《电子测量技术基础》PPT幻灯片

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1、电子示波器,4.1概述 4.2示波管 4.3电子示波器的结构框图与性能 4.4电子示波器的Y、 X通道及校正器 4.5双踪和双线示波器 4.6高速和取样示波器 4.7 记忆示波器与存储示波器 *4.8数字化波形处理系统简介 小结 习题4,4.1概述 电子示波器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。,电子示波器的基本特点如下： (1) 能显示信号波形， 可测量瞬时值， 具有直观性。 (2) 输入阻抗高， 对

2、被测信号影响小； 测量灵敏度高， 并有较强的过载能力， 目前示波器的最高灵敏度可达到10 V/div(微伏/格)。,(3) 工作频带， 速度快， 便于观察高速变化的波形的细节。 目前示波器的工作频带最宽可达1000 MHz， 预计不久将研制出带宽为2 GHz以上的示波器。,(4) 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， 可作为比较信号用的高速X-Y记录仪。,电子示波器的主要用途如下： (1) 观测电信号波形。 (2) 测量电压和电流的幅度、 频率、 时间、 相位等电量参数。 (3) 显示电子网络的频率特性。 (4) 显示电子器件的伏安特性。,4.2示波管 示波器的核心部件是

3、示波管。 示波管是一种整个被密封在玻璃壳内的大型真空电子器件， 也叫阴极射线管。 电视机的彩色显像管和计算机的监视器都是在电子示波管的基础上发展起来的， 它们的组成结构与原理基本相同。,示波管由电子枪、 偏转系统和荧光屏三部分组成， 如图4.2-1所示。 其用途是将电信号转变成光信号并在荧光屏上显示。,图4.2-1示波管及电子束控制电路,电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束， 偏转系统由X方向和Y方向两对偏转板组成， 它的作用是决定电子束怎样偏转， 荧光屏的作用则是显示偏转电信号的波形。,4.2.1电子枪 电子枪由灯丝(h)、 阴极(K)、 栅极(G1)、 前加速极(G2)、 第一阳极

4、(A1)和第二阳极(A2)组成。 灯丝h用于对阴极K加热， 加热后的阴极发射电子。 栅极G1电位比阴极K低， 对电子形成排斥力， 使电子朝轴向运动， 形成交叉点F1, 并且只有初速度较高的电子能够穿过栅极奔向荧光屏， 初速度较低的电子则返回阴极， 被阴极吸收。 如果栅极G1电位足够低， 则可使发射出的电子全部返回阴极， 因此， 调节栅极G1的电位可控制射向荧光屏的电子流密度， 从而改变荧光屏亮点的辉度。,辉度调节旋钮控制电位器RW1进行分压调节， 即调节栅极G1的电位。 控制辉度的另一种方法是以外加电信号控制栅阴极间电压， 使亮点辉度随电信号强弱而变化(像电视显像管那样)， 这种工作方式称为“

5、辉度调制”。 这个外加电信号的控制形成了除X方向和Y方向之外的三维图形显示， 称为Z轴控制。,G2、 A1、 A2构成一个对电子束的控制系统。 这三个极板上都加有较高的正电位， 并且G2与A2相连。 穿过栅极交叉点F1的电子束由于电子间的相互排斥作用而散开。 进入G2、 A1、 A2构成的静电场后， 一方面受到阳极正电压的作用加速向荧光屏运动， 另一方面由于A1与G2、 A1与A2形成的电子透镜的作用向轴线聚拢， 形成很细的电子束。,如果电压调节得适当， 则电子束恰好聚焦在荧光屏S的中心点F2处。 RW2和RW3分别是“聚焦”和“辅助聚焦”旋钮所对应的电位器， 调节这两个旋钮使得电子束具有较细

6、的截面， 射到荧光屏上， 以便在荧光屏上显示出清晰的、 聚焦很好的波形曲线。,4.2.2偏转系统 偏转系统由水平偏转板X1、 X2和垂直偏转板Y1、 Y2这两对相互垂直的偏转板组成。 垂直偏转板Y在前， 水平偏转板X在后。 电子束最终的运动情况取决于水平方向和垂直方向电压的合成作用， 当X、 Y偏转板加不同电压时， 荧光屏上的亮点可以移动到屏面上的任一位置。,为了显示电信号的波形， 通常在水平偏转板上加一线性锯齿波扫描电压ux （ “时基信号”或“扫描信号” ） ， 该扫描电压将Y方向所加信号电压uy作用的电子束在屏幕上按时间沿水平方向展开， 形成一条“信号电压-时间”曲线， 即信号波形， 参

7、见图4.2-2。,图4.2-2偏转系统工作原理图,当uy信号为正弦波时， 只有在扫描电压ux的频率fx与被观察的信号电压uy的频率fy相等或成整倍数n时， 才能稳定地显示一个或n个正弦波形， 如图4.2-2(b)、 (c)所示。,4.2.3荧光屏 荧光屏不是导电体。 当电子束轰击荧光粉时， 激发产生荧光形成亮点。 不同成分的荧光粉， 发光的颜色不尽相同， 一般示波器选用人眼最为敏感的黄绿色。 荧光粉从电子激发停止时的瞬间亮度下降到该亮度的10%所经过的时间称为余辉时间。 荧光粉的成分不同， 余辉时间也不同， 为适应不同需要， 将余辉时间分为长余辉(100 ms1 s)、 中余辉(1100 ms

8、)和短余辉(10 s10 ms)等不同规格。 普通示波器需采用中余辉示波管， 而慢扫描示波器则采用长余辉示波管。,4.3电子示波器的结构框图与性能 4.3.1电子示波器的结构框图 电子示波器由Y通道、 X通道、 Z通道、 示波管、 幅度校正器、 扫描时间校正器、 电源几部分组成。 被观察的波形通过Y通道探头， 经过衰减加到垂直前置放大器的输入端， 垂直前置放大器的推挽输出信号和经过延迟线、 垂直末级放大器， 输出足够大的推挽信号、 到示波管的垂直偏转板Y1、Y2上。 由时基发生器产生线性扫描电压， 经水平末级放大器放大后， 输出推挽的锯齿波信号、 加到水平偏转板X1、 X2上。,图4.3-1示

9、波器组成框图及波形关系图,为了在示波管上得到稳定的显示波形， 要求每次扫描的锯齿波信号起点应对应于周期性被显示信号的同一相应点， 因此， 将被显示信号的一部分送到触发同步电路， 当该电路得到的信号相应于输入信号的某个电平和极性时， 触发同步电路即产生触发信号去启动时基发生器， 产生一个由触发信号控制的扫描电压。 Z轴电路应在时基发生器输出的正程时间内产生加亮(增辉)信号加到示波管控制栅极上， 使得示波管在扫描正程加亮光迹， 在扫描回程使光迹消隐。,由图4.3-1(b)中的波形、 、 可见， 触发点即锯齿波的扫描起点并不在被显示信号的起始过零点， 因此， 信号前沿无法观察。 为了克服此缺点， 在

10、垂直前置放大器之后加入延迟线， 对Y方向加入的信号进行延迟， 并且使其延迟时间2略大于由水平通道引起的固有触发延迟1， 以确保触发扫描与显示信号同步。,来自Y通道的同步信号(即被观察信号)被称为“内”同步； 来自仪器外部的同步信号被称为“外”同步。 示波器除了用于观察信号波形外， 当用于其他测量时， X偏转板上也可不加时基信号， 而是加上待测的或参考的信号， 这个信号可从X输入端直接接入示波器， 经过输入电路和放大器后加于X偏转板。 输入电路一般由衰减器、 射极跟随器和放大器组成。 校正器用来校准示波器的主要特性。 常用的有幅度校正器和扫描时间校正器。,电源一般由两个整流器组成。 高压整流器供

11、给示波管高压电极电压， 低压整流器供给示波器所有其他电路的电压和示波管低压电极电压。 通常低压电源采用稳压器， 较精密的示波器高压电源也采取稳压措施。 电子束控制电路与电源连在一起， 包括亮度、 聚焦、 辅助聚焦和光点位置控制。,4.3.2示波器的主要性能指标 1. 频率响应(频带宽度) 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(3 dB)倍时的频率范围。,示波器垂直偏转通道的带宽必须足够宽， 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。 例如， SR-8型

12、二踪示波器带宽fh=15 MHz, SBM-10A示波器的带宽fh=30 MHz， 目前最宽的示波器频率范围fh已达到1000 MHz。, 单位输入信号电压uy引起光点在荧光屏上偏转的距离H称为偏转灵敏度S， 即 S=(4.3-1) 则 uy=H d(4.3-2),2. 偏转灵敏度(S),式中，d为灵敏度的倒数1/S， 称为偏转因数。 S的单位为cm/V、 cm/mV或div/V(格/伏)， d的单位为V/cm。,在测量时， 从示波器垂直通道衰减器刻度可读得它的偏转因数d， 根据显示的波形高度H， 按式(4.3-2)可求得显示波形的电压幅度。,3. 扫描频率 示波器屏幕上光点水平扫描速度的高低

13、可用扫描速度、 时基因数、 扫描频率等指标来描述。 扫描速度就是光点水平移动的速度， 其单位是cm/s或div/s(格/秒)。 扫描速度的倒数称为时基因数， 它表示光点水平移动单位长度(cm或div)所需的时间。 扫描频率表示水平扫描的锯齿波的频率。 一般示波器X方向扫描频率可由t/cm或t/div分挡开关进行调节， 此开关标注的是时基因数。 SR-8双踪示波器的时基因数范围为1 s/div0.2 s/div, SBM-10A 型示波器的时基因数范围为0.5 s/cm0.05 s/cm。,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。 要求输入电阻Ri大而输入

14、电容Ci小。 输入电容Ci在频率越高时， 对被测电路的影响越大。,5. 示波器的瞬态响应 示波器的瞬态响应就是示波器的垂直系统电路在方波脉冲输入信号作用下的过渡特性。 图4.3-2显示了一个正向标准方波脉冲经过示波器后波形发生畸变的情况， 与图3.6-1 相似。 示波器的瞬态响应特性一般可用图中所示脉冲的上升时间tr、 下降时间tf、 上冲s0、 下冲sn、 预冲sp及下垂等参数表示。,Um是标准方波脉冲的基本幅度(简称脉冲幅度)， b是上冲量(脉冲前沿高出Um部分的冲击量)， f是下冲量(脉冲后沿低于脉冲底值的突出部分)， U为平顶降落量(方波持续期间顶部幅度的下降量， 也称下垂)。,图4.

15、3-2示波器的瞬态响应,上冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值， 即,下冲s0是脉冲前沿的上冲量b与Um的百分比值， 即,下垂是脉冲平顶降落量U与Um的百分比值， 即,预冲sp是脉冲波阶跃之前的预冲量d与Um的百分比值， 即,示波器说明书中通常只标示出上升时间tr及上冲s0的数值。 由于示波器中的放大器是线性网络， 因此放大器的频带宽度fB与上升时间tr有确定的关系：,fBtr350。 示波器中， fB=fh。 例如, SBM-10A型示波器的fh=30 MHz， 由此可求得上升时间为,上升时间tr越小越好。 瞬态响应指标在相当大的程度上决定了示波器所能观测的脉冲信号的最小宽度。,6.

16、扫描方式 示波器中的扫描电压锯齿波是一种线性时间基线。 线性时基扫描可分成连续扫描和触发扫描两种方式。 图4.3-3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。 图4.3-4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。,图4.3-3连续扫描电压波形,图4.3-4触发扫描电压波形,4.4电子示波器的Y、 X通道及校正器 电子示波器的基本部件由垂直偏转通道(Y通道)、 水平偏转通道(X通道)、 增辉和Z轴调制、 校正器及电源组成。 4.4.1垂直偏转通道(Y通道) 垂直通道的任务是检测被观察的信号， 并将它无失真或失真很小地传输到示波管的垂直偏转板上。 同时， 为了与水平偏转系统配合工作， 要将被测信号进行一定的延迟。 垂直偏转系统由输入电路、 阻抗变换器、 延迟线和放大器组成， 如图4.3-1(a)所示。,1. 输入电路 输入电路由探头、 衰减器等组成。 被测信号通过垂直