存储容量读脉冲周期。,本章作业,思考题：3-1，3-4 练习题 3-11，3-12 3-14，3-16 3-17，3-19

14、,习题分析3-11,解：,图（a）,图（b）,习题分析3-12,习题分析3-14,解：,最快扫描速度时，整屏扫描时间为：,0.210/10 = 0.2us,设测量最高频率时，屏幕显示1个波形，则：,fmax=1/0.2= 5 MHz,习题分析3-16,解：,最快扫描速度时，整屏扫描时间为：,0.0110 = 0.1us,测量最高频率时，屏幕显示2个波形,则：,fmax=2/0.1= 20 MHz,习题分析3-17,解：,（1） AC：交流耦合方式不能测直流,（2） DC：直流耦合方式可测交流，注意零点偏移,（3）GND：调整示波器（水平轴）零点,习题分析3-18,解：,（1） 20 MHz,（2） 20 kHz,（3）20 Hz,