示波技术和测量技术2

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1、1,第三章 示波测试和测量技术,时域测试（时域分析）：研究信号随时间变化的测试， 示波器是最典型仪器。,频域分析：分析信号包含的频率成份，频谱分析仪是最 典型仪器。,数据域分析：显示多路数字信号逻辑状态和各路信号 之间的逻辑关系，逻辑分析仪是最典型 仪器。,2,第一节 示波测试的基本原理,一、阴极射线示波管,示波管（CRT）：电子枪、偏转系统和荧光屏,3,（一）电子枪：,电子枪由灯丝F，阴极K，栅极G1和G2，阳极A1和A2组成。,F、K：当灯丝加热阴极后，涂有氧化物的阴极发射大 量的电子。,G1：G1对K的负电位的改变，起到调节电子密度进 而调 节光点亮度的作用，G1电位越负，图形越暗，调节

2、G1电度的电位器称为“辉度”。,4,G2、A1、A2：G2、A1、A2的电位均远高于K，组成聚 焦系统，对电子束进行聚焦和加速，G2、 A2 一般相连 ，这个高电位一般 接近于地电位。A1的电位通常低于 A2， 。,5,电子穿越加速场的过程：,电子穿越加速场,由于电子在垂直方向没有受力,那么,6,即电子的运动方向偏向轴向。,7,电子穿越减速场的过程：,即：电子的运动方向偏离了轴向。,8,电子枪中聚焦系统的作用:,由于A1的电位比G2和A2低，即 ，且G2的电位远高于G1 ，所以G1至G2和A1至A2电子束的主要趋势是聚扰和加速，G2到A1电子来的主要趋势是发散。调节A1电位的电位器称为“聚焦”

3、旋钮，调节A2电度的旋钮称为“辅助聚焦”，以免A2至偏转板间可能发生散焦。,9,10,（二）偏转系统：,示波管中至少有X 偏转板和Y偏转板各一对。以Y偏转板为例说明光点在荧光屏上的位移与什么因素有关。,+,-,电子束,屏幕,11,为示波管的偏转灵敏度，单位为V/cm,在偏转电压Vy的作用下，Y方向在荧光屏偏转的距离为,12,(三) 荧光屏,荧光屏在示波管一端，通常是圆形或矩形的。在示波管内壁涂上一层荧光物质，面向电子枪的一侧还常覆盖一层极薄的透明铝膜。高速电子可以穿透这层铝膜轰击屏上的荧光物质，后者将电子的动能转变为光能，产生亮点。此外，这层铝膜还能吸收荧光物质发出的二次电子和光束中的负离子，

4、还对荧光有反射作用，使显示的图形更加清晰。当电子束从荧光屏上移去后，光点仍能在屏上保持一定的时间才消失。从电子束移去到光点亮度下降为原始值的10，所延续的时间称为余辉时间。为了测量所显示波形的高度和宽度，在荧光屏上还常有一定的刻度线。,13,二、图像显示的基本原理,图像显示基本类型（1）显示随时间变化的信号。（2）显示任意两个变量x与y的关系。,（一）显示随时间变化的信号：,1、扫描的概念,假设 ，即为加到Y偏转板上的电压，则电子束就会在Y方向按正弦规律变化，任一瞬间的偏转距离正比于该瞬间Y偏转板上的电压。,14,15,假设在X偏转板上加一随时间而线性变化的电压，即锯齿波电压，那么光点在X方向

5、偏转的距离变化反映了时间的变化，光点在荧光屏上构成反映时间变化的直线 。,16,1,2,3,4,信号波形在时间轴上展开,17,扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程。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：光点自右端迅速返回起点。时间基线：若在Y方向不加电压，光点只在X方向上构成 反映时间变化的一条直线。,18,2、信号与扫描电压的同步：,同步：扫描电压的周期 是被观察信号周期 的整数倍。 即,19,被测信号与扫描电压的同步,20,被测信号与扫描电压的不同步,21,同步的实现：,利用被测信号产生一个同步触发信号去控制示波器时基 电路中的扫描发生器，迫使它们

6、同步。,用外加信号去产生同步触发信号，但外加信号的周期应 与被测信号有一定关系。,3、连续扫描和触发扫描：,连续扫描:扫描电压是连续。,触发扫描:只有在被测脉冲到来时才扫描一次。,22,（二） 显示任意两个变量之间的关系,在示波管中，电子束同时受到X和Y两个偏转的作用，示波器可变为一个X-Y图示仪。,李沙育图形：示波器两个偏转板都加正弦电压时显示 的图形。,23,两个同频率信号构成的李沙育图形,24,第二节 通用示波器,一、示波器的分类和通用示波器的组成分类：（1）通用示波器（2）多束示波器（3）取样示波器（4）记忆、存贮示波器（5） 专用或特殊示波器,组成： 示波管 垂直通道水平通道电源电路

7、校准信号发生器,25,26,二、 示波器的垂直通道垂直通道包括：输入衰减器Y前置放大器延迟线Y输出放大器,27,()输入衰减器,若满足 最佳补偿,则,与信号频率无关,改变分压比就可改变示波器的偏转灵敏度。,（分压公式）,28,（二）延迟线： 作用：把加到垂直偏转板的脉冲信号延迟一段时间，使 信号出现的时间滞后于扫描开始时间。,（三）Y放大器：Y放大器使示波器具有观测微弱信号的能力。,29,三、示波器的水平通道,组成:扫描发生器环触发电路X放大器,（一）扫描发生器环,扫描发生器环是产生扫描信号(锯齿波）的，它又称时基电路。,30,扫描：光点在锯齿波作用下扫动的过程。扫描电压： 能实现扫描的锯齿波

8、电压。扫描正程：光点自左向右的连续扫动。,扫描回程：光点自右端迅速返回起点。时间基线：若在Y方向不加电压，光点只在X方向上构成 反映时间变化的一条直线。,补充,31,32,1、积分器：产生锯齿波,33,S断开：,和t成线性关系。,34,把积分器产生的锯齿波电压送入X放大器加以放大，再加至水平偏转板，由于偏转的水平距离与偏转电压成正比，而这个电压与时间成正比，所以可以用荧光屏上的水平距离代表时间。,扫描速度,x：光点在水平方向偏转的距离,t：偏转x距离所对应的时间,扫描速度的粗调：改变R或C,扫描速度的微调：改变E,35,2、扫描门,也称时基阐门：用来产生门控信号，用射极耦合双稳触发电路即施密特

9、电路来实现。,36,时 , 截止， 导通，处于第一稳定状态为低电平，积分器不积分，没有锯齿波产生。,时 , 导通， 截止，进入第二稳定状态为高电平，积分器开始积分，有锯齿波产生。,*,*,+E,37,38,(1) 受三方面信号的共同作用：, “稳定度”旋钮的电位器供给它一个直流电位； 接受从触发电路来的触发脉冲； 接受从释抑电路来的释抑信号。,39,40,3、比较和释抑电路,41,（1） 触发信号使 导通， 截止，积分器开始 积分，输出扫描电压（随时间线性 ）,* 触发扫描,42,（2） 如果有第二个触发信号使 或没有触发信号， 导通， 截止保持不变（ ）。,43,（2） 如果有第二个触发信号

10、使 或没有触发信号， 导通， 截止保持不变（ ）。,44,扫描电压达到负值 T导通 充电 随 两端的电压开始 。,45,继续二极管D截止 电位只由 两端的电压决定（与“稳定度”旋钮的直流电位无关）。,46,（5） ， 截止， 导通,扫描停止积分器C放电(RC为时间常数)积分器停止积分 T截止 放电 随 两端的电压。,47,（6） 继续放电，由于 ，所以C先 放电完。,48,C放电完，扫描回程进行完毕，但 还在继续放电。,49,（8） 是 的放电时间，触发脉冲不起作用，处 于“抑”状态。,50,之后，这时处于“释”状态，如果有触发信号，产生扫描电压。,51,条件： ，保证完成扫描回程前，即使有

11、第4个脉冲触发，也不能产生第二次扫描，保证每 次回归结束后才可能开始下一次扫描。,52,* 连续扫描,施密特电路从“稳定度”旋纽得到直流电压 ，是否有触发脉冲都可以扫描。,53,（二）触发电路,触发电路用来产生周期与被测信号有关的触发脉冲，这个脉冲被加至扫描门。,54,1、比较整形电路,近于 并略大于 时电路翻转，输出触发脉冲。,55,2、“电平”旋钮,比较整形电路的一端接一个可调时直流电压，调整这个直流电压的旋钮称为“电平”旋钮。比较整形电路另一端接触发信号。当触发信号的电平接近“电平”旋钮选择的直流电位时，产生触发脉冲。因此“电平”旋钮是决定信号在什么电平产生触发的。,56,3、“极性”开

12、关,三刀六位开关，选择触发源和触发信号的极性。,57,极性选正，触发信号至比较整形电路的输入端1,极性选负，触发信号至比较整形电路的输入端2,58,59,4、“方式”开关：,直流（DC）方式交流（AC）方式,AC低频抑制方式 AF高频耦合方式,（三）X放大器：改变X放大器的增益可以使光迹在水平方向得到 若干倍的扩展，校准扫描速度，改变X放大器有关的直流电位，可使光迹产生水平位移。,60,第三节 数字存储示波器,数字存储示波器(DSO)简称数字示波器。,一、数字存储示波器的组成和工作原理,数字存储示波器主要由采样存储、触发与时基和显示三大部分组成。,61,（一）采样存储,采样存储包括 衰减及放大

13、 采样保持及AD变换 采集存储器三部分衰减及放大电路的作用与模拟示波器类似。它们的输出信号经采样保持电路，由连续信号变为离散信号，各离散点的采样值正比于采样瞬间的幅值。经过AD变换，离散的模拟量变为量化后的数字量，然后由采集存储器存储。,62,数字存储示波器的采样方式分为实时采样和非实时采样。非实时采样分为非实时顺序采样和随机采样两种。,1采样方式,（1）实时采样:在信号实际经历的时间内完成了全部采样。,在实时采样中，只要按时间顺序在同一波形上等问隔采集若干点即可。实时取样不能解决示波器在观测高频信号时所遇到的频带限制的困难。,63,（2）非实时顺序采样,非实时顺序采样通常对周期为T的信号每经

14、大约m个周期采集一点（m为正整数），但每次采样都比前次在波形的相对位置上滞后t，也就是说每经（mT+t）采集一点。,64,（3）非实时随机采样,非实时随机采样也要经过多个信号波形的采集，才能”拼凑”出完整波形所需的采样点，但是在一个采集窗口内它可以取得若干个采样点。,65,对随机采样方式，通常用内插的方法精确计算触发点至下一个采样时钟的相对时间间隔（图中 )，,微处理器根据这些相对位置重建全部采样点，”拼凑”成供显示的波形。,66,2数字示波器的混淆失真,为不失真地恢复被测波形，通常需要示波器的采样率为被测信号所包含最高频率的4l0倍以上。如果采样率过低则恢复、显示的波形可能发生严重失真，这称

15、为混淆失真。,67,数字存储示波器要用存储器把AD变换后的数据存储起来以便显示。,3数字存储示波器的存储, 存储容量,每个信号通道能存储数据的点数称为存储容量，亦称为存储深度（长度、宽度）或记录长度。,68,（二）信息显示,1. CRT光栅增辉显示,光栅增辉显示一半采用磁偏转的CRT，即用X，Y两个磁偏转线圈产生磁场，来使电子束偏转。磁偏转管由于偏转角度大、工作频率高和失真及功耗均小等优点，在各类显示器中得到广泛应用。,(1)光栅增辉显示的偏转系统,69,（2）暗光栅的产生,如果把频率较高的锯齿波电流加至CRT的X偏转线圈，把频率比它低千、百倍的锯齿波电流加至Y偏转线圈。在他们形成的合成磁场作用下，光束快速在X方向扫动（称为行扫描）的同时，还会在Y方向缓慢扫动（称为场扫描或帧扫描）。,