信号波形测量

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1、电子测量原理第1页第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 电子测量原理第2页7.1 概述7.1.1 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 模拟示波器采用模拟方式对时间信号进行处理和显示。 2 数字示波器对信号进行数字化处理后再显示。 电子测量原理第3页1 模拟示波器u 模拟示波器可分为通用示波器、多束示波器、取样示波器 、记忆示波器和专用示波器等。 u 通用示波器采用单束示波管，又可分为单踪、双踪、多踪 示波器。 u 多束示波器采用多束示

2、波管，荧光屏上显示的每个波形都 由单独的电子束扫描产生。 u 取样示波器可以用较低频率的示波器测量高频信号。u 记忆示波器采用有记忆功能的示波管，实现模拟信号的存 储、记忆和反复显示。 u 专用示波器是能够满足特殊用途的示波器，又称特种示波 器。 电子测量原理第4页2 数字示波器u 数字示波器将输入信号数字化（时域取样和幅度 量化）后，经由D/A转换器再重建波形。 u 数字示波器具有记忆、存贮被观察信号功能，又 称为数字存贮示波器。u 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。 电子测量原理第5页7.1.2 主要技术指标 1频带宽度BW和上升时间tr示波器的频带

3、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，反映了示 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电子测量原理第6页7.1.2 主要技术指标u 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”。荧光屏上通常用间隔1cm的坐标线作为刻度线 ，因此扫描速度的单位也可表示为“cm/div”。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

4、分成很多档。 电子测量原理第7页7.1.2 主要技术指标u 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 ”。 电子测量原理第8页7.1.2 主要技术指标u 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。 u 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。 u 6触发源选择方式 触发源是指用于

5、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。 电子测量原理第9页7.2 CRT显示原理 7.2.1 CRTCRT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。 电子测量原理第10页1 电子枪 u 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G2和阳极A1、A2组 成。 u 通过调节G1对K的负电位可控制电子束的强弱，从 而调节光点的亮度，即进行“辉度”控制。 u 调节A1的电位器称为“聚焦”旋钮，通过对它进 行调节可调节G2与A1和A1与A2之间的电位；调节A2电 位的旋钮称为“辅助

6、聚焦”。 电子测量原理第11页1 电子枪u 电子束聚焦的原理是，电子从阴极K发射，经G1、 G2、A1、A2聚焦和加速后进入偏转系统。 u 电子在电子枪中的运动轨迹如下图所示。 电子测量原理第12页2 偏转系统 u 示波管的偏转系统由两对相互垂直的平行金属板 组成，分别称为垂直偏转板和水平偏转板 。u 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。u 为了示波器有较高的测量灵敏度，Y偏转板置于靠 近电子枪的部位，而X偏转板在Y的右边。 电子测量原理第13页2 偏转系统u 电子束在偏转电场作用下的偏转距离与外加偏转 电压成

7、正比：u 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。u 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 l为偏转板的长度；为偏转板的长度；S S为偏转板中心为偏转板中心 到屏幕中心的距离；到屏幕中心的距离；b b为偏转板间为偏转板间 距；距；V Va a为阳极为阳极A A2 2上的电压。上的电压。 电子测量原理第14页3 荧光屏 u 荧光屏将电信号变为光信号，是示波管的波形显 示部分 。u 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，

8、可将“辉度”调暗。u 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”。 电子测量原理第15页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。光点出现在荧光屏的中心位置。 光点仅在垂直方向偏移光点仅在垂直方向偏移 ：UyUy为正电为正电 压压时，时，光点从荧光屏的中心往垂直方光点从荧光屏的中心往垂直方 向上移向上移；UyUy为负电压时，光点从荧光为负电压时，光点从荧光 屏的中心往垂直方向下移。屏的中心往垂直方向下移。 电子测量原理第16页7.2.2 波形显示的基本原理1显示随时间变化的图

9、形（续）光点仅在水平方向偏移光点仅在水平方向偏移 ：UxUx为正电为正电 压时，光点从荧光屏的中心往水平压时，光点从荧光屏的中心往水平 方向右移；方向右移；UxUx为负电压时，光点从为负电压时，光点从 荧光屏的中心往水平方向左移。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当两对偏转板上同时加固定 的正电压时，光点位置应为的正电压时，光点位置应为 两电压的矢量合成。两电压的矢量合成。 电子测量原理第17页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、Y偏转板上分别加变化电压，有下面两种情 况：仅在垂直偏转板的仅在垂直偏转板的 两板间加正弦变化两板间加正弦变化 的

10、电压，则光点只的电压，则光点只 在荧光屏的垂直方在荧光屏的垂直方 向来回移动，出现向来回移动，出现 一条垂直线段。一条垂直线段。 电子测量原理第18页7.2.2 波形显示的基本原理1显示随时间变化的图形（续）仅在水平偏转板的仅在水平偏转板的 两板间加锯齿电压两板间加锯齿电压 ，则光点只在荧光，则光点只在荧光 屏的水平方向来回屏的水平方向来回 移动，出现一条水移动，出现一条水 平线段。平线段。电子测量原理第19页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。 电子测量原理第2

11、0页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正弦电压时显示的图形称为 李沙育（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，且在若两信号的初相相同，且在 X X、Y Y方向的偏转距离相同，方向的偏转距离相同， 在荧光屏上画出一条与水平在荧光屏上画出一条与水平 轴呈轴呈4545度角的直线度角的直线。 电子测量原理第21页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若两信号的初相相差9090 度，且在度，且在X X、Y Y方向的偏方向的偏 转距离相同，在荧光屏转距离相同，在荧光屏

12、 上画出的图形为圆上画出的图形为圆。电子测量原理第22页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”。 电子测量原理第23页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=2n=2如果扫描电压如果

13、扫描电压 周期周期TxTx与被测与被测 电压周期电压周期TyTy保保 持持TxTx= =nTynTy的关的关 系，则称扫描系，则称扫描 电压与被测电电压与被测电 压压“同步同步”。 电子测量原理第24页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。 电子测量原理第25页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：选择扫描周期等于脉 冲重复周期时，难以看清脉冲波形的细节。电子测量原理第26页7.2.2 波形显示

14、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。 电子测量原理第27页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。电子测量原理第28页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若不增辉将产生如图的回扫线电子测量原理第29页7.3 通用示波器 7.3.1 通用示波器的组成 电子测量原理第30页7.3 通用示波器

15、7.3.2 通用示波器的垂直通道1输入电路：包括衰减器和输入选择开关。 （1）衰减器 最佳补偿条件最佳补偿条件 ：过补偿过补偿 ：欠补偿：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 板上用板上用“V/cmV/cm”标记。标记。 电子测量原理第31页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。 电子测量原理第32页7.3.2 通用示波器的垂直通道2前置放大器 前置

16、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。 电子测量原理第33页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左图为没有延迟线时屏 幕上显示的脉冲。幕上显示的脉冲。电子测量原理第34页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