第5章时域测量讲义资料

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1、第5章 时域测量,5.1 概述 5.2 CRT显示原理 5.3 通用示波器 5.4 取样示波器 5.5 数字存储示波器,5.1 概述,信号的时域测量是对以时间作为自变量的电参量的测量，即信号幅度随时间变化的规律，时域测量技术已普遍地应用于国防、科研、工业等各个领域。时域测量的典型仪器是电子示波器，简称示波器。,5.1.1 示波器的主要特点,时域测量的典型仪器是示波器，其主要特点如下： ）能显示信号波形，可测量瞬时值，具有直观性。 ）输入阻抗高，对被测信号影响很小。测量灵敏度高，因为配有高增益放大器，所以能够观测微弱信号的变化。由于不用表针指示方式，因而过载能力强。目前示波器的最高灵敏度可达到1

2、0微伏格。 ）由于电子束的惯性小，因而速度快，工作频率范围宽，便于观察高速变化的波形的细节，适应于测试快速脉冲信号。目前示波器的工作频带最宽达1GHz以上。 ）在示波器的荧光屏上可描绘出任意两个电压或电流量的函数关系，故可作为比较信号用的高速X-Y记录仪。,5.1.3 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 模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器、记忆示波器和专用示波器等。 2 数字示波器 数字示波器对信号进行数字化处理后再显示。它将输入信号数字化（时域取样和幅度量化）后，经由D/A转换器再重建波

3、形。数字示波器具有记忆、存储被观察信号功能，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,5.1.4 示波器的主要技术指标,1.频带宽度BW和上升时间tr 示波器的频带宽度BW是指垂直偏转通道(Y方向放大器)对正弦波的幅频响应下降到中心频率的0.707(-3dB)的频率范围。如果通道的带宽不够，则对于信号的不同频率分量，通道的增益不同，信号波形便会产生失真。因此，为了能够显示窄脉冲，示波器Y通道带宽必须很宽。 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，反映了示波器Y通道跟随输入信号快速变化的能力。,2. 扫描速度 示波器屏幕上光

4、点水平扫描速度的高低可用扫描速度、时基因数、扫描频率等指标来描述。扫描速度是指荧光屏上单位时间内光点水平移动的距离，即光点水平移动的速度，荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线，其单位是cms或divs(格秒)。 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。,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

5、道的放大/衰减能力。偏转因素的倒数称为“（偏转）灵敏度”，单位为cm/V、cmmV或diVV 。 4.输入阻抗 输入阻抗是指示波器输入端对地的电阻Ri和分布电容Ci的并联阻抗。在观测信号波形时，把示波器输入探头接到被测电路的观察点，输入阻抗越大，示波器对被测电路的影响就越小。,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，以适应不同的信号频率。 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。,5.2 CRT显示原理 5.2.1 CRT原理,典型的示

6、波器利用阴极射线示波管CRT作为显示器，CRT是示波器的重要组成部分，其作用就是把电信号转换为光信号而加以显示。其构造与电视机显像管相同，主要由电子枪、偏转系统和荧光屏三大部分组成，三大部分均封装在密闭呈真空的玻璃壳内，其结构示意图如图5-1所示。电子枪产生高速的电子束，偏转系统控制电子束的偏转方向，使电子束按要求打在荧光屏上相应的部位产生荧光，从而描出被观测信号的波形。,图5-1 示波管及电子束控制电路,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和前加速极G2和第一阳极A1、第二阳极A2组成。 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

7、板组成，分别称为垂直偏转板Y1、Y2和水平偏转板X1、X2。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。,电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外偏转电压成正比，即 (5-1) 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；Ua为阳极A2上的电压Uy为偏转板上所加的电压。,偏转距离与偏转板上所加电压和偏转板结构的多个参数有关，其物理意义可解释如下： 若外加电压Uy越大，则偏转电场越强，偏转距离就越大；若偏转板长度l越长，偏转电场的作用距离就越长，因而偏转距离越大；若偏转板到荧光屏的距离S越长，则电子在

8、垂直方向上的速度作用下，使偏转距离增大；若偏转板间距b越大，偏转电场将减弱，使偏转距离减小；若阳极A2的电压Ua越大，电子在轴线方向的速度越大，穿过偏转板到荧光屏的时间越小，因而偏转距离减小。,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”。正是由于荧光物质的“余辉效应”以及人眼的“视觉残留”效应，尽管电子束每一瞬间只能轰击荧光屏上一个点发光，但电子束在外加电压下连续改变荧光

9、屏上的光点，我们就能看到光点在荧光屏上移动的轨迹，该光点的轨迹即描绘了外加电压的波形。,5.2.2 示波管显示原理,利用示波管中电子束在屏上形成的光点在垂直水平方向上的偏转距离与加在Y轴X轴上的偏转电压成正比这一特性，即可在屏幕上显示出被观测信号的波形。 1.显示随时间变化的图形 （1)扫描的概念 若想观测一个随时间变化的信号，例如 ， 那么只要把被观测的信号转变成电压加到Y偏转板上，电子束就会在 y方,向上随信号的规律变化，任一瞬间的偏转矩离正比于该瞬间Y偏转板上的电压。但是如果水平偏转板间没加电压，则荧光屏上只能看到一条垂直的直线，如图5-3a所示。 如果在X偏转板上加一个随时间线性变化的

10、电压，即加一个锯齿波电压，那么光点在X方向的变化就反映了时间的变化；若在Y方向上不加电压，则光点在荧光屏上构成一条反映时间变化的水平直线，称为时间基线(简称时基线)，如图5-3b所示。,a）只加信号电压,b)时间基线的获得,图5-3 扫描过程,c)信号波形在时间轴上展开,当Y轴加上被观测的信号电压，X轴加上扫描电压时，则屏上光点的Y和X坐标分别与这一瞬间的信号电压和扫描电压成正比。由于扫描电压与时间成比例，因此荧光屏上所描绘的就是被测信号随时间变化的波形，如图5-3c所示。 （2）同步的概念 在时域测量中，连续扫描最主要的问题是如何保证在屏幕上显示出稳定的信号波形。当扫描电压的周期是被观察信号

11、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完全一样，荧光屏上得到清晰而稳定的波形，这叫做信号与扫描电压同步,图5-4为扫描电压与被测信号同步时的情况。图中，扫描从1开始，在时刻8时扫描电压由最大值回到零，这时被测电压恰好经历了两个周期，荧光点沿8-9-10移动时，重复上一扫描周期光点沿0-1-2移动的轨迹，得到稳定的波形。 如果没有这种同步关系，则后一扫描周期描绘的图形与前一扫描周期描绘的图形不重合，如图5-5所示。 在图5-5中， ，第1个扫描周期开始，光点沿0-1-2-3-4-5轨迹移动，当扫描结束，光点迅速从5回到0；接着第2个扫描周期开始，这时光点沿0-6- 7- 8-9-1

12、0轨迹移动，即与第一次扫描轨迹不重合，看到的波形则为虚线所示，使我们感到波形不稳定。,图5-4 扫描电压与被测信号同步,图5-5 扫描电压与被测信号不同步,（3)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，尤其是如图5-6a占空比 很小的脉冲时，采用连续扫描存在一些问题： 当选择扫描周期等于脉冲重复周期Tn =Ts时，以看清脉冲波形的细节，如图5-6b所示。 当选择扫描周期等于脉冲底宽 时，只有一次扫描出脉冲波形，因此显示的脉冲波形本身很暗淡，而时基线却很亮，如图5-6c所示。 利用触发扫描可解决上述脉冲示波测量所遇到的用难。工作在触发扫描方式下的扫描发生器平时处于

13、等待状态，只有送入触发脉冲时才产生一个扫描电压，在屏幕上扫出一个展宽的脉冲波形，而不显示出时间基线，如图5-6d所示。,图5-6 连续扫描和触发扫描的比较,（4)扫描过程的增辉 在以上的讨论中假设了扫描回程时间为零，但实际上扫描回程是需要一定时间的，如图5-7所示，扫描电压的回扫时间为图中7-8段，荧光屏上将显示如虚线所示的回扫线。为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更多的电子，即给示波器增辉。这种增辉可以通过在扫描期间给示波管第一栅极加正脉冲或给阴极加负脉冲来实现。这样就可以做到只有在扫描正程即有增辉脉冲时才有显示，其他时间荧光屏上没有显示。而且在等待扫描期

14、间，即波形为一个光点的情况下，由于没有增辉脉冲，光点很暗。,图5-7 扫描回程对显示波形的影响,2.显示任意两个变量之间的关系 在示波管中，电子束同时受X和Y两对偏转板的作用，而且两对偏转板上的电压和的影响又是相互独立的，它们共同决定光点在荧光屏上的位置。利用这种特点就可以把示波器变为一个X-Y图示仪，使示波器的功能得到扩展。 图5-8表示两个同频率信号分别作用在X、Y偏转板上时的情况。如果这两个信号初相相同，则可在荧光屏上画出一条直线；若X、Y方向的偏转距离相同，这条直线与水平轴呈45。如果这两个信号初相相差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，则在荧光屏上画出一个圆

15、。示波器两对偏转板上都加正弦电压时显示的图形叫李沙育(Lissajous)图形。,a) 与 同相位 b) 超前 90o 图5-8 两个同频率信号构成的李沙育图形,5.3 通用示波器 5.3.1 通用示波器的组成,通用示波器的组成如图5-9所示，主要由示波管、垂直通道（Y通道）和水平通道（X通道）三部分组成。此外，还包括电源电路，它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源。通用示波器中附有校准信号发生器，产生幅度和周期非常稳定的校准信号（如1kHz、0.5Vpp的方波），用于示波器的校准，以便对被测信号进行定量测量。,图5-9 通用示波器的组成,5.3.2 通用示波器的垂直通道,通用示波器的垂直通道

16、由输入电路、前置放大器、延迟级和输出放大器等部分组成。它的主要作用是：对单端输入的被测信号进行变换和放大，得到足够的幅度后加在示波管的垂直偏转板上；向水平通道提供内触发信号源；补偿x轴通道的时间延迟，以观测如脉冲等信号的完整波形。 1.输入电路 输入电路主要包括探极、耦合方式转换开关、衰减器、阻抗变换及倒相放大器等部分，如图5-10所示。,图5-10 Y通道输入电路框图,（1)探极 探极用于被测信号与示波器的连接，一般使用示波器附带的高频特性良好、抗干扰能力强的高输入阻抗探极进行连接。探极分为有源探极和无源探极两种。 无源探极是个低电容、高电阻探头，在带有金属屏蔽层的塑料外壳内部装有一个RC并联电路，其一端接探针，另一端通过屏蔽电缆接到示波器的输入端，如图5-11所示。 电容C为一可变电容，调整其大小以满足 的条件，使探头误差与频率无关。,图5-11 无源探极的结构,这种由RC元件组成的探极称为无源探极。如果在探极中装有由晶体管构成的射(源)极跟随器，则称